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Science&TechnologyVision科教前哨科技视界科技·探索·争鸣立方氮化硼的性能和应用李重阳（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）在高温高下合成的，因其独特的构和性能在磨削加工行得到广泛用,本文就其构、性能和主要用范行介。【关键词】立方氮化硼；定性；用1立方氮化硼的结构和性能方面做了很多工作，进行了不懈的努力，尤其是立方氮化硼的制备。1.1立方氮化硼的结构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cBN具有类似金刚石的晶体结构，晶格常数相近(金刚石为究领域的一个热点[6]。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2立方氮化硼的应用换氮(N)和硼(B)原子，便形成金刚石的晶体结构。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。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，目前cBN主要用作磨具和刀具。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2.1立方氮化硼磨具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”。是氮表面。二者的特征不同。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1.2立方氮化硼的性能剂磨具四类。这四种磨具中，以陶瓷结合剂模具发展最快。在世界范围1.2.1硬度内，陶瓷结合剂cBN磨具的比例已由80年代的4％上升到目前50％立方氮化硼莫氏硬度为9.7（金刚石10），维氏硬度为7500（金刚以上，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、高精度价键“键角”为109°28′。正是这个109°28′共价键键角，使得立方氮化磨削的首选磨具。硼与立方金刚石具有最高的硬度而被称为超硬材料。cBN磨具应用领域不断扩大，已推广到轴承、汽车、机床、压缩机冯士光[2]认为超硬材料存在“三取向”10928定律，即：（1）当体系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。速发展的新阶段。1.2.2强度2.2立方氮化硼刀具强度是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、内部和表面存在的粒的cBN仍很困难，为此PCBN（Polycrystallinecubicboronnitride）聚裂纹及其它缺陷。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材料通正比，而散射角是亚结构的重要特征之一。亚结构对cBN强度特性的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，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。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PCBN刀具有3种结构形式：整体PCBN刀具、PCBN复合刀片及集合体的强度；复杂断层结构的块状单晶体具有最高的强度。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1.2.3导热性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0.5～1mmcBN有很好的导热性，其导热系数（79.54w/m·k）虽赶不上金刚厚的PCBN而成的，解决了cBN刀片抗弯强度低和焊接困难等问题，石（146.5w/m·k），但大大高于高速钢（16.7～25.1w/m·k）和硬质合金既能胜任淬硬钢、轴承钢、高速钢、工具钢、冷硬铸铁的粗车和精车，又（20.33～80.77w/m·k）。随着切削速度的提高，cbn的导热系数也逐渐能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切增高，这有利于降低切削区的温度而减少扩散磨损。削加工，是实现以车代磨的最佳刀具之一。S1.2.4热稳定性和化学稳定性cBN具有很高的热稳定性，可承受1200℃以上的切削温度，并且【参考文献】cBN的化学惰性大，在中性、还原性气体介质中对酸和碱具有很高的［1］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．化学稳定性。cBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃时也不会发生氧［2］冯士光．超硬材料揭秘[J]．工具技术，2005，29（5）：98-99．化现象[4]。真空中，温度至1550℃才发生从cBN至hBN的相变。cBN对［3］方啸虎．超硬材料基础与标准[M]．北京：中国建材工业出版社，1998：146．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［4］Jacobson,S.M.Nathan,N.B.Gregory,R.T.Darren,E.Richard.High-temperatureoxidationofboronnitride:II,boronnitridelayersincomposites[J].热性也极为优良。JournaloftheAmericanCeramicSociety,1999,82(6):1473-1482．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［5］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，压物理学报，1990,4（4）：269．在高温（720℃以上）条件下，这些未饱和的表面碳原子易与氧原子结［6］H.Sachdev,M.Strauβ.Investigationofthechemicalreactivityandstabilityof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c-BNP[J].DiamondandRelatedMaterials,1999(8):319-324．［7］金志治，高积强，乔冠军．工程陶瓷材料[M]．西安：西安交通大学出版社，硼晶体表面为氮、硼原子所覆盖，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2001，60-62．悬键，因而在金刚石氧化温度下仍处于相对热稳定状态[5]。［责任编辑：庞修平］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Science&TechnologyVision科技视界73