立方氮化硼的性能和应用

李重阳

（郑州锐利超硬材料有限公司，河南 郑州 450000）

1 立方氮化硼的结构和性能

1.1 立方氮化硼的结构

cBN具有类似金刚石的晶体结构，晶格常数相近 (金刚石为0.3567nm,cBN为0.3615nm)，且晶体中的结合键基本相同，即都是沿四面体杂化轨道形成的共价键，在cBN的晶体结构，若以碳原子(C)置换氮(N)和硼(B)原子，便形成金刚石的晶体结构。

cBN最典型的几何形状是正四面体晶面与负四面体晶面的结合，常见的形态有：四面体、假八面体、假六面体（扁平的四面体）[1]。根据cBN的B、N表面腐蚀的显微结构,四面体的cBN晶体可分为两种：一种是硼四面体，即四个表面是硼表面；另一种是氮四面体，即四个表面是氮表面。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为9.7（金刚石10），维氏硬度为7500（金刚石10000），仅次于金刚石。超硬材料（立方氮化硼与立方金刚石）的共价键“键角”为 109°28′。 正是这个 109°28′共价键键角，使得立方氮化硼与立方金刚石具有最高的硬度而被称为超硬材料。

冯士光[2]认为超硬材料存在“三取向”10928定律，即：（1）当体系处于平衡稳定态时，109°28′是力学领域结构强度最高的取向；（2）当体系平衡稳定遭到破坏而处于不稳定状态时，109°28′是 “应力能”自发高效地释放时阻力最小的“途径”取向，而裂纹走向即内在应力能释放取向的外在表征；（3）109°28′是空间结构高效、低耗的最优化取向。

1.2.2 强度

强度是cBN产品分级和评定其质量的重要指标[3]。影响单晶强度的因素包括应力状态的特点、亚结构、尺寸、晶形、内部和表面存在的裂纹及其它缺陷。在脆性状态中，单晶强度与结晶块的散射角大小成正比，而散射角是亚结构的重要特征之一。亚结构对cBN强度特性的影响研究表明，当块状晶体散射角增加到一定值（1°～2.5°）时，发现强度有提高的趋势。当散射角更大时，块状晶体强度明显地降低到接近集合体的强度；复杂断层结构的块状单晶体具有最高的强度。

1.2.3 导热性

cBN有很好的导热性，其导热系数（79.54 w/m·k）虽赶不上金刚石（146.5 w/m·k），但大大高于高速钢（16.7～25.1 w/m·k）和硬质合金（20.33～80.77 w/m·k）。随着切削速度的提高，cbn的导热系数也逐渐增高，这有利于降低切削区的温度而减少扩散磨损。

1.2.4 热稳定性和化学稳定性

cBN具有很高的热稳定性，可承受1200℃以上的切削温度，并且cBN的化学惰性大，在中性、还原性气体介质中对酸和碱具有很高的化学稳定性。cBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃时也不会发生氧化现象[4]。真空中，温度至1550℃才发生从cBN至hBN的相变。cBN对于铁、钢和氧化环境具有化学惰性，在氧化时形成一薄层氧化硼，此氧化物为涂层提供了化学稳定性，因此它在加工硬的铁材、灰铸铁时耐热性也极为优良。

立方氮化硼的耐热性主要是由它的成份及结构决定的。立方氮化硼虽然与金刚石具有相似的结构，但金刚石表面的碳原子键未饱和，在高温（720℃以上）条件下，这些未饱和的表面碳原子易与氧原子结合生成碳的氧化物而逸出晶体，使晶体逐渐剥离而解体。而立方氮化硼晶体表面为氮、硼原子所覆盖，硼原子的电子层结构为1s22s22p1，可提供三个成键电子，使晶体表面的硼原子的价键处于饱和状态没有空悬键，因而在金刚石氧化温度下仍处于相对热稳定状态[5]。

正是由于氮化硼的这些特异的性质，人们在生长氮化硼晶体材料方面做了很多工作，进行了不懈的努力，尤其是立方氮化硼的制备。1957年，Wentorf首次利用高温高压方法，以六方氮化硼为原料，通过相变得到立方氮化硼。从此有关立方氮化硼的合成研究形成了材料研究领域的一个热点[6]。

2 立方氮化硼的应用

cBN由于其优异的性能在材料加工领域发挥着日益重要的作用。目前cBN主要用作磨具和刀具。

2.1 立方氮化硼磨具

cBN磨具是用不同类型的结合剂将cBN磨料粘接在一起并制成一定形状的一种工具，具有极高的使用寿命，被称作“半永久性磨具”。可分为金属结合剂磨具、树脂结合剂磨具、电镀结合剂磨具、陶瓷结合剂磨具四类。这四种磨具中，以陶瓷结合剂模具发展最快。在世界范围内，陶瓷结合剂cBN磨具的比例已由80年代的4%上升到目前50%以上，呈迅速增长之势[7]。这是由于陶瓷cBN磨具磨削效率高，形状保持性好，耐用度高，易于修整，砂轮使用寿命长，因而成为高效、高精度磨削的首选磨具。

cBN磨具应用领域不断扩大，已推广到轴承、汽车、机床、压缩机等行业中普通黑色金属材料的加工。使用过程中大余量粗精磨一次完成，使磨削工件表面呈压应力状态从而提高工件20%～30%的使用寿命，综合降低磨削成本10%以上。近年来国内进口成套cBN磨削技术呈快速增长之势，国产cBN磨具的制造和应用技术进入高水平和快速发展的新阶段。

2.2 立方氮化硼刀具

由于受cBN制造技术的限制，目前制造直接用于切削刀具大颗粒的cBN仍很困难，为此 PCBN（Polycrystalline cubic boron nitride）聚晶cBN得到了很快发展。PCBN是在高温高压下将微细的cBN材料通过结合相烧结在一起的多晶材料，其组织中各微小晶粒呈无序排序，硬度均匀、没有方向性，克服了单晶cBN易解理和各向异性等不足。

PCBN刀具有3种结构形式：整体PCBN刀具、PCBN复合刀片及电镀立方氮化硼刀具，以PCBN复合刀片应用最为广泛。PCBN复合刀片是在强度和韧性较好的硬质合金基体上烧结或压制一层0.5～1mm厚的PCBN而成的，解决了cBN刀片抗弯强度低和焊接困难等问题，既能胜任淬硬钢、轴承钢、高速钢、工具钢、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削加工，是实现以车代磨的最佳刀具之一。

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

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

［3］方啸虎.超硬材料基础与标准[M].北京：中国建材工业出版社，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］张铁臣，徐晓伟，郭伟力.不同颜色立方氮化硼的合成及耐热性的研究[J].高压物理学报，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，高积强，乔冠军.工程陶瓷材料[M].西安：西安交通大学出版社，2001，60-62.