立方氮化硼的性能和应用

1、立方氮化硼的性能和应用作者：李重阳来源：科技视界2014年第15期李重阳（郑州锐利超硬材料有限公司，河南郑州450000）【摘 要】立方氮化硼（cBN）是由六方氮化硼（hBN）在高温高压下合成的，因其独特的结 构和性能在磨削加工行业得到广泛应用，本文就其结构、性能和主要应用范围进行简单介绍。【关键词】立方氮化硼；热稳定性；应用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

2、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

3、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

4、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(16.725.1 w/mk)和硬质合金(20.3380.77 w/mk)。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1200C以上的切削温度，并且cBN的化学惰

5、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1000C 时也不会发生氧化现象4。真空中，温度至1550C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(720C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

6、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

7、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 2

8、0%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、PCB

9、N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0.51mm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。【参考文献】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.冯士光.超硬材料揭秘卫.工具技术，2005，29 (5)： 98-99.方啸虎.超硬材料基础与标准M.北京：中国建材

10、工业出版社，1998： 146.Jacobson, S. M. Nathan, N. B. Gregory, R. T. Darren, E. Richard. High- temperature oxidation of boron nitride: II, boron nitride layers in compositesJ. Journal of the American Ceramic Society, 1999,82(6):1473-1482.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.H. Sachdev, M. Strau B. Investig