中国立方氮化硼产业发展概况与展望

王光祖， 张相法， 位 星

(1.郑州磨料磨具磨削研究所， 河南 郑州 450001； 2.郑州中南杰特超硬材料有限公司， 河南 郑州 450001)

1957年美国GE公司Wentorf采用超高压技术合成立方氮化硼(CBN)[1]，20世纪60年代到70年代初，苏联、德国、日本和英国也相继成功合成CBN。郑州磨料磨具磨削研究所于1966年在国内率先合成中国第一颗CBN，从而拉开了我国CBN研究与工业化生产的序幕。

CBN除硬度仅次于金刚石外，重要的是它具有与金刚石不同的电、光、声、热与化学特性，这些特性为其开发新的应用领域奠定了技术基础。而与磨料级CBN不同，纳米CBN、纤锌矿氮化硼(WBN)和CBN膜除具有共同的特性外，它们均具有不同的特性，为这些氮化硼新型材料开辟更新、更广的应用领域提供了可能。CBN材料制备及其应用技术的研究工作是大有可为的。

到目前为止，静态触媒法高温高压合成是工业生产CBN的主要方法，也是我国CBN产业发展的基础，从20世纪90年代末开始CBN单晶得到快速发展，经过20多年发展，从合成技术、产品品种、生产能力、产量及市场占有率等方面综合评价，我国已成为CBN生产大国，也是CBN生产强国。

1 CBN的诞生与发展脉络

根据郑州磨料磨具磨削研究所(行业内多简称为：郑州三磨所)1978年3月的内部资料，1978年第1期《人造金刚石》第4页记载，中国第一颗CBN是1966年11月10日由郑州磨料磨具磨削研究所第六研究室，依靠自身的技术力量试验成功的。

1963年，我国第一颗人造金刚石研制初试成功以后，进入了中试，为了赶超世界先进水平，填补我国的空白，在人造金刚石中试的同时，也开始了CBN的试制工作。郑州磨料磨具磨削研究所王光祖与卢飞雄一起以硼酸为初始原料，用硅碳棒管式炉通N2开展了试制六方氮化硼的工作，成功获得了纯度很高的白色六方氮化硼，预示着CBN的研发工作已经启动。

1966年的整个试验工作是在300 t两面顶压机上进行的。经过多次试验，第一颗CBN合成获得成功。为了扩大合成新型材料的成果，根据国家科委人工晶体七年科研规划及磨料磨具行业有关规划中研制CBN的安排，在1966年4月至1968年6月间，对CBN生成条件及其性能提升的工艺进行了更深入的研究。

我国自1966年CBN试制成功以后的20多年中，虽然取得了一定的成绩，但总体来讲其发展情况是很不理想的，产品品种少、品级不高、合成技术进展缓慢。这段时间，国内生产CBN的单位有：第六砂轮厂、哈尔滨砂轮厂、天津宏坁232厂、辽宁金刚石厂、北京燕郊金刚石工业公司、郑州磨料磨具磨削研究所等。

而今天，以国内CBN行业龙头企业的3家代表公司的基本产品系列为例(见表1)，基本产品品种已多于国外公司的同类产品种类，如果加上派生或定制产品，则更多。取得这样的成绩是经过了一个艰苦创业过程的。

表1 几个生产厂家CBN基本产品系列

在我国，CBN试制发展初期不顺利(进展缓慢)的原因很多，主要是由于当时技术稳定性的限制，加上当时我国基础工业薄弱，机械工业落后，CBN的工业需求不如金刚石那么迫切，到1970年也仅在部分刀具的加工中得到了应用。用于合成CBN的触媒材料仅有单一的金属镁，合成技术和生产的发展总体上非常缓慢，只能生产一种灰黑色、晶型差、形如煤渣的I型产品；合成腔体小，最大腔体直径只有14 mm，产量低、合成稳定性差。从1970年到1980年，这10年间全国CBN总产量仅有60余万克拉，产量与应用水平与国外差距明显。

从20世纪80年代中期到90年代中期，CBN产业发展则进入了活跃期。

进入20世纪80年代，汽车、航天航空、机械电子和微电子工业的发展，为我国CBN的发展注入了新的活力。对外技术交流开始活跃，与日本、美国、苏联等国的技术交流比较频繁。

