國內立方氮化硼產業發展現狀簡述

孔帥斐, 栗正新

(河南工業大學 材料學院，鄭州 450007)

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國內立方氮化硼產業發展現狀簡述

孔帥斐, 栗正新

(河南工業大學 材料學院，鄭州 450007)

從立方氮化硼磨料、刀具及相關企業三個方面分析了近年來我國立方氮化硼產業的發展狀況。我國立方氮化硼磨料研究開發和制造能力穩步提高，已成為生產強國；立方氮化硼刀具同樣取得了驕人的發展成績，但距離國際先進水平尚有差距。文章還對立方氮化硼行業未來的發展方向進行了展望。

立方氮化硼；磨料；綜述；刀具；行業發展

1 前言

立方氮化硼(Cubic Boron Nitride, cBN), 硬度僅次于金剛石[1]。1957年美國的R.H.溫托夫首次合成了立方氮化硼。很長一段時間立方氮化硼被認為在自然界不存在，直至2009年美國加州大學河濱分校、勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的科學家和來自中國、德國科研機構的同行一起，在中國青藏高原南部山區地下約306公里深處古海洋地殼的富鉻巖內找到了這種礦物，其在大約1300攝氏度高溫、118430個大氣壓的高壓條件下形成了晶體。該團隊以中國地質科學院地質研究所教授方青松的名字將新礦物命名為qingsongite。國際礦物學協會在2013年8月正式承認了這是一種新的礦物——立方氮化硼。其原子結構與金剛石中的碳原子結構類似,因此它具有高密度的特性,硬度可媲美鉆石,常被用作磨料和刀具材料。cBN作為一種超硬材料，其硬度高(維氏顯微硬度達71540～98000MPa)[2]，耐磨性好，熱穩定性高，在高溫下與鐵基金屬不易發生化學反應，不僅可以加工多數難加工材料，而且加工效率高，質量好。

2 我國cBN產業發展現狀

到目前為止，主要應用在機械加工工具，包括磨削工具、切削刀具等方面[4]。用以制備陶瓷結合劑cBN磨具、有機結合劑cBN磨具的主要磨粒是合成的cBN單晶和粉碎分選加工制備的微粉。制作刀具的是cBN聚晶，常用的制備工藝是以硬質合金為基體通過高溫高壓和粘結劑把cBN微粉燒結成為聚晶體。

2.1 我國cBN磨料的發展現狀

2.1.1 我國cBN磨料產能的發展

近5年來，cBN行業一直保持連續增長的態勢，特別是2014年cBN磨料總產量為5.70億克拉，產值4.10億元，達到了歷史新高，較之2010年有了明顯的上升[5]。2012年之前，國內cBN的開發和應用尚處于成長階段，綜合原因是cBN磨料作為一種新材料，客戶對其認知度不高，市場推廣較為緩慢，并且cBN磨料合成技術門檻高，制約了cBN磨料市場的發展。2012年后，隨著cBN磨具在汽車、航空航天、軸承、齒輪等領域的應用，其優異的加工特性及穩定性得到了機械加工行業的認可，cBN磨料的核心生產技術也取得了較大的突破，cBN磨料產業進入了一個快速發展時期。

2.1.2 cBN磨料品質的發展

我國cBN磨料在產能方面穩步增長，與此同時cBN磨料的品質也在不斷提升。從十多年前的模仿到如今的自主研發、掌握核心技術，我國cBN磨料的品質取得了跨越式的發展。

目前，我國生產cBN的多個企業開發了多種類型的產品，并且可以根據客戶需要定制產品[6]。cBN磨料從顏色上可分為黑色、棕色、琥珀色等，從晶體強度上又可分為高強、高韌以及一般脆性產品。以國內企業河南富耐克超硬材料股份有限公司、中南杰特超硬材料有限公司為例，基本品種和數量已多于國外公司。同時國產cBN磨料質量有了很大提升。以河南富耐克超硬材料股份有限公司生產的cBN880、cBN980為例[7]，cBN880為黑色塊體，其熱穩定性好，破碎強度高，兼顧了磨削效率和壽命，通常應用于汽車行業零部件的精加工；cBN980為截斷四面體形貌，具有特殊鋒利銳角，自銳性優異，適用性強，使用壽命長，被廣泛應用于航空航天材料的超精加工。

