立方氮化硼的性能和應(yīng)用

李重陽

（鄭州銳利超硬材料有限公司，河南 鄭州 450000）

1 立方氮化硼的結(jié)構(gòu)和性能

1.1 立方氮化硼的結(jié)構(gòu)

cBN具有類似金剛石的晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)相近 (金剛石為0.3567nm,cBN為0.3615nm)，且晶體中的結(jié)合鍵基本相同，即都是沿四面體雜化軌道形成的共價(jià)鍵，在cBN的晶體結(jié)構(gòu)，若以碳原子(C)置換氮(N)和硼(B)原子，便形成金剛石的晶體結(jié)構(gòu)。

cBN最典型的幾何形狀是正四面體晶面與負(fù)四面體晶面的結(jié)合，常見的形態(tài)有：四面體、假八面體、假六面體（扁平的四面體）[1]。根據(jù)cBN的B、N表面腐蝕的顯微結(jié)構(gòu),四面體的cBN晶體可分為兩種：一種是硼四面體，即四個(gè)表面是硼表面；另一種是氮四面體，即四個(gè)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為9.7（金剛石10），維氏硬度為7500（金剛石10000），僅次于金剛石。超硬材料（立方氮化硼與立方金剛石）的共價(jià)鍵“鍵角”為 109°28′。 正是這個(gè) 109°28′共價(jià)鍵鍵角，使得立方氮化硼與立方金剛石具有最高的硬度而被稱為超硬材料。

馮士光[2]認(rèn)為超硬材料存在“三取向”10928定律，即：（1）當(dāng)體系處于平衡穩(wěn)定態(tài)時(shí)，109°28′是力學(xué)領(lǐng)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最高的取向；（2）當(dāng)體系平衡穩(wěn)定遭到破壞而處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，109°28′是 “應(yīng)力能”自發(fā)高效地釋放時(shí)阻力最小的“途徑”取向，而裂紋走向即內(nèi)在應(yīng)力能釋放取向的外在表征；（3）109°28′是空間結(jié)構(gòu)高效、低耗的最優(yōu)化取向。

1.2.2 強(qiáng)度

強(qiáng)度是cBN產(chǎn)品分級(jí)和評(píng)定其質(zhì)量的重要指標(biāo)[3]。影響單晶強(qiáng)度的因素包括應(yīng)力狀態(tài)的特點(diǎn)、亞結(jié)構(gòu)、尺寸、晶形、內(nèi)部和表面存在的裂紋及其它缺陷。在脆性狀態(tài)中，單晶強(qiáng)度與結(jié)晶塊的散射角大小成正比，而散射角是亞結(jié)構(gòu)的重要特征之一。亞結(jié)構(gòu)對(duì)cBN強(qiáng)度特性的影響研究表明，當(dāng)塊狀晶體散射角增加到一定值（1°～2.5°）時(shí)，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度有提高的趨勢(shì)。當(dāng)散射角更大時(shí)，塊狀晶體強(qiáng)度明顯地降低到接近集合體的強(qiáng)度；復(fù)雜斷層結(jié)構(gòu)的塊狀單晶體具有最高的強(qiáng)度。

1.2.3 導(dǎo)熱性

cBN有很好的導(dǎo)熱性，其導(dǎo)熱系數(shù)（79.54 w/m·k）雖趕不上金剛石（146.5 w/m·k），但大大高于高速鋼（16.7～25.1 w/m·k）和硬質(zhì)合金（20.33～80.77 w/m·k）。隨著切削速度的提高，cbn的導(dǎo)熱系數(shù)也逐漸增高，這有利于降低切削區(qū)的溫度而減少擴(kuò)散磨損。

1.2.4 熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性

cBN具有很高的熱穩(wěn)定性，可承受1200℃以上的切削溫度，并且cBN的化學(xué)惰性大，在中性、還原性氣體介質(zhì)中對(duì)酸和堿具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性。cBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃時(shí)也不會(huì)發(fā)生氧化現(xiàn)象[4]。真空中，溫度至1550℃才發(fā)生從cBN至hBN的相變。cBN對(duì)于鐵、鋼和氧化環(huán)境具有化學(xué)惰性，在氧化時(shí)形成一薄層氧化硼，此氧化物為涂層提供了化學(xué)穩(wěn)定性，因此它在加工硬的鐵材、灰鑄鐵時(shí)耐熱性也極為優(yōu)良。