1983年，日本国立无机材质研究所的福长修来到郑州磨料磨具磨削研究所访问，进行了CBN合成技术的讲座及交流，对新型化合物的触媒、如何合成好的CBN晶体等内容做了专题讲解。

1987年，同为日本国立无机材质研究所的远腾忠来到郑州磨料磨具磨削研究所做了CBN技术报告，指出合成高品级的CBN必须用高纯度的复合触媒，如Mg3B2N4、Ca3B2N4、Sr3B2N4、Ba3B2N4等，并指导在铰链式式六面顶压机上进行了合成试验，对我国的研究启发很大。

郑州磨料磨具磨削研究所、吉林大学和中科院长春应用化学研究所等几个国内超硬材料骨干研究单位开始重视和加大对CBN合成技术研究的投入。通过对原材料、触媒及合成技术等的开发研究，新的触媒技术研究陆续取得新进展，产生了一系列科研成果，合成出各种色泽的高品级CBN，并逐渐由实验室试验研究转向小批量中试。

2 优秀的CBN创新研究团队

2.1 优秀团队

在CBN产业的发展过程中，锻造出了一批强有力的团队，他们分别是：

(1) 郑州磨料磨具磨削研究所王光祖教授领导的研究团队。王光祖教授指导研究生张相法开展了六方氮化硼性能对CBN合成影响的系统性研究，研制出了新型氮硼化物触媒，合成了琥珀色、黑色等CBN品种。1991年和1993年王光祖、张相法等在第六届和第七届全国高压学术研讨会上发布了多项成果[2-4]，包括：“六方氮化硼结晶度对CBN合成的影响”“Mg/BN系中B2O3对CBN晶体生长的影响”“国内外几种典型六方氮化硼的性能特点”“高压高温下水白色CBN晶体的合成”“高压高温下hBN的再结晶”等。还有徐国泰高级工程师、刘祥慧工程师的生产及科研团队，开展了镁基多元合金触媒的研究，1989年12月“优质CBN合成系统工艺”项目通过机械部科技成果鉴定，黑色II型CBN投入生产。

(2) 吉林大学张铁臣教授、马文骏讲师等的研究团队。相关研究成果[5-9]分别在1991年和1993年第六届和第七届全国高压学术研讨会上集中发布，包括：“不同颜色CBN的合成及耐热性的研究”“大颗粒CBN单晶的合成”“六角氮化硼的氧化特性对CBN合成的影响”“立方氮化硼合成中的金属膜”“Me/B/N(Me=Mg，Ca)体系中CBN的生长机制”“MgO对使用Mg系触媒合成CBN的影响”“Mg/B/N系中毫米级单晶的合成”“高压合成CBN的颜色”“提高CBN产量的一种新的组装方式”等。

(3) 中科院长春应用化学研究所闰学伟研究员、崔硕景研究员等的研究团队。1988年发表了“高压高温下六方氮化硼/CBN转化行为的研究”“CBN的振动光谱与反射光谱的研究”“CBN高压合成腔体中压力和温度的分布、动态过程及其对产物影响的研究”和“乳白色CBN的高压合成”等成果[10-12]。

上述3个研究团队无论从理论、实践，还是理论与实践结合等方面，所做的研发工作是卓有成效的，为CBN规模化生产奠定了良好的技术基础。

2.2 领军人物

20世纪90年代初，王光祖和时任郑州二七超硬材料厂的总经理吴志英连续召集组织了郑州、重庆三峡及九江等三次全国CBN合成及应用研讨会，会上展示了琥珀色CBN样品，会议纪要称，“吉林大学、长春应用化学研究所、郑州磨料磨具磨削研究所首次合成出了琥珀色CBN单晶，结束了CBN产品单一、长期徘徊不前的状态，使CBN的研究和生产上了一个新台阶”。

1991-1993年，为了帮助读者对国外CBN及其多晶的研究内容、水平及发展动态有较全面系统的了解，应《磨料磨具与磨削》杂志主编卫凤午的邀请，王光祖撰写了《国外CBN研制技术》系列学术论文连载12期，分别是：“CBN在工业中的应用”“CBN产品及其特性”“CBN的结构和性质”“CBN及其在高压高温下的结构转化”“B/N/Mg体系中CBN的合成”“在不同触媒+hBN体系中CBN的合成”“MgB2/BN体系中CBN结晶过程及其生长机制的研究”“影响CBN晶体生长及其特性的若干因素”“CBN大单晶的培育”“影响CBN聚晶物理机械特性的若干因素”“CBN聚晶的制造”“高温高压下纤锌型氮化硼(WBN)的合成及其结构转变”等[13-22]共约6万字。

