Boron carbide xếp hạng ở 9.39.5 trên thang đo Mohs, vượt quá độ cứng của tungsten carbide (8.59.0) và thép (44.5), đặt nó ở vị trí thứ hai chỉ sau kim cương và boron nitride khối trong khả năng chống chà. Với độ cứng Vickers ~ 30 GPa, nó chống biến dạng trong điều kiện nổ căng thẳng cao, nơi các vật liệu mềm hơn phát triển vi thắt trong vòng vài giờ.
Ở vận tốc vượt quá 650 km/giờ, độ cứng của boron carbide có liên hệ trực tiếp với khả năng chống xói mòn. Các mô phỏng trong phòng thí nghiệm cho thấy tốc độ mài mòn của nó thấp hơn 12 lần so với thép tôi trong môi trường mài mòn chứa silica. Cấu trúc nguyên tử của nó chống lại biến dạng dẻo, ngăn ngừa hiện tượng 'hình thành mép' thường thấy ở các vòi phun tungsten carbide sau thời gian sử dụng dài.
| Vật liệu | Tốc độ xói mòn (g/kg chất mài mòn) | Tuổi thọ hoạt động (giờ) |
|---|---|---|
| Boron Carbide | 0.08 | 750–1,200 |
| Carbua Tungsten | 0.23 | 300–500 |
| Thép chứa crôm cao | 0.97 | 50–80 |
Các kết quả này từ các thử nghiệm phun cát được kiểm soát (P50 garnet, 80 psi) làm nổi bật ưu thế vượt trội của boron carbide trong việc ngăn ngừa sự hỏng hóc sớm của vòi phun.
Cấu trúc vi mô xốp của boron carbide có mạng lưới ranh giới hạt liên kết với nhau, giúp phân bố lực tác động đồng đều, giảm tập trung ứng suất cục bộ tới 37% so với các vật liệu truyền thống. Kính hiển vi sau thử nghiệm cho thấy các lớp bề mặt vẫn nguyên vẹn ngay cả sau hơn 1.000 giờ, trong khi các vòi phun bằng thép bị ăn mòn sâu 200–300 µm trong điều kiện tương tự.
Boron carbide duy trì độ bền cấu trúc trong quá trình dao động nhiệt độ nhanh thường gặp trong quá trình phun mài. Hệ số giãn nở nhiệt thấp của nó làm giảm thiểu các vết nứt do ứng suất, ngay cả khi nhiệt độ bề mặt vượt quá 600°C. Độ bền này ngăn ngừa hiện tượng nứt vi mô trong các chu kỳ gia nhiệt-làm nguội lặp lại, khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng cường độ cao như chuẩn bị bề mặt kim loại.
Boron carbide trơ về mặt hóa học, chống lại sự suy giảm do các chất mài mòn axit hoặc kiềm và hiện tượng oxy hóa do độ ẩm. Các nghiên cứu độc lập cho thấy không có sự suy giảm đáng kể nào sau hơn 500 giờ tiếp xúc với điều kiện pH cực đoan (2–12). Độ ổn định này loại bỏ các vấn đề rỗ bề mặt và ăn mòn thường gặp ở vòi phun bằng thép, đảm bảo lưu lượng chất mài mòn ổn định theo thời gian.
Ở 400°C, boron carbide giữ được 92% độ cứng ở nhiệt độ phòng — vượt trội đáng kể so với tungsten carbide (78%) và thép (54%). Khả năng chịu nhiệt này ngăn ngừa biến dạng trong quá trình vận hành kéo dài, giảm thiểu thời gian ngừng máy. Dữ liệu thực tế từ việc phun lót lò nung cho thấy hiệu suất tăng 40% so với các vật liệu carbide khác trong điều kiện duy trì ở 550°C.
Theo kết quả từ Báo cáo Đánh giá Hiệu suất Vật liệu Mài mòn 2024, vòi phun boron carbide có tuổi thọ dài hơn gấp 5 lần so với thép và dài hơn 1.8 lần so với tungsten carbide trong các môi trường công nghiệp. Độ bền này bắt nguồn từ độ cứng cực cao (30–35 GPa theo thang Vickers), giúp giảm thiểu tối đa sự hao mòn vật liệu trong quá trình va chạm của các hạt tốc độ cao. Các quan sát chính tại thực địa bao gồm:
Bằng cách chống lại các vết nứt vi mô gây tăng tốc độ mài mòn, boron carbide kéo dài khoảng thời gian bảo trì đồng thời duy trì áp lực phun cát tối ưu.
Khi nói đến xếp hạng độ cứng, boron carbide nổi bật với mức khoảng 2.400 đến 3.100 HV1. Điều này giúp nó vượt trội hơn so với tungsten carbide, có độ cứng dao động từ 2.300 đến 2.600 HV1, và cao hơn nhiều so với silicon carbide với mức 1.400 đến 1.600 HV1. Một ưu điểm lớn khác của boron carbide là trọng lượng nhẹ hơn do có mật độ chỉ 2,5 gam trên centimet khối, so với mức 3,16 g/cm³ nặng hơn của silicon carbide. Điều này có nghĩa là các nhà sản xuất có thể chế tạo các vòi phun vừa bền bỉ mà không quá nặng đến mức trở nên cồng kềnh trong quá trình vận hành. Các giá trị độ dẻo dai chống nứt thực tế khá gần nhau đối với những vật liệu này, thường nằm trong khoảng từ 2 đến 4 MPa·m¹/². Tuy nhiên, điều làm cho boron carbide thực sự nổi bật là độ cứng tuyệt vời của nó giúp ngăn chặn sự lan rộng của các vết nứt khi chịu những luồng áp lực mạnh mà thiết bị thường phải đối mặt trong môi trường công nghiệp.
