Bor nedir? Bor nerelerde kullanılır? Kimyasal yapısı ve özellikleri nedir?

Bor nedir? Borun tarihçesi – Bor Madeni

Bor mineralleri içerisinde eski çağlarda ticareti yapılan ilk mineral borakstır. Milattan önce 2000’li yıllarda Babilliler, altını işlemek amacıyla uzak doğudan boraksı ithal etmişlerdir. Aynı zamanda boraks, Eski Mısır ve Roma devrinde sert borosilikat camının hazırlanmasında kullanılmıştır. Boraks kaplamaları milattan sonra 300 yıllarında da biliniyordu. Arap kimyager Jabin Şbn Haiyan, kendi tuttuğu notlarında boraks için baurach kelimesini kullanmıştır. O yıllarda bu madde Tibet’ten getirilmiştir. Marco Polo 13. yüzyılda gerçek boraks örneklerini Moğolistan’dan Avrupa’ya getirmiştir. Bu maddeye Sanskrit dilinde (eski Hindu), “tincans” denilmesi sebebiyle “tincal” denilmiştir. 1556 senesinde G. Angricola, De re Metallica’yı yayınladığında, boraks Avrupa’da yaygın şekilde Flux (katkı) olarak kullanılıyordu. [1]

1702 senesinde tincal için gerçek kimyasal araştırmalar başlamıştır. G. Hamberg boraksı demir sülfat ile karıştırarak borik asidi üretmiştir. 1935 yılından itibaren bor çeliklerde kullanılmaya başlanmıştır. 1941 yılında Jominy testinin bulunuşu ile borun çelik üretiminde kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır. [4]

Borun Kimyasal Yapısı ve Özellikleri

Bor, periyodik tabloda 5. sırada yer almaktadır. Atom ağırlığı 10,81 g/mol olan metal-ametal karışımı, yarı iletken bir elementtir. 2090°C sıcaklıkta ergir ve 2550°C sıcaklıkta kaynamaya başlar. Doğada beyaz ve beyaza yakın bir renkte karşımıza çıkmaktadır. Bor bileşikleri eski çağlardan beri kullanılmaktadır. Günümüzde kullanım alanları hızlı bir şekilde gelişmektedir. Bilhassa 400’den fazla sanayi alanında uygulama alanı bulunmaktadır ve 230 çeşit bor minerali olduğu bilinmektedir.  Bor, silisyum ve karbon elementlerine benzerliği en fazla olan elementtir. [5]

9,35 Mohs sertlik değeri ile elmastan sonra gelen en sert elementtir. Bor ve bazı bileşiklerinin sertlik değerlerini aşağıdaki tablodan inceleyebilirsiniz.

Bor ve bazı bileşiklerinin sertlik değerleri

Bor elementi doğada serbest halde bulunmamaktadır. Yapay bor ise kristal ve amorf yapıda olmak üzere iki şekilde elde edilir. Kristal bor 2,33 g/cm³ yoğunluğa sahip parlak siyah renkte, kırılgan ve sert bir yapıda, amorf bor ise 2,34 g/cm³ yoğunluğa sahip siyah veya kahverengi toz şeklindedir. Kristal bor tetragonal ve hekzagonal kristal kafes yapısına sahiptir. Hidrojenle 840ºC’de, oksijenle 700ºC’de su ile 100ºC üzerinde reaksiyona girer. [5]

Borun kristal şekilleri ve parametreleri

Bor elementi %19,57 oranında B10 ve %80,43 oranında B11 izotoplarından oluşmaktadır. Borun büyük bir nötron absorbsiyon kesiti bulunmaktadır. Bu değer B10 izotopu için 40,10 barn, B11 izotopu içinse 0,75 barndır. B10 izotopu nükleer reaktörlerin kontrolü ve nükleer radyasyondan korunma sebebiyle büyük bir öneme sahiptir. [3]