我國cBN磨料產業經過近50年的發展，取得長足進步，目前cBN單晶磨料無論從合成技術、產品品種、生產能力還是在生產量諸方面，都已成為cBN的生產大國和生產強國。

2.2 我國PcBN刀具的發展現狀

PcBN刀具材料是將cBN微粉和粘結劑按照一定比例混合后在高溫高壓下燒結而成的聚晶體。PcBN克服了單晶立方氮化硼各向異性的缺點，使cBN獲得了更為廣闊的工業應用空間。隨著我國立方氮化硼技術的不斷完善及立方氮化硼刀具產品的性價比不斷提升，滿足高速、高效和高精切削加工的PcBN刀具替代硬質合金等普通刀具的發展趨勢已不可逆轉，2014年國內PcBN刀具產量達到13億元，成為歷史新高，迎來了一個迅速發展的階段。

國內高端超硬刀具仍然依賴進口。圖1是2011～2014年國內刀具市場規模及進口和國產刀具所占份額圖[8]。從圖中可以看出，近三年受到國內經濟形勢整體發展放緩的影響，刀具市場發展緩慢，較之2011年國內刀具市場規模400億有了明顯的下降，但是根據中國機床工具工業協會超硬材料分會最新統計數據顯示，超硬刀具2014年總產值約13億元，僅占我國刀具總消費額的3.8%，但刀具進口份額所占比例卻沒有下降，反而有上升趨勢。因此，我國超硬刀具行業發展任重而道遠。

圖1 2012-2014年國內刀具市場規模及進口和國產刀具所占份額(億元)Fig.1 Market size of cutting tool in China and the portio of imported and domestic cutting tool from 2012 to 2014

2.3 cBN磨料與刀具企業發展狀況

經過了幾年的發展，國內大部分cBN磨料及刀具企業在關鍵技術方面取得了一定程度的突破，在產品性能、品牌、技術研發方面與國際大公司的差距在不斷縮小，但在PcBN的制造生產方面，其磨耗比、沖擊韌性和熱穩定性，尤其是在產品質量一致性方面，與國外知名企業相比還有較大的差距。鄭州鉆石精密制造有限公司采用進口PcBN制造的超硬刀具在汽車、航空航天等領域得到廣泛應用，有些產品達到國際先進水平。國內有的企業有完整的產品鏈，包括cBN合成、cBN微粉加工、PcBN合成和PcBN刀具產品，目前為止國內這樣的企業有河南富耐克超硬材料股份有限公司、鄭州中南杰特超硬材料有限公司、鄭州博特硬質材料有限公司等。其中河南富耐克超硬材料股份有限公司是國內最大的立方氮化硼磨料和刀具生產企業，擁有從“原材料—輔助材料—超硬磨料—超硬刀具”產品鏈，其生產的部分磨料和刀具質量達到國際先進水平。

3 cBN行業發展方向

3.1 cBN磨料高端鍍覆

cBN磨料表面鍍覆的優越性在于鍍層與cBN形成化學鍵合，在制品中與結合劑形成化學/冶金結合提高結合劑對cBN的把持力，使用過程中cBN的脫落率大為降低，還可以增加磨料的出韌高度，在相同壽命情況下，切削效率也能得到提高。

3.2 PcBN產品系列化

國內PcBN產品的系列化對于滿足刀具制造的個性化需求非常重要。由于國內該項工作的應用基礎研究不夠深入系統，研究院所、大專院校的應用基礎研究與生產企業的技術應用對接不盡順暢，國內PcBN產品的系列化工作成效甚微，必須加強PcBN產品的系列化基礎研究工作，加速PcBN產品系列化進程，滿足國內不同材料的加工要求[10]。