Vòi phun bằng boron carbide chắc chắn có mức giá cao hơn, khoảng gấp mười ba lần so với thép, nhưng chúng tiết kiệm chi phí về lâu dài. Các công ty khai thác đã phát hiện ra rằng những vòi phun đắt tiền này giúp giảm chi phí tổng thể khoảng sáu mươi hai phần trăm sau chỉ năm năm vì không cần thay thế liên tục. Những hoạt động quy mô nhỏ chạy dưới 500 giờ mỗi năm có thể thấy rằng vòi phun bằng tungsten carbide phù hợp hơn với ngân sách ban đầu. Còn các doanh nghiệp lớn thì sao? Họ thường thu hồi vốn trong vòng tám đến mười hai tháng do hệ thống boron carbide kéo dài tuổi thọ hơn nhiều. Chúng ta đang nói đến tuổi thọ sử dụng vượt quá 18 nghìn giờ, gần gấp đôi so với khả năng của tungsten carbide. Độ bền như vậy tạo nên sự khác biệt lớn khi xem xét chi phí vận hành theo thời gian.
Các hoạt động khoan đá phiến cho thấy một số kết quả ấn tượng khi sử dụng vòi phun boron carbide. Những vòi phun này giữ được khoảng 90% kích thước ban đầu ngay cả sau khi phun liên tục trong 2.000 giờ vào các lớp lót xi măng. Điều này tốt hơn nhiều so với các loại vòi phun thay thế bằng silicon carbide, vốn thường bị mài mòn nhanh hơn khoảng 40% khi xử lý các chất mài mòn chứa hàm lượng silica cao. Các đội thi công tại hiện trường cũng nhận thấy một điều khác. Họ cần dừng lại để bảo trì ít hơn khoảng 35% so với các mẫu vòi phun tungsten carbide cũ hơn. Sự khác biệt này trở nên đặc biệt rõ rệt ở những khu vực có hàm lượng nước biển cao. Lý do là gì? Boron không phản ứng với các hợp chất chloride giống như các vật liệu khác, do đó vấn đề ăn mòn lỗ châm (pitting) gây phiền toái cho nhiều hệ thống khoan được giảm đáng kể.
Sản xuất hiện đại đạt được độ đặc lý thuyết trên 98% trong cacbua bo thông qua quá trình thiêu kết có áp lực ở nhiệt độ trên 2.200°C trong môi trường khí quyển được kiểm soát. Quá trình này loại bỏ các khoảng trống vi mô vốn trước đây là vị trí khởi phát nứt gãy. Cấu trúc vi mô đồng nhất thu được cải thiện độ dẻo dai chống nứt gãy thêm 15%, trực tiếp kéo dài tuổi thọ sử dụng trong các ứng dụng chịu va chạm mạnh.
Ngày nay, động lực học chất lỏng tính toán hay CFD đang định hình cách các kỹ sư thiết kế những đường cong loe thuôn này nhằm giảm thiểu sự xáo trộn khi xử lý các vật liệu mài mòn. Các thử nghiệm thực tế cũng cho thấy kết quả khá ấn tượng: những hình dạng cong này giúp giảm khoảng 22 phần trăm tổn thất vận tốc đầu ra và cắt giảm khoảng 31 phần trăm mức độ ăn mòn thành ống. Về mặt thực tiễn, điều này có nghĩa là đường kính cổ họng quan trọng duy trì ổn định lâu hơn khoảng ba lần so với các thiết kế loe thẳng cũ trong điều kiện vận hành tương tự. Đối với các đội bảo trì, điều này đồng nghĩa với việc giảm số lần ngừng máy và thay thế ít thường xuyên hơn theo thời gian.
Ngày nay, các kỹ sư đang đặt lõi boron carbide bên trong vỏ polymer gia cố sợi carbon (CFRP). Kết quả là họ có được sự kết hợp giữa khả năng chống mài mòn của gốm và khả năng chịu va chạm của vật liệu composite. Thiết kế lai mới này thực sự giải quyết những cú sốc cơ học gây ra khoảng 58 phần trăm các trường hợp hỏng hóc sớm ở các phiên bản cũ. Và đây là một điểm cộng khác: các cụm thiết bị mới hơn này nhẹ hơn khoảng 14% so với trước đây nhưng vẫn duy trì hiệu suất ở áp lực lên đến 150 PSI. Đối với những người làm việc với thiết bị phun cát di động, việc giảm trọng lượng này tạo nên sự khác biệt lớn về khả năng thao tác và di chuyển trong quá trình vận hành thực tế.
EN
