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郑州磨料磨具磨削研究所  王光祖 

1、引言

以1957年美国GE公司的R.H.Wentorf采用超高压技术合成出立方氮化硼(CBN)为开端，20世纪60～70年代初，前苏联、德国、日本和英国也相继成功地合成出了CBN。郑州磨料磨具磨削研究所于1966年合成出中国第一颗CBN，从而拉开了中国CBN研究与工业化生产的序幕。

CBN除其硬度仅次于金刚石外，更为重要的是它还具有与金刚石不同的电、光、声、热与化学特性，正是这些不同的特性为其开发新的应用领域奠定了技术基础。而与磨料级CBN不同的纳米CBN与wBN和CBN膜除具有共同的基本特性外，它们都还有其自身的个性，正是其个性又为CBN开辟更新、更广阔的应用领域提供了可能。由此可见，针对CBN材料的制备技术研究及其应用技术的拓展研究工作是大有可为的。

从世界CBN市场发展来看，CBN的需求量每年