由张铁臣、邹广田编著的《CBN合成》[23]和由王光祖、李刚、张相法编著的《CBN合成与应用》[24]的出版，对促进我国CBN的科研、生产的技术进步起到了明显的推动作用。

1999年中南钻石求贤若渴，与当时在行业崭露头角的张奎、张相法和梁浩等走到一起，创立了专业研究生产CBN的企业——郑州中南杰特超硬材料有限公司(简称：中南杰特)，当时这16名平均年龄不足30岁的年轻人，满怀着干一番事业的决心，在一个不足5亩的小院内，开始了艰辛的创业历程。

2004年至2010年，中南钻石和中南杰特几乎同步进入快速度发展期，产量连年翻番，市场占有率逐年扩大。2005年，中南杰特的CBN产品实现销售收入超过1 000万元，2009年中南杰特新厂建成投产，达到2亿克拉CBN生产能力。2010年CBN大单晶研究团队入选郑州市科技创新团队，卢灿华、张奎和张相法3人当选为郑州市创新骨干。到2011年实现跨越式发展，年销售收入超过1亿元。经过10余年的发展，中南钻石已成为中国乃至世界金刚石行业的龙头企业，中南杰特也在国内CBN行业傲立潮头。

创新能力是决定企业竞争能力持续提升的核心要素，创新还是企业兴旺发达的生命源泉和不竭动力。由张奎、张相法带领富有朝气的年轻科技创新队伍，突破超硬材料制造关键技术难关、提高竞争力，瞄准国内外市场，开发CBN新产品，不断完善CBN产品的品种体系。目前，中南杰特已成为全面掌握CBN核心技术的企业，依托中南杰特建立了省部级超硬材料研发中心。中南杰特大批量供应市场的CBN品种有：黑色CBN110、黑色CBN115、亮黑色CBNM-B、琥珀色M-A系列CBN微粉。其部分CBN产品见图1。

(a) 黑色脆性 (b) 黑色中等强度 (c) 黑色高强

(d) 琥珀色 (e) 金色高强 (f) 棕 色图1 中南杰特公司的部分CBN产品照片Fig. 1 The photos of some CBN products of Zhengzhou Zhongnan Jete Superabrasives Co.，Ltd.

这里对在CBN行业中表现比较突出的张奎、张相法和马文骏略作介绍。

张奎，中南杰特原总经理，教授级高级工程师，承担的科研项目“UDS-I高压装备以及工艺”荣获河南省科技进步二等奖；“粉体触媒法高品级人造金刚石工艺的研究”项目荣获河南省科技进步三等奖；“立方氮化硼系列优质超硬材料制备和应用技木”项目荣获河南省科技进步二等奖。他不但从生产实践中，而且从理论上为推动我国超硬材料行业的发展做出了显著的贡献，曾荣获郑州市五一劳动奖章、河南省青年科技奖。

张相法，中南杰特总工程师，教授级高级工程师，中国兵器集团科技带头人，中国超硬材料协会专家委员会委员，中国材料研究学会超硬材料制品专业委员会委员。从事超硬材料行业三十多年，参与多项重点科研项目研究，并获得多项奖励，设计开发了中南杰特主导CBN产品十多个品种，棕色高韧性CBN晶体研制成功使我国CBN行业技术提升到了一个新的水平，其成套技术经专家鉴定达到国际先进水平。1995年与本文第一作者合作出版专著《CBN及其应用》，先后在核心期刊和全国性学术会议上发表论文40余篇，取得国家发明专利和实用新型专利授权80多件。

马文骏，原吉林大学CBN项目主要参与人员，多年来一直从事CBN触媒及CBN单晶的工业合成研发，曾为多家CBN生产企业提供触媒及技术支撑。

3 CBN产业集群的发展情况

1991年9月出版的《磨料磨具与磨削》杂志报道，郑州磨料磨具磨削研究所对CBN进行了多年的研究，解决了一系列技术难题，取得了突破性进展，研制的CBN质量达到20世纪80年代国际水平。

