立方氮化硼

目前国内CBN材料生产厂家很多，产量也不少，但高质 量的不多，CBN刀(磨)具的稳定用户更少。究其原因主要是 机械加工部门对价格昂贵的CBN刀(磨)具缺乏选择与使用的 知识，采购来的CBN工具实效不多，在其经济紧缩的条件下， 不敢轻易投资进行工艺试验。
立方氮化硼的制备
ｃＢＮ是２０世纪５０年代最先由美国通用电气（Ｇ Ｅ）公司人工合成得到，７０年代初制成聚晶ＰｃＢＮ 刀具．我国２０世纪７０年代首次合成出ｃＢＮ后，经 历了２０多年的徘徊发展，到２０世纪９０年代，ｃＢ Ｎ的生产及应用进入快速发展时期，特别是近几年发展 更为迅速．我国生产的ｃＢＮ单晶除满足快速发展的国 内市场外，还大量出口国外．聚晶立方氮化硼是由cＢ Ｎ单晶添加黏结剂或不加任何黏结剂，经高温高压烧结 制得的．基于聚晶立方氮化硼材料和刀具在现代制造业 中的重要作用，于２０１０年设立的“高档数控机床与 基础制造装备”国家科技重大专项中明确提出ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ要研究 超硬材料刀具系列产品结构设计和制造技术；进行高精 度成形刀具研发；建立切削试验装置，针对用户材料及 加工工艺需求，开展切削试验，建立切削数据库等，最 终研制开发出适用于加工航空航天钛合金、高温合金材 料的高效切削用超硬材料刀具系列产品
立方氮化硼
济南大学 化学化工学院 合化1001班
于振宁
主要内容
• 氮化硼和立方氮化硼 • 立方氮化硼介绍 • 立方氮化硼制备 • 立方氮化硼(cBN)主要性能 • 聚晶立方氮化硼(pcBN)的合成 • 聚晶立方氮化硼(pcBN)的特殊性能 • 氮化硼材料的应用 • 氮化硼材料的发展方向
氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体。化学 组成为43.6%的硼和56.4%的氮，具有四种不同 的变体：六方氮化硼（HBN)、菱方氮化硼 （RBN）、立方氮化硼(CBN)和纤锌矿氮化硼 (WBN)。
立方氮化硼有单晶体和多晶烧结体两种。单晶体是把六方 氮化硼和触媒在压力为3000～8000兆帕、温度为800～ 1900℃ 范围内制得。典型的触媒材料选自碱金属、碱土 金属、锡、铅、锑和它们的氮化物。立方氮化硼的晶形有 四面体的截锥、八面体、歪晶和双晶等。工业生产的立方 氮化硼有黑色、琥珀色和表面镀金属的,颗粒尺寸通常在1 毫米以下。它具有优于金刚石的热稳定性和对铁族金属的 化学惰性，用以制造的磨具，适于加工既硬又韧的材料， 如高速钢、工具钢、模具钢、轴承钢、镍和钴基合金、冷 硬铸铁等。用立方氮化硼磨具磨削钢材时，大多可获得高 的磨削比和加工表面质量。
腔体进行 粗粒度ｃＢＮ合成，３０～６０粒度完整晶形单晶所占比例 接近７０％
ｃＢＮ 的主要性能
具有高的硬度和热稳定性，显微硬度仅次于金刚石；其热 稳定性优于人造金刚石，在高温下仍能保持足够高的力学性 能和硬度，具有很好的红硬性；结构稳定，具有高的抗氧化 能力，化学稳定性好，与金刚石相比尤其好，在高达１１０ ０~１３００℃的温度下也不与铁族元素起化学反应，因此特 别适合于加工黑色金属材料；导热系数比金刚石小，但比硬 质合金高，具有良好的导热性；抗弯强度高；作为磨具材料， 使用寿命长、耐磨性好．但是，单晶立方氮化硼晶粒尺小， 各向异性，存在容易劈裂的解理面，脆性大，极容易发生解 理破损
