Bornitrid, chemische Formel BN, ist eine Bor-Stickstoff-Verbindung, die in drei Modifikationen (α, β, γ) vorkommt. Sie werden nach ihrer Kristallstruktur auch als hexagonales, kubisches bzw. wurtzitisches Bornitrid (h-BN, c-BN, w-BN) bezeichnet. Unter Normalbedingungen sind das hexagonale α-BN und das kubische β-BN stabil, die wurtzitische Modifikation ist metastabil, auch amorphes Bornitrid kristallisiert nicht. Oberhalb von 1200 °C bis zum Schmelzpunkt ist das hexagonale α-BN stabil, das wurtzitische γ-BN nur bei sehr hohen Drücken über ca. 10 GPa. Die drei Modifikationen sind analog zu denen des zum Bornitrid isoelektronischen Kohlenstoffs. Hexagonales Bornitrid lässt sich dem Graphit, kubisches dem Diamanten, wurtzitisches dem Lonsdaleit zuordnen. Entsprechend ist Bornitrid ein Hochpolymer, im Falle der hexagonalen Modifikation mit sehr geringer Härte und Gleiteigenschaften, im kubischen Fall mit extrem hoher Härte. Kubisches β-Bornitrid wurde 1957 erstmals von Robert Wentorf synthetisiert und war nach dem Diamanten der härteste damals bekannte Werkstoff. Im Jahre 1969 wurde CBN (kubisch kristallines Bornitrid) von der Firma General Electric unter dem Namen BORAZON auf den Markt gebracht; der Preis überstieg damals den Goldpreis. Die kommerzielle Produktion von CBN hat sich erst seit den frühen 1990er Jahren etabliert.
Vorkommen Natürlich vorkommendes Bornitrid, genauer kubisches Bornitrid (c-BN) wurde erstmals in der Chromitlagerstätte der Luobusha Mine (auch Luobusa Mine) im Kreis Qusum des Autonomen Gebiets Tibet in China entdeckt und 2013 von der International Mineralogical Association unter dem Namen Qingsongit als eigenständige Mineralart anerkannt (IMA 2013-030).
Eigenschaften mini|links|350px|Restfestigkeit verschiedener Fasern bei zunehmender Hitze Kubisches Bornitrid ist einer der härtesten Stoffe. Unter Normalbedingungen weist Bornitrid eine Härte nach Knoop von ca. 48 GPa (48.000 N/mm²) auf, Diamant hat im Vergleich zwischen 70 und 100 GPa.
Werkzeuge aus CBN verschleißen bei geeigneter Anwendung wesentlich langsamer als andere Schneidstoffe. Zum einen ist dadurch eine höhere Form- und Maßgenauigkeit zu erreichen, zum anderen lassen sich sehr harte Werkstoffe (Stahl bis 70 HRC) prozesssicher bearbeiten. Allerdings ist CBN durch die hohe Härte sehr spröde, was seine Eignung zur Zerspanung mit unterbrochenem Schnitt relativiert.
Ähnlich wie Diamant hat CBN eine hohe Wärmeleitfähigkeit, nämlich die fünffache Wärmeleitfähigkeit von Kupfer, wodurch die Wärme z. B. beim Schleifen von der Schleifscheibe aufgenommen wird und an das Kühlmittel oder an die Umgebung abgegeben werden kann. Das Werkstück erwärmt sich weit weniger als beim Schleifen mit Korund, so dass das Gefüge der Randzone weniger beeinflusst wird. Die relativ hohen Schleiftemperaturen greifen CBN weder bei der Bearbeitung von Eisen, Nickel noch von Kobalt chemisch an.
CBN-Werkzeuge können sowohl mit als auch ohne Kühlschmierstoff eingesetzt werden. Beim Einsatz von Kühlschmierstoff ist allerdings auf eine dauerhafte Nachförderung zu achten, da der thermische Schock, der beispielsweise beim manuellen, unterbrochenen Aufsprühen entstehen kann, für ein Abplatzen der Schneidkanten sorgen kann.
Während Diamant schon bei ca. 700 °C einen massiven Härteverlust erleidet, bleibt die Härte von CBN noch bei mehr als 1000 °C fast unverändert. So kann Diamant unter Hitzeeinwirkung mit CBN geschliffen werden.
Experimentell nachgewiesen wurde, dass einlagiges Bornitrid Quantenfluktuationen verstärken kann.Nadja Podbregar: Verstärker für Quantenfluktuationen entdeckt. 2D-Material Bornitrid schaltet Supraleiter ab – nur durch verstärktes Quantenrauschen, in: www.scinexx.de, 2. März 2026 (https://www.scinexx.de/news/physik/quantenfluktuationen-veraendern-kristall/, abgerufen am 3. März 2026).
Bornitrid ist in allen seinen Modifikationen bis zu hohen Temperaturen chemisch inert.
