Nitrure de bore

Le nitrure de bore, de formule BN et de masse moléculaire 24,8, est très semblable au carbone et non à un biscuit, car il est formé à nombre égal d’atomes des éléments 5, le bore et d’élément 7, l’azote, qui encadrent le carbone (Z = 6) dans le tableau périodique. Il est dit isoélectronique de ce dernier. Il présente de ce fait quelques similitudes structurales et plusieurs propriétés comparables.

Comme le carbone (cf. [Carbone->254]), le nitrure de bore existe sous plusieurs formes :

    • La forme hexagonale appelée H-BN ou encore « graphite blanc », car il a aussi comme le graphite des propriétés tribologiques et anisotropes.
    • La forme cubique C-BN, de structure diamant, et qui elle aussi a une dureté exceptionnelle de valeur 60% de celle du carbone diamant.

La préparation et la synthèse du nitrure de bore peut se faire de différentes façons par réaction entre des borates alcalins et des sels d’ammonium, entre l’ammoniac et des halogénures de bore ou encore directement par réduction sous azote à haute température de l’oxyde de bore. Trois réactions peuvent être écrites :

  • NaBO3 + NH4Cl ------> BN + NaCl + H2O
  • NH3 + BCl3 ------> BN + 3 HCl
  • B2O3 + 3C + N2 ------> 2 BN + 3 CO

On obtient alors le H-BN de structure hexagonale. Il a une capacité calorifique élevée, assortie d’une très bonne conductivité thermique. C’est un isolant électrique et il a de plus un très faible coefficient de dilatation thermique. Comme sa température de fusion se situe au dessus de 2 600 ° C, c’est un matériau idéal pour les hautes températures.

Réfractaire, peu sensible aux chocs thermiques, il n’est pas mouillé par la plupart des métaux liquides et le verre en fusion. On en fait donc par pressage à chaud des creusets de céramique pour la fonderie, des tubes de protection pour les thermocouples et sondes de mesures et des revêtements pour les buses de soudage. Sous atmosphère réductrice ou sous vide, il résiste à des températures supérieures à 1 800 °C ; en atmosphère oxydante, il n’est pas altéré en-dessous de 900 °C.

On obtient alors le H-BN de structure hexagonale. Il a une capacité calorifique élevée, assortie d’une très bonne conductivité thermique. C’est un isolant électrique et il a de plus un très faible coefficient de dilatation thermique. Comme sa température de fusion se situe au dessus de 2 600 ° C, c’est un matériau idéal pour les hautes températures. Réfractaire, peu sensible aux chocs thermiques, il n’est pas mouillé par la plupart des métaux liquides et le verre en fusion. On en fait donc par pressage à chaud des creusets de céramique pour la fonderie, des tubes de protection pour les thermocouples et sondes de mesures et des revêtements pour les buses de soudage. Sous atmosphère réductrice ou sous vide, il résiste à des températures supérieures à 1 800 °C ; en atmosphère oxydante, il n’est pas altéré en-dessous de 900 °C.

Le borure pyrolitique est obtenu par déposition vapeur sur graphite à 1 800°. Les poudres de H-BN sont d’excellents lubrifiants haute température pour les moules de fonderie, pour les pièces de façonnage du verre. On en fait des vernis, des ajouts pour les huiles, car c’est un micro-revêtement qui diminue la friction et augmente l’inertie chimique des surfaces des pièces en contact. Certaines huiles moteurs, malheureusement un peu plus coûteuses, contiennent des microparticules de H-BN qui procurent une lubrification instantanée à froid et une stabilité thermique à chaud et augmentent la fiabilité mécanique des couples piston-cylindre des moteurs automobiles.

|Le nitrure de bore cubique C-BN, de structure diamant, est obtenu sous pression de 62 kbar au-dessus de 1 650 °C. Il a été commercialisé en 1969 par la General Electric sous la marque « Borazon ». Il a connu un développement remarquable dans le domaine des abrasifs et matériaux super-durs.

En effet, avec une dureté de 4 700 N/mm2 (dureté Knoop), c’est après le diamant (7 000 N/mm2) un des composés les plus durs, deux fois la dureté du carbure de silicium SiC. Sa production de quelques tonnes dans les années 1995 atteint plusieurs centaines de tonnes depuis 2010.

Il a conquis le marché des meules d’usinage qui sont faites par dépôt galvanique de BN dans une résine ou dispersé dans un liant céramique pour la rectification de précision. Ces meules ont des qualités d’usure et de précision d’attaque 100 fois meilleures que les meules classiques au corindon par exemple. En effet, la stabilité thermique du C-BN et sa bonne conductibilité (5 fois celle du cuivre) permettent de ne pas échauffer la pièce à rectifier, car la chaleur d’abrasion est absorbée par la meule et évacuée par l’huile de coupe. En contrepartie, ces avantages ont un coût certain, le C-BN reste cher, de l’ordre de 1 à 1,5 € le gramme, le H-BN est moins cher, de l’ordre de 15 à 30 € le Kg (fournisseurs chinois) et les vernis ou peintures à base de « graphite blanc » autour de 300 € les fûts de 10 L.

Pensée du jour
« Une main de fer dans un gant de velours c’est le C-BN enrobé de H-BN »

Sources

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