立方结构的氮化硼,分子式为BN,其晶体结 构类似金刚石,硬度略低于金刚石，常用作磨 料和刀具材料。1957年,美国的R.H.温托夫 首先研制成立方氮化硼。但至今尚未发现天 然的立方氮化硼。
立方氮化硼是由六方氮化硼和触媒在高温高压下合成的， 是继人造金刚石问世后出现的又一种新型高新技术产品。 它具有很高的硬度、热稳定性和化学惰性，以及良好的透 红外形和较宽的禁带宽度等优异性能，它的硬度仅次于人 造金钢石，但热稳定性远高于金钢石，对铁系金属元素有 较大的化学稳定性。立方氮化硼磨具的磨削性能十分优异， 不仅能胜任难磨材料的加工，提高生产率，还能有效地提 高工件的磨削质量。立方氮化硼的使用是对金属加工的一 大贡献，导致磨削发生革命性变化，是磨削技术的第二次 飞跃。
立方氮化硼的制作可由在高温、高压下处理六方氮化硼而成，就 如人造钻石从石墨制成相似。从六方氮化硼直接转为立方氮化硼 的过程需要在18百万帕的压力和介乎1730与3230 ℃的温度下 发生；额外加入小量的氧化硼可以把所需的压力降到4至7百万 帕和温度降到1500 °C。在工业里，人们会使用催化法转化氮化 硼，而不同的催化剂物质会用在不同的生产方法上，例如锂、铂 或镁、他们的氮化物，他们的氟氮化物、水再加上氨化合物或肼。 其他工业合成法会使用温差下结起的晶体或者爆炸产生的冲击波。 冲击波的应用是用来制作出一种称为异钻石的超硬的硼、碳和氮 的化合物。 低压下立方氮化硼薄膜的沉积是可行的技术。在化学气相沉积中， 可使用三氟化硼来选择性蚀刻沉积的六方氮化硼（类似在沉积钻 石薄膜时，使用氢原子来蚀刻石墨）。其他物理气相沉积方法， 如离子束沉积、等离子改善化学气相沉积、脉冲雷射沉积、反应 性喷溅法等亦有所使用
目前，ｃＢＮ单晶的合成主要是由静态高压触媒法合成，通 常以六方氮化硼（ｈＢＮ）和不同的触媒为原料，在高温 （１４００～１８００℃）和高压（４～８ＧＰａ）下合成 ｃＢＮ单晶粉，颜色多为黑色或琥珀色．国内最早合成
的ｃＢＮ采用金属镁作为触媒，后来主要采用金属氮硼化 物．用氮硼化物合成的ｃＢＮ颜色浅，多为淡黄色、琥珀色 或无色透明晶体，晶形完整、晶面光滑、单颗粒抗压强度较 高．为使合成条件降低，可采用化学反应直接成核生长ｃＢ Ｎ，可以实现在较低的温度和压力下合成ｃＢＮ。最近几年 发展起来的激光诱导等离子体法，主要用于研究亚稳相纳米 晶ｃＢＮ。为满足对粗粒度ｃＢＮ的高增长需求，有人研究 了高品级粗颗粒立方氮化硼的合成技术，通过对原材料、触
立方氮化硼多晶烧结体的主要制法有：①用立方氮化 硼微粉和少量结合剂(如钴、铝、钛和氮化钛等)，在 压力4000～8000兆帕、温度为1300～1900℃下烧 结而成；②以立方氮化硼微粉和结合剂为一层，以硬 质合金（片或粉）为一层，在上述压力、温度下把两 者烧结在一起，制得带硬质合金衬底的多晶烧结体， 这种烧结体具有高的强度，同时保持立方氮化硼的原 有理化性能，可制成直径达16毫米的圆片，切割加 工成适当形状后，作为车刀和镗刀的刀头，适于切削 淬火钢、铸铁和镍基合金等。