3.3 cBN功能材料

cBN單晶擁有很寬的帶隙(禁帶寬度6.4ev)，熱穩定性較高，是制備高溫半導體器件的理想材料；cBN具有優良的導熱性能，同時還具有良好的紫外特性等，是一種擁有極大發展前景的光電材料。

3.4 cBN多晶涂層

cBN除了以微納米粉體和聚晶形態存在之外，還可以通過氣相沉積法來制備薄膜[11]。cBN薄膜涂層可以適應任何復雜形狀的硬質合金刀具基體，實現工業化生產后預期成本比PcBN低得多，能夠成為具有較高性價比的高性能刀具；在高溫高頻大功率電子器件、超大規模集成電路和器件保護膜等方面也有著廣泛的應用前景。

4 結論

近年來cBN行業發展穩中有升，磨料產能、種類、品質已達世界領先水平；PcBN刀具也不斷實現技術突破，取得了快速發展，在未來幾年會不斷縮短與先進國家間的差距。在cBN行業發展過程中，以富耐克、中南杰特、鄭州鉆石為首的行業領軍企業在不斷完善企業產品鏈，提高自身創新實力，這將會促進我國cBN行業快速發展。cBN磨料應加快發展高端鍍覆產品，PcBN刀具應加速產品系列化進程，滿足國內不同材料的加工要求；結合cBN材料特殊的性能開發不同用途的功能材料將會帶來cBN領域的爆發式發展。

[1] 王光祖.立方氮化硼(CBN)特性綜述[J].超硬材料工程，2005,17(63)：41-45.

[2] 王光祖.超硬材料制造與應用技術[M].鄭州：鄭州大學出版社，2013.282-343.

[3] 李志宏，趙博，孫兆達.2014年超硬材料行業經濟運行情況簡析[J].金剛石磨料磨具工程，2015,6(35).

[4] 王秦生.超硬材料及制品[M].鄭州：鄭州大學出版社，2006,203-214.

[5] 中國機床工具工業協會超硬材料分會，中國磨料磨具工業年鑒[M].2015

[6] 張相法，張奎，位星，趙勇智.中國立方氮化硼產品及應用新進展[C].第六屆鄭州國際超硬材料及制品研討會論文集，2013.

[7] 吳建中，陳富田，國內外cBN產品特性及使用性能對比分析[C].中國超硬材料與制品50周年精選文集，2014.

[8] 沈壯行，我國工具行業2015年中期形式分析報告[C].2015年第七屆國際先進制造工藝與刀具技術研討會，2015.

[9] 林峰，蔣燕麟，蘇鈺，程煜，國外超硬材料產業發展趨勢[J].超硬材料工程，2015,2(27).

[10] 呂智，林峰，等，國內PcBN技術進展及需要解決的瓶頸問題[J].工具技術，2013,47(4).

[11] 劉鈞鍇，高質量立方氮化硼薄膜的制備和光電特性研究[D].北京工業大學，2006.

A Brief Introduction to the Development of China's cBN Industry

KONG Shuai-fei, LI Zheng-xin

(Schoolofmaterials,HenanUniversityofScienceandTechnology,Zhengzhou,Henan,China450007)

Analysis has been given to the development status of China's cBN (Cubic Boron Nitride) industry in the recent years through three aspects: cBN abrasives, cutting tools, and the related enterprise. There has been already a steady improvement in China's research and development and manufacturing capacity of cBN abrasives and China has become a big producer in the world; cBN cutting tool has also achieved impressive result, while there are still gaps compared to the international advanced level. The future development direction of cubic boron nitride industry has also been discussed in this article.

cubic boron nitride; abrasive; overview; cutting tool; development of the industry

2016-06-29

國家自然科學基金項目(50572032)

孔帥斐(1992)，男，河南工業大學材料科學與工程學院在讀研究生，主要是從事cBN的制備及鈦合金磨削研究。E-mail: 2432191848@qq.com

孔帥斐,栗正新.國內立方氮化硼產業發展現狀簡述[J].超硬材料工程，2016，28(5)：54-56.

TQ164

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1673-1433(2016)05-0054-03