Borun elektrik iletkenliği oda sıcaklığında oldukça düşüktür. Fakat ısıtıldıkça hızlı bir şekilde artmaktadır. Bu sadece metallere ait bir özellik değildir. Borun metalik özelliklerinin de çok düşük olması nedeniyle bir ametaldir. Ergimiş bor soğutulduğunda çok sert ve kırılgan bir yapı halini alır. Yeşil alev rengine sahiptir. [5]

Bor karbür

Bor birçok mineraller bileşik halde bulunur. Bor mineralleri genel olarak bor oksitleri içerirler. Fakat ticari olarak bunlardan en fazla 3 tanesinin dünyada önemli bir yeri bulunmaktadır. Bunlardan büyük oranla sodyum içeren tinkal (boraks) cevheri, büyük oranla kalsiyum içeren bileşiklerine kolemanit cevheri ve büyük oranda sodyum-kalsiyum içeriğinde olana ise üleksit cevheri ismi verilir. [6]

Bor endüstriyel ve teknolojik uygulamalarda sürekli çeşitli bileşikler ve bor kimyasalları şeklinde olur. Bor alaşımları borun geçiş elementleri olan kobalt, nikel ve demir ile yapmış olduğu alaşımlardır. Bor ve bor bileşikleri metalurji ve makine sanayiinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bor, demir esaslı malzemelerde alaşım elementi olarak kullanıldığında borun %0,1’in altında bir oranda olması gerekir. Çünkü bu oranın üzerinde olan bor miktarı çeliğin yüksek sıcaklıkta kırılganlığa, dökme demirde ise çatlamalara sebep olur. Bor çeliklerde %0,007 oranına kadar sertleştirme derinliğini artırır. Dökme demirlerdeyse %0,005’e kadar grafitin çekirdekleşmesine ve yapıyı üniform halde dağılmasına neden olur. [5]

Boratlar yüksek sıcaklıkta düzgün, koruyucu ve temiz, yapışkan, çapaksız bir sıvı oluşturma özelliği sebebiyle özellikle demir dışı metal endüstrisinde ergitmeyi hızlandırıcı ve cüruf oluşturucu madde olarak kullanılmaktadır. Bor bileşikleri elektrolitik kaplama endüstrisinde banyo bileşimlerinde kullanılmaktadır. Borik asit nikel kaplamada, fluoborik asitler ve fluoboratlar ise kalay, bakır, nikel, kurşun gibi demir dışı metal banyo bileşimlerinde kullanılmaktadır. Metal oksitlerin yüksek sıcaklıklarda bor içinde kolaylıkla ergiyebilmesi, çelik sanayiinde fluorit yerine borun daha uygun olarak kullanılmasına sebep olur. Yüksek fırınlarda boratlar, refrakterlerin daha uzun ömürlü olmasını ve asitliğin azalmasını sağlar.

Takım çeliklerine ilave edilen bor, sertleşme kabiliyetini artırmaktadır. Paslanmaz çeliğe ppm oranında bor ilavesi, sürünme direncini, kaynak kabiliyetini, taneler arası korozyon direncini, nötron absorbsiyon kapasitesini artırmakta, sıcak yırtılmaların önüne geçmektedir [3]. Ayrıca bor elementi çeliklerin yüzey kaplama yöntemi olan borürlemede kullanılmaktadır. Alaşımlı çeliklerdeki borlu tabaka, demir atomunun yerini alan alaşım elementlerinin yerini de içermektedir. Bu tür çelikler FeB ve Fe2B bileşiklerinin yanında, alaşım elementlerine bağlı olarak NiB₂, Cr₂B, CoB₂, CoB, TiB₂ kafes parametresi 10,62 Å olan kübik yapılı M₂₃(B,C)₆ metal bileşiklerini de içerirler. Aynı zamanda bor çelik içerisinde bulunan V₄C₃, NbC gibi karbürlerle de ergiyik halde bulunabilir. Cr ve Ni, Fe₂B’de demir atomlarının yerini alarak ergir.

