立方氮化硼的性能和應用

李重陽

（鄭州銳利超硬材料有限公司，河南 鄭州 450000）

1 立方氮化硼的結構和性能

1.1 立方氮化硼的結構

cBN具有類似金剛石的晶體結構，晶格常數相近 (金剛石為0.3567nm,cBN為0.3615nm)，且晶體中的結合鍵基本相同，即都是沿四面體雜化軌道形成的共價鍵，在cBN的晶體結構，若以碳原子(C)置換氮(N)和硼(B)原子，便形成金剛石的晶體結構。

cBN最典型的幾何形狀是正四面體晶面與負四面體晶面的結合，常見的形態有：四面體、假八面體、假六面體（扁平的四面體）[1]。根據cBN的B、N表面腐蝕的顯微結構,四面體的cBN晶體可分為兩種：一種是硼四面體，即四個表面是硼表面；另一種是氮四面體，即四個表面是氮表面。二者的特征不同。

1.2 立方氮化硼的性能

1.2.1 硬度

立方氮化硼莫氏硬度為9.7（金剛石10），維氏硬度為7500（金剛石10000），僅次于金剛石。超硬材料（立方氮化硼與立方金剛石）的共價鍵“鍵角”為 109°28′。 正是這個 109°28′共價鍵鍵角，使得立方氮化硼與立方金剛石具有最高的硬度而被稱為超硬材料。

馮士光[2]認為超硬材料存在“三取向”10928定律，即：（1）當體系處于平衡穩定態時，109°28′是力學領域結構強度最高的取向；（2）當體系平衡穩定遭到破壞而處于不穩定狀態時，109°28′是 “應力能”自發高效地釋放時阻力最小的“途徑”取向，而裂紋走向即內在應力能釋放取向的外在表征；（3）109°28′是空間結構高效、低耗的最優化取向。

1.2.2 強度

強度是cBN產品分級和評定其質量的重要指標[3]。影響單晶強度的因素包括應力狀態的特點、亞結構、尺寸、晶形、內部和表面存在的裂紋及其它缺陷。在脆性狀態中，單晶強度與結晶塊的散射角大小成正比，而散射角是亞結構的重要特征之一。亞結構對cBN強度特性的影響研究表明，當塊狀晶體散射角增加到一定值（1°～2.5°）時，發現強度有提高的趨勢。當散射角更大時，塊狀晶體強度明顯地降低到接近集合體的強度；復雜斷層結構的塊狀單晶體具有最高的強度。

1.2.3 導熱性

cBN有很好的導熱性，其導熱系數（79.54 w/m·k）雖趕不上金剛石（146.5 w/m·k），但大大高于高速鋼（16.7～25.1 w/m·k）和硬質合金（20.33～80.77 w/m·k）。隨著切削速度的提高，cbn的導熱系數也逐漸增高，這有利于降低切削區的溫度而減少擴散磨損。

1.2.4 熱穩定性和化學穩定性

cBN具有很高的熱穩定性，可承受1200℃以上的切削溫度，并且cBN的化學惰性大，在中性、還原性氣體介質中對酸和堿具有很高的化學穩定性。cBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃時也不會發生氧化現象[4]。真空中，溫度至1550℃才發生從cBN至hBN的相變。cBN對于鐵、鋼和氧化環境具有化學惰性，在氧化時形成一薄層氧化硼，此氧化物為涂層提供了化學穩定性，因此它在加工硬的鐵材、灰鑄鐵時耐熱性也極為優良。

立方氮化硼的耐熱性主要是由它的成份及結構決定的。立方氮化硼雖然與金剛石具有相似的結構，但金剛石表面的碳原子鍵未飽和，在高溫（720℃以上）條件下，這些未飽和的表面碳原子易與氧原子結合生成碳的氧化物而逸出晶體，使晶體逐漸剝離而解體。而立方氮化硼晶體表面為氮、硼原子所覆蓋，硼原子的電子層結構為1s22s22p1，可提供三個成鍵電子，使晶體表面的硼原子的價鍵處于飽和狀態沒有空懸鍵，因而在金剛石氧化溫度下仍處于相對熱穩定狀態[5]。