Kristallstrukturen mini|Bornitrid-Mesomerie α-Bornitrid lässt sich strukturell mit Graphit vergleichen. Es besteht ebenfalls aus Schichten einer planaren, hexagonalen Wabenstruktur, bei der die B- und N-Atome jeweils abwechselnd vorkommen. Im Gegensatz zum Graphit sind die Hexagone der einzelnen Schichten in Deckung angeordnet, so dass unterhalb und oberhalb eines jeden B-Atoms je ein N-Atom zu finden ist (und umgekehrt). Die physikalischen Eigenschaften von α-BN und Graphit sind sich sehr ähnlich. Ihre Dichten sind praktisch identisch und beide haben einen sehr hohen Schmelzpunkt. Zudem fühlen sie sich auf der Haut beim Zerreiben talkähnlich an. Hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit gibt es dennoch einen Unterschied. α-BN leitet erst bei sehr hohen Temperaturen den Strom. Vorher befinden sich die pπ-pπ-Rückbindungselektronen aufgrund der EN-Differenz vorzugsweise beim Stickstoff. Die π-Elektronen sind somit nicht freibeweglich und eine Stromübertragung ist nicht möglich.
Das kubische β-Bornitrid, auch CBN (), liegt in der kubischen Sphalerit-Struktur vor, deren Aristotyp die Diamantstruktur ist. Die γ-Form hingegen entspricht der hexagonalen Wurtzit-Struktur, deren Aristotyp der hexagonale Diamant Lonsdaleit ist. Sie ist jedoch bezüglich der β-Form metastabil. Die um über 50 % erhöhte Dichte der diamantanalogen Formen des Bornitrids lässt sich im Vergleich zur graphitanalogen α-Form dadurch erklären, dass sich der Schichtabstand um ca. 30 % verringert.
250px 200px 200px α-BN, hexagonal β-BN, kubische Struktur BN, Hexagonales Kristallsystem bzw. Wurtzit-Struktur
Herstellung Zur Herstellung von hexagonalem α-Bornitrid kann Bortrioxid B2O3 mit elementarem Stickstoff N2 umgesetzt werden. Diese Reaktion wird bei hohen Temperaturen unter Katalyse von Calciumphosphat Ca3(PO4)2 durchgeführt. Anstelle von Stickstoff kann auch Ammoniak NH3 oder eine Ammoniumverbindung eingesetzt werden, anstelle von Boroxid auch ein Borhalogenid. Dabei entsteht die (farblose) α-Modifikation. B2O3 + 2 NH3 -> 2 BN + 3 H2O BBr3 + 4 NH3 -> BN + 3 NH4Br BCl3 + 4 NH3 -> BN + 3 NH4Cl
Analog zu Diamant aus Graphit lässt sich β-Bornitrid (CBN) unter hohen Temperaturen (1500–2200 °C) und hohem Druck (50–90 kbar) aus α-BN herstellen. Als Katalysator kann man hierbei Lithiumnitrid (Li3N) verwenden. Bei noch höheren Drucken entsteht die γ-Form. Da die Rückführung zu Normalbedingungen jedoch durch das Phasengebiet des β-BN führt, besteht die Gefahr der Umwandlung, wenn dieser Vorgang nicht ausreichend schnell ist. Die Synthese von γ-BN wird daher auch bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt, um den metastabilen Zustand schneller erreichen zu können.
Verwendung mini|Wendeschneidplatte: Hartmetallgrundkörper mit aufgelöteten Schneidenecken aus polykristallinem kubischem Bornitrid. Technisch bedeutend ist β-Bornitrid (CBN) vor allem als Schleifmittel und als Schneidstoff für Wendeschneidplatten zur Bearbeitung von Stahl, da es – im Gegensatz zum Diamanten – unter Temperatureinwirkung keinen Kohlenstoff an Stahl abgeben kann. Aus demselben Grund wird es auch zur Oberflächenbeschichtung eingesetzt.
Die graphitähnliche hexagonale Modifikation (α-Bornitrid) wird als Schmiermittel eingesetzt („anorganischer“ oder „weißer Graphit“). Im Gegensatz zu Graphit bleibt der Reibungskoeffizient von hexagonalem Bornitrid bis über 1000 °C stabil, weshalb es als Hochtemperaturfestschmierstoff unter Vakuum sehr gut geeignet ist. Bei hoher Temperatur (1400–1800 °C) und hohem Druck (> 6 GPa) wandelt sich die hexagonale in die kubische Modifikation um, analog zur Umwandlung von Graphit in Diamant. Beide Bornitrid-Modifikationen sind weiß und leiten bei niedrigen und moderaten Temperaturen keinen Strom.
