【原创】立方氮化硼：国产盘子大，但不精

中国粉体网讯  

我们先从超硬材料说起。

顾名思义，超硬材料是硬度极高的材料，通常是指金刚石和立方氮化硼（cBN），或由这两种材料为主要成分分别制成的复合材料。即便是刚玉、SiC、硬质合金、高速钢这四类号称“工业牙齿”的硬质材料也未被称为超硬材料。

立方氮化硼，图片来源：中南杰特

01.金刚石，超硬领域的老大哥

金刚石是碳的单质，与石墨同为碳的同素异体。金刚石是典型的原子晶体，其原子以四面体结构连接，在它的晶体结构中，碳原子呈高度对称排列，属等轴晶系。金刚石中碳原子的电子层轨道结构为1S²2S²2P²，每个碳原子都通过sp³键杂化与其周围的4个碳原子形成非极性共价键，键角为109°28′，键长为1.54450Å，键能为347.5KJ/mol，碳原子的配位数为4，碳原子均处于饱和成键状态，金刚石中无自由电子，故金刚石不导电。金刚石的晶胞结构属于面心立方结构，单个晶胞8个碳原子，其晶格常数为3.56683Å。

正是因为金刚石的键长短，键能高，才使得金刚石成为了自然界中最硬的物质（莫氏硬度为10）。天然金刚石早在公元前3000年就在印度被人们所认识。在公元５世纪以前，希腊人对金刚石的硬度也有了一定的认识，金刚石在希腊语中的含义是“不可战胜的”或“不可克制的”。

在工业上，凭借超高的硬度，金刚石被誉为“最硬最锋利的工业牙齿”，航空航天、国防军工以及光伏与电子信息等领域里的各种材料高难加工难题，在它面前都迎刃而解。

02.有金刚石了，为什么还要做立方氮化硼？

氮化硼是由B和N以SP³杂化形成的晶体，与金刚石结构相似，为闪锌矿结构，属于等轴晶系，空间群为F43m。化学组成为43.6%的B和56.4%的N，具有四种不同的变体。纤锌矿结构的六方氮化硼（hBN）、菱方氮化硼（rBN）、立方氮化硼（cBN）和密集六方氮化硼（wBN），立方氮化硼结构图如下图所示，每一层都是相同的原子（B或N）紧密堆积而成，原子层以ABCABC……排列，晶格常数为a=0.3615nm±0.00001nm，与金刚石的晶格常数相近，N和B原子间距为0.157nm，密度为3.48g/cm³；在cBN晶格中，B-N的键长为0.157nm，B-N键的键角为109°5′。

cBN晶体结构图

cBN具有很高的硬度，其莫氏硬度为9.8-10，显微硬度为71540-98000MPa，尽管如此，其硬度仍然略低于金刚石。

立方氮化硼与金刚石的性能对比

但是，对金刚石而言，只有硬，并不能应对所有的应用。

一方面，由于金刚石的热稳定性较差，在大气中达到600°C时就发生氧化，在真空中达到1300℃~1400℃就会转变为石墨，而cBN的热稳定性要优于金刚石，主要是由于在空气或者O₂气氛中，cBN与O₂反应生成的B₂O₃阻止cBN的进一步氧化。此外，真空中立方cBN转化为hBN的临界温度为1773K-1873K，而在5-6GPa的强脉冲加热条件下，转变为六方结构的临界温度为3400-3500K，因此cBN一般不会转变为hBN。

另一方面，金刚石在温度达到700℃时开始溶解于铁或铁合金，而cBN化学稳定性较好，在1150℃以下不与铁系金属反应，因此，金刚石工具也仅可加工非金属材料及一系列有色合金，cBN的应用便是主要填补金刚石这些空缺，特别适合加工各种淬硬钢、冷硬钢等难加工材料。

03.立方氮化硼的应用

cBN单晶热导率可高至1300W·m^-1·K^-1，而立方氮化硼/金刚石界面室温理论热导率更是能够达到Si/金刚石界面的10倍，因此是理想的导热材料。同时立方氮化硼拥有6.4eV的超宽禁带和极高的巴利加优值（越高性能越好），天生就是造高功率芯片的料，在大功率高温电子器件极具前景。但是目前行业仍然缺乏高质量、大尺寸、低成本的单晶制造技术。目前主要还是应用在超硬领域。

几种超硬材料制品及工具的图像（ａ．刀片；ｂ．砂轮；ｃ．锯片；ｄ．钻头）

（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，陶瓷cBN磨具磨削效率高，形状保持性好，耐用度高，易于修整，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。

（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。

04.国产盘子大，但不精

目前我国立方氮化硼产业可以说是“国产盘子大，但不精”。

自1966年11月，郑州磨料磨具磨削研究所便成功生产中国第一颗立方氮化硼，此后20多年中，发展并不尽人意，产品品种少、品级不高、合成技术进展缓慢，彼时国内只有第六砂轮厂、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。此后，随着国内合成法日渐成熟，加之原料六方氮化硼价格下降，立方氮化硼整体成本随之下降，国产立方氮化硼得到极大发展。

位于河南省郑州市华山路原郑州磨料磨具磨削研究所的大门及门牌

现如今，国内立方氮化硼行业龙头企业就有三家以上，包括河南富耐克、中南杰特、河南飞孟、郑州沈发、开封贝斯科、信阳德隆等。不止如此，如今国内的能够生产的产品品种已多于国外公司，如果算上派生产品或定制产品会更多。

几个生产厂家CBN基本产品系列

目前，我国已是全球最大超硬材料生产国，其中立方氮化硼占全球70%以上，每年45%产量被出口到海外市场，磨料级立方氮化硼单晶产量占全球总产量的60%以上。

从生产规模来看，立方氮化硼单晶年产量国内稳定在6亿克拉以上；立方氮化硼微粉产量随着精密、超精密加工及聚晶立方氮化硼（PCBN）稳步提高，年产1亿克拉以上；立方氮化硼镀覆产品作为派生品种年产量近1亿克拉。

虽然市场一片繁荣，但国内产品仍然集中在中低端，无法生产高端制品所需的50目以上的高品质立方氮化硼单晶，很大一部分依赖进口，产品单价和附加值高的超硬复合材料主要由DI、元素六、日本住友、韩国日进等公司所控制。与此同时，从产品应用领域市场销售量、产品质量水平上相比，国内也存在一定差距。

此外，从细分市场来看，复合式焊接立方氮化硼刀具全球主要厂商为元素六、DI、MegaDiamond、住友、日进等企业，聚晶立方氮化硼刀具领域河南企业则在全球具备明显优势。

未来，无论是在向新领域渗透或是产品质量提升方面，我国的立方氮化硼产业仍有很长的路要走。

参开来源：

[1]张旺玺等.超硬材料合成方法、结构性能、应用及发展现状

[2]付斌.菜刀是超硬材料走过的一段弯路吗？.果壳

[3]王光祖等.中国立方氮化硼产业发展概况与展望

[4]马金明等.聚晶立方氮化硼材料国内外研究现状与进展

[5]孙坤.聚晶立方氮化硼的制备及机械性能研究

[6]李重阳.立方氮化硼的性能和应用

（中国粉体网编辑整理/山川）

注：图片非商业用途，存在侵权告知删除