立方氮化硼的耐熱性主要是由它的成份及結(jié)構(gòu)決定的。立方氮化硼雖然與金剛石具有相似的結(jié)構(gòu)，但金剛石表面的碳原子鍵未飽和，在高溫（720℃以上）條件下，這些未飽和的表面碳原子易與氧原子結(jié)合生成碳的氧化物而逸出晶體，使晶體逐漸剝離而解體。而立方氮化硼晶體表面為氮、硼原子所覆蓋，硼原子的電子層結(jié)構(gòu)為1s22s22p1，可提供三個(gè)成鍵電子，使晶體表面的硼原子的價(jià)鍵處于飽和狀態(tài)沒有空懸鍵，因而在金剛石氧化溫度下仍處于相對(duì)熱穩(wěn)定狀態(tài)[5]。

正是由于氮化硼的這些特異的性質(zhì)，人們?cè)谏L(zhǎng)氮化硼晶體材料方面做了很多工作，進(jìn)行了不懈的努力，尤其是立方氮化硼的制備。1957年，Wentorf首次利用高溫高壓方法，以六方氮化硼為原料，通過相變得到立方氮化硼。從此有關(guān)立方氮化硼的合成研究形成了材料研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)[6]。

2 立方氮化硼的應(yīng)用

cBN由于其優(yōu)異的性能在材料加工領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。目前cBN主要用作磨具和刀具。

2.1 立方氮化硼磨具

cBN磨具是用不同類型的結(jié)合劑將cBN磨料粘接在一起并制成一定形狀的一種工具，具有極高的使用壽命，被稱作“半永久性磨具”?？煞譃榻饘俳Y(jié)合劑磨具、樹脂結(jié)合劑磨具、電鍍結(jié)合劑磨具、陶瓷結(jié)合劑磨具四類。這四種磨具中，以陶瓷結(jié)合劑模具發(fā)展最快。在世界范圍內(nèi)，陶瓷結(jié)合劑cBN磨具的比例已由80年代的4%上升到目前50%以上，呈迅速增長(zhǎng)之勢(shì)[7]。這是由于陶瓷cBN磨具磨削效率高，形狀保持性好，耐用度高，易于修整，砂輪使用壽命長(zhǎng)，因而成為高效、高精度磨削的首選磨具。

cBN磨具應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，已推廣到軸承、汽車、機(jī)床、壓縮機(jī)等行業(yè)中普通黑色金屬材料的加工。使用過程中大余量粗精磨一次完成，使磨削工件表面呈壓應(yīng)力狀態(tài)從而提高工件20%～30%的使用壽命，綜合降低磨削成本10%以上。近年來國內(nèi)進(jìn)口成套cBN磨削技術(shù)呈快速增長(zhǎng)之勢(shì)，國產(chǎn)cBN磨具的制造和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)入高水平和快速發(fā)展的新階段。

2.2 立方氮化硼刀具

由于受cBN制造技術(shù)的限制，目前制造直接用于切削刀具大顆粒的cBN仍很困難，為此 PCBN（Polycrystalline cubic boron nitride）聚晶cBN得到了很快發(fā)展。PCBN是在高溫高壓下將微細(xì)的cBN材料通過結(jié)合相燒結(jié)在一起的多晶材料，其組織中各微小晶粒呈無序排序，硬度均勻、沒有方向性，克服了單晶cBN易解理和各向異性等不足。

PCBN刀具有3種結(jié)構(gòu)形式：整體PCBN刀具、PCBN復(fù)合刀片及電鍍立方氮化硼刀具，以PCBN復(fù)合刀片應(yīng)用最為廣泛。PCBN復(fù)合刀片是在強(qiáng)度和韌性較好的硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)或壓制一層0.5～1mm厚的PCBN而成的，解決了cBN刀片抗彎強(qiáng)度低和焊接困難等問題，既能勝任淬硬鋼、軸承鋼、高速鋼、工具鋼、冷硬鑄鐵的粗車和精車，又能勝任高溫合金、熱噴涂材料、硬質(zhì)合金及其他難加工材料的高速切削加工，是實(shí)現(xiàn)以車代磨的最佳刀具之一。

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

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

［3］方嘯虎.超硬材料基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：中國建材工業(yè)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］張鐵臣，徐曉偉，郭偉力.不同顏色立方氮化硼的合成及耐熱性的研究[J].高壓物理學(xué)報(bào)，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，高積強(qiáng)，喬冠軍.工程陶瓷材料[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2001，60-62.