20世纪90年代末，大合成腔体降低了生产成本，加上六方氮化硼原料价格降低，CBN价格下降。张相法、张奎等研发了直径25 mm腔体高韧性CBN的合成技术，并在河南黄河集团公司投入生产，单产达到12克拉以上，产品以较好的性价比出口到日本等国际市场。

进入21世纪，六面顶压机的大型化及其控制技术的自动化程度显著提高，两大基础材料六方氮化硼和触媒的深入研究取得了新突破，合成工艺逐渐完善，CBN生产集群发展等，加上汽车工业、航天航空工业的高速发展对CBN及其磨具、刀具的市场需求驱动，为进入21世纪CBN的大发展起到了鸣锣开道、推波助澜的作用。

河南富耐克超硬材料股份有限公司的前身是始建于1988年的河南武陟县超硬材料厂，由郑州磨料磨具磨削研究所技术转让后开始生产CBN，1995年迁往郑州高新区，是我国新一轮CBN发展大潮中涌现较早的CBN专业生产企业。该公司凭借其出色的经营能力、较高的产品性价比开始打入国际市场，21世纪初的几年其产品曾经一度供不应求，寻找代加工以扩充产能，现在年产量已超过1亿克拉。该企业核心研究成员吴建中任公司CBN磨料总工程师，为富耐克的CBN发展做出了重要贡献。该公司在许多方面取得了成果，包括：① 致力于CBN产品研发，为我国CBN产品成为世界强国贡献了力量。呈现了产量大、品种多的局面，国外有的品种我国有，国外没有的我国也有。②跟踪掌握国外CBN产品的发展趋势，研发新产品。③建立了国内CBN产品品种分类及CBN产品应用指导规范。④开展技术服务型销售，为应用企业提供应用技术指导。⑤主持制定CBN产品国家标准。⑥在全行业范围内对CBN磨具各企业进行了如何正确使用CBN磨料的培训。富耐克部分CBN产品见图2。

此外，河南飞孟、郑州沈发、开封贝斯科、信阳德隆等公司也以各自不同的方式取得了新的进展，在河南形成了集群式发展。

(a) CBN810 (b) CBN850 (c) CBN980

(d) CBN950 (e) CBN901 (f) CBN990图2 富耐克公司的部分CBN产品照片(富耐克公司提供) Fig. 2 The photos of some CBN products of Funik superhard materials Co.，Ltd.

从生产规模看，CBN单晶年产量国内稳定在6亿克拉以上；CBN微粉产量随着精密、超精密加工及聚晶立方氮化硼(PCBN)的发展稳步提高，年产1亿克拉以上；CBN镀覆产品作为派生品种，在CBN表面镀镍、或镀钛，发展也很快，年产量近1亿克拉。

在此要着重强调的是，超硬材料业中国黄埔军校——郑州磨料磨具磨削研究所(见图3)，不仅开创了中国CBN研发的新纪元，而且在我国CBN产业化的建立与发展中起到了孵化器和播种机的作用，功不可没，将永载超硬材料发展史册。

(a) 大 门 (b) 门 牌图3 位于郑州市华山路121号的郑州磨料磨具磨削研究所门牌(编辑张旺玺手机拍摄于2020年6月18日)Fig. 3 The door number plate of Zhengzhou Research Institute for Abrasives and Grinding, located at No. 121, Huashan Road, Zhengzhou, Henan, China

4 展望与建议

4.1 发展前景良好

《全球行业分析》发表的全球战略业务报告指出，CBN已成为大部分磨削加工的首选磨料，因为它有助于获得精确的几何形状和尺寸、更好的表面光洁度和表面完整性，缩短加工时间。为了充分利用CBN的磨削优势，获得更好零件表面光洁度、表面完整性和更长的使用寿命，越来越多的汽车制造商已选用CBN砂轮来替代传统磨料砂轮。

随着CBN大单晶的研究开发，CBN单晶形状不规则、尺寸小等问题严重限制CBN晶体基础性质研究和应用的状况得以改变。一方面，大尺寸优质CBN单晶可制备性能优异的单晶刀具。另一方面，在功能材料研究方面，大尺寸CBN单晶是研究其热、电、光等基本性质所必需的材料，也是制备热沉、高温半导体器件和特殊光器件所必需的材料。