Obwohl hexagonales Bornitrid schon 1940 in Kosmetika verwendet wurde, setzte es sich erst in den 1990er Jahren, nachdem die Herstellungskosten stark gefallen waren, durch. Die hohe Deckkraft und die zum Auftragen vorteilhafte graphitähnliche Beschaffenheit sind die entscheidenden Eigenschaften für die Verwendung in Make-up.
Ein poröser Schwamm aus Bornitrid ist in der Lage, etwa sein 33-faches Eigengewicht an Öl und organischen Lösungsmitteln aufzunehmen. Nach Verbrennen oder Verdampfen der aufgenommenen Flüssigkeiten kann der Filterschwamm unverändert zurückgewonnen werden. Diese Eigenschaft könnte zur Wasseraufbereitung bzw. -reinigung eingesetzt werden.Lars Fischer: Bornitrid-Schwamm entfernt Öl aus Wasser. Meldung bei Spektrum.de vom 2. Mai 2013.Weiwei Lei, David Portehault, Dan Liu, Si Qin & Ying Chen: Porous boron nitride nanosheets for effective water cleaning. In: Nature Communications. 4 (1777), 30. April 2013; doi:10.1038/ncomms2818.
Als potentielles Material für (UV-)Leuchtdioden wird hexagonales Bornitrid wegen seiner interessanten Eigenschaften als III-V-Verbindungshalbleiter (Bandlücke 5,8 eV, hohe Elektronen- und Löcherbeweglichkeit) untersucht. Darüber hinaus stellte es sich als gutes Material zur Bildung von Heterostrukturen mit Graphen heraus z. B. auf Chips, wodurch Graphen einfacher für die Elektronik zugänglich wird. Die besonderen elektronischen und optoelektronischen Eigenschaften wurden um 2003 von Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi in Japan entdeckt, die bald darauf lange Zeit führend in der Herstellung ultrareiner zweidimensionaler hexagonaler Bornitrid-Gitter wurden.Mark Zastrow, Meet the crystal growers who sparked a revolution in graphene electronics, Nature, News Feature, 2. Oktober 2019, Nature, Band 572, 2019, S. 429–432
Verwendung als Schleifmittel CBN-Scheiben werden eingesetzt zum Schleifen von: gehärteten Schnellarbeitsstählen (HSS) hochlegierten Werkzeugstählen mit min. 55 HRC einsatzgehärteten Stählen Pulverbeschichtungen auf Eisenbasis Hartguss Weichen Stahlqualitäten in bestimmten Anwendungsfällen Stellite Nickelbasierten Superlegierungen
Schleifgeschwindigkeit Die optimale Schnittgeschwindigkeit hängt von verschiedenen Faktoren ab: Schleifart (Rund-, Flach-, Pendel-, Tiefschleifen u. a.) Kühlung (Öl, Trockenschliff) Maschine (Stabilität, Spindeldrehzahl)
Man kann mit CBN unter optimalen Bedingungen beim Hochgeschwindigkeitsschleifen statt der normalen 30–60 m/s beim Nassschliff, bzw. den 15–20 m/s mit weit höheren Geschwindigkeiten arbeiten. Dafür müssen jedoch die Maschinen entsprechend stabil ausgelegt sein, die Ölkühlung mit den richtigen Düsen und genügend Druck ausgeführt sein.
Kühlen Beim Schleifen mit CBN wird meist mit reinem Schleiföl gekühlt. Das Öl vermindert die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück. Dadurch entsteht weniger Abwärme. Zudem führt ein stetiger Ölfluss Wärme ab. Kühlung mit einer Öl-Wasser-Emulsion ist möglich, führt aber zu einer geringeren Standzeit der Schleifscheibe.
Es gibt auch Scheiben, die speziell für den Nassschliff ausgelegt sind und die dann im Trockenschliff nur mit reduzierter Drehzahl und Zustellung nur im Ausnahmezustand eingesetzt werden.
Bindungen Die Körner werden beim CBN-Schleifen mit einer dünnen Metallschicht aus Nickel oder Kupfer ummantelt. Dadurch wird das Korn optimal in der Bindung gehalten und die entstehende Schleifwärme in die Bindung geführt. Man unterscheidet verschiedene Bindungsarten nach dem Bindungsmaterial.
Kunstharzbindungen Über 50 % aller Schleifaufgaben lassen sich mit Kunstharzbindungen bewerkstelligen, da viele Bindungsvarianten und hohe Abtragsleistungen möglich sind. Außerdem hat die Scheibe dadurch eine große Griffigkeit und verursacht geringe Schleifdrücke und geringe Temperaturen. Sie eignen sich sowohl zum Trocken- als auch zum Nassschleifen.
Körpermaterial: Aluminium Aluminium-Kunstharz Graphit-Kunstharz Auch wird bei manchen Herstellern Keramik als Grundkörpermaterial verwendet, falls es sich um sehr feinkörnige (< B25 = 30–20 µm) Scheiben handelt.
Metallbindungen