正是由于氮化硼的這些特異的性質，人們在生長氮化硼晶體材料方面做了很多工作，進行了不懈的努力，尤其是立方氮化硼的制備。1957年，Wentorf首次利用高溫高壓方法，以六方氮化硼為原料，通過相變得到立方氮化硼。從此有關立方氮化硼的合成研究形成了材料研究領域的一個熱點[6]。

2 立方氮化硼的應用

cBN由于其優異的性能在材料加工領域發揮著日益重要的作用。目前cBN主要用作磨具和刀具。

2.1 立方氮化硼磨具

cBN磨具是用不同類型的結合劑將cBN磨料粘接在一起并制成一定形狀的一種工具，具有極高的使用壽命，被稱作“半永久性磨具”。可分為金屬結合劑磨具、樹脂結合劑磨具、電鍍結合劑磨具、陶瓷結合劑磨具四類。這四種磨具中，以陶瓷結合劑模具發展最快。在世界范圍內，陶瓷結合劑cBN磨具的比例已由80年代的4%上升到目前50%以上，呈迅速增長之勢[7]。這是由于陶瓷cBN磨具磨削效率高，形狀保持性好，耐用度高，易于修整，砂輪使用壽命長，因而成為高效、高精度磨削的首選磨具。

cBN磨具應用領域不斷擴大，已推廣到軸承、汽車、機床、壓縮機等行業中普通黑色金屬材料的加工。使用過程中大余量粗精磨一次完成，使磨削工件表面呈壓應力狀態從而提高工件20%～30%的使用壽命，綜合降低磨削成本10%以上。近年來國內進口成套cBN磨削技術呈快速增長之勢，國產cBN磨具的制造和應用技術進入高水平和快速發展的新階段。

2.2 立方氮化硼刀具

由于受cBN制造技術的限制，目前制造直接用于切削刀具大顆粒的cBN仍很困難，為此 PCBN（Polycrystalline cubic boron nitride）聚晶cBN得到了很快發展。PCBN是在高溫高壓下將微細的cBN材料通過結合相燒結在一起的多晶材料，其組織中各微小晶粒呈無序排序，硬度均勻、沒有方向性，克服了單晶cBN易解理和各向異性等不足。

PCBN刀具有3種結構形式：整體PCBN刀具、PCBN復合刀片及電鍍立方氮化硼刀具，以PCBN復合刀片應用最為廣泛。PCBN復合刀片是在強度和韌性較好的硬質合金基體上燒結或壓制一層0.5～1mm厚的PCBN而成的，解決了cBN刀片抗彎強度低和焊接困難等問題，既能勝任淬硬鋼、軸承鋼、高速鋼、工具鋼、冷硬鑄鐵的粗車和精車，又能勝任高溫合金、熱噴涂材料、硬質合金及其他難加工材料的高速切削加工，是實現以車代磨的最佳刀具之一。

［1］王光祖.立方氮化硼（cBN）特性綜述[J].超硬材料工程,2005,17（63）：41-42.

［2］馮士光.超硬材料揭秘[J].工具技術，2005，29（5）：98-99.

［3］方嘯虎.超硬材料基礎與標準[M].北京：中國建材工業出版社，1998：146.

［4］Jacobson,S.M.Nathan,N.B.Gregory,R.T.Darren,E.Richard.Hightemperature oxidation of boron nitride:II,boron nitride layers in composites[J].Journal of the American Ceramic Society,1999,82(6):1473-1482.

［5］張鐵臣，徐曉偉，郭偉力.不同顏色立方氮化硼的合成及耐熱性的研究[J].高壓物理學報，1990,4（4）：269.

［6］H.Sachdev,M.Strau β.Investigation of the chemical reactivity and stability of c-BNP[J].Diamond and Related Materials,1999(8):319-324.

［7］金志治，高積強，喬冠軍.工程陶瓷材料[M].西安：西安交通大學出版社，2001，60-62.