大颗粒CBN单晶的进展同近几年开展得如火如荼的金刚石研究及生产不同，CBN大单晶的研究表现则是波澜不兴。

张铁臣认为，CBN大单晶在光电器件方面的研究有着重要的意义。郭增印等指出，制备大尺寸、高质量的CBN单晶存在的问题，比如通过原料提纯和触媒的选择及纯度的控制、反应腔体温度的精确控制、缩短反应时间等将有望得以解决。

郑州中南杰特超硬材料有限公司以承担郑州创新团队项目为契机开展了CBN大单晶的研究，内容包括：CBN生长原料及提纯技术研究；新型复合型触媒制备技术研究；设计大颗粒CBN晶体成核与生长的高压腔体结构，改进大颗粒CBN晶体生长的超高压高温检测与控制系统，进行了CBN成核与生长以及CBN合成工艺技术研究。已取得完整CBN晶体单粒直径达1 mm以上，提供透度较好的CBN210型单晶给吉林大学陆续进行了真空紫外光电探测器、非线性光学材料、紫外发光器件等方面的研究，取得了比较理想的结果。

4.2 加强研发 拓展品种

(1) 以往合成CBN晶体的方法是建立在相变的基础上的，也就是在高压高温下使六方氮化硼相变为CBN晶体。相关研究表明，可以完全脱离原有的转变模式，用含硼和氮的化合物或用硼单质和氮化合物经化学反应制备CBN晶体。

2012年燕山大学的田永君利用高压高温技术成功地合成出超高硬的纳米孪晶结构CBN块材。他们采用一种具有特殊结构的洋葱氮化硼为前驱物，成功地合成出透明的纳米孪晶结构CBN，孪晶的平均厚度仅为3.8 nm，其硬度达到甚至超过人工合成的金刚石单晶，而断裂韧性高于商用硬质合金，抗氧化性高于常规CBN。这些优异的综合性能表明，纳米孪晶结构CBN是一种工业界期盼已久的超级刀具材料。

(2) 我国超高压技术包括一级压腔和二级压腔技术的进步，在工业生产条件下使六方氮化硼直接向CBN转化成为可能，可以很方便地得到纳米结构及微米结构的聚晶立方氮化硼，用于聚晶立方氮化硼刀具和微晶磨料产品。

(3) CBN薄膜是CBN合成领域的重要发展，并成为新的研究热点，为CBN开辟了一个全新的应用领域。

(4) 爆炸法是使六方氮化硼在冲击波的高温作用下相变产生WBN和CBN的方法。这个方法产生的压力很高，但设备简单、成本低，所得到CBN产品粒度为亚微米和纳米量级。用爆炸法制得的CBN既有较高的硬度，又有较好的韧性，是用来制造CBN研磨膏和抛光液的理想之材。

(5) 与传统制备CBN的方法相比，水热法合成CBN则具有成本低、反应过程易于监控、污染少和反应体系均匀性好等优点，特别是对大单晶晶体生长十分有利。水热法制备CBN微晶成功，为CBN的制备开辟了一种新的技术路线。

中国的CBN行业仍然在继续前行，本着“安全、高效、高标、节能、生态”的发展理念，响应国家“十四五”规划建设制造强国、高质量发展战略的号召，充分发挥集群发展的技术优势、人才优势、品牌优势，按照绿色、智能的全新理念，构建数字化、信息化、智能化的“生态型”工厂的工作正在推进。

百舸争流千帆竞，借海扬帆奋者先。中国的CBN产业从诞生到发展壮大经历了五十五载。从创业初期的品种单一、应用市场不畅，到市场繁荣、品种超过国外知名品牌；从生产厂家小而散，到行业发展壮大形成集群龙头企业；从跟随国际产品性能，到出现领军人物和优秀团队，引领行业潮流。从跟随者到领跑者，在CBN单晶、聚晶生产中成为全球的产量大国、制造强国和研发引领者，铸就了中国CBN行业的辉煌。在发展绿色制造的新业态引领下，CBN材料已经从磨切加工等工程应用转向更广阔的声光电基础材料领域的功能性应用开发， CBN晶体的美丽散射光环还向我们预示着更加神秘的王国，等待我们去探索，祝愿中国CBN产业的明天更加辉煌。