Bazı tür süper alaşımlarda az miktarda yapılan bor ilavesi (0-50 ppm) malzemenin yüksek sıcaklık davranışına pozitif yönde bir etkisi bulunmaktadır. Yüksek hız çeliklerine, ısıl işlem görebilen ve kullanımda sertleşebilen çeliklere bor ilavesi özellikle sürtünme dayanımını artırmaktadır. Cr-Ni-Co, Cr gibi yüksek sıcaklık çeliklerine az miktarda bor eklemek bu malzemelerin kullanım ömrünü uzatmaktadır. [7]

Borun Genel Kullanım Alanları

Bor mineralleri kullanım alanı olan endüstriyel alanlarda çoğunlukla bor kimyasalları şeklinde kullanıldığı gibi konsantre bor olarak da doğrudan kullanılmaktadır [8]. Bor ürünleri nükleer uygulamalar, yakıtlar, otomotiv ve enerji sektörü, elektronik ve iletişim sektörü, uzay ve hava araçları,  kimya ve deterjan sektörü, tarım, seramik ve polimerik malzemeler, inşaat, metalurji, nanoteknolojier, cam sanayii ve askeri araçlar gibi 500’e yakın alanda kullanılmaktadır [2]. Bir çok alanda kullanım yerine sahip bor ürünlerinin %85’e yakını cam (tekstil tipi cam elyafı,yalıtım tipi cam elyafı, panel cam ve borosilikat cam), seramik-frit, deterjan ve tarım sektörlerinde yoğunlaşmıştır.

Dünya bor tüketiminin sektörel dağılımı

Bor tüketiminin nihai kullanım alanlarına göre dağılımı

Borun genel olarak kullanım alanları; borosilikat camlarda, temizletme ve beyazlatma sanayiinde, cam elyafı üretiminde, nükleer uygulamalarda, tarım alanında, enerji üretimi ve ısı depolamada, sağlıkta, borlu katı yakıtlar/yakıt hücrelerinde, otomobil hava yastıklarında, ahşap korumada, inşaat ve çimento sektöründe, füze/uçuş yakıtlarında, yanmayı önleyici-geciktirici maddelerde, atık temizlemede kullanılmaktadır.

Diğer kullanım alanları ise; Kozmetik, fiber optik, patlayıcı maddeler (havai fişek vs.), plastik ve kauçuk sanayii, antifirizler, fotoğrafçılık, petrol boyaları, tekstil boyaları, yanmayan ve erimeyen boyalar, hidrolik yağlar, kompozit malzemeler, zımpara ve aşındırıcılar, mumyalama, manyetik cihazlar, ileri teknoloji araştırmaları (moleküler biyoloji vs.) ve diğer bir çok alanda kullanılmaktadır. Bazı özel bor kimyasallarının kullanım alanlarını aşağıdaki tablodan inceleyebilrisiniz.

Bazı özel bor kimyasalları için kullanım alanları

Kaynakça

1. Ölmez, E., “Paslanmaz çelik üretiminde Al-Ti-B alaşımının mekanik özelliklerine ve mikroyapıya etkisinin araştırılması”, Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük, (2014)

2. Angın, M. H., “Ferrobor fizibilite raporu”, Eti Holding, Ankara, 3-26 (2003)

3. Arkun, E., “Paslanmaz çelik saclarda şekillendirme karakteristikleri”, Yüksek Lisans Tezi, Y.T.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü, istanbul, 155 (2006).

4. Yılmaz, S. S., “Demir esaslı T/M parçaların yüzey sertleĢtirme işlemlerinin fiziksel ve mekanik özelliklerine etkisi”, Doktora Tezi, Celal Bayar Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 1-151 (2004).

5. Duman, İ., “Bor‟‟, Bildiriler Kitabı, I. Uluslar arası Bor Sempozyumu, Balıkesir, 145-155 (2002).

6. Matuschka, A. G. V., “Boronozing”, Wien:Hanser, 100-105 (1980)

7. Goeuriot, P. Y., Fillit, P. and Thevenot, F., “The influence of alloying element additions on the boriding of steels”, Mat. Sci. and Eng., 9-19 (1982).

8. Eti Maden İşleri, “2008 Bor raporu”, Eti Maden İşl. Gen. Müd. Yayınları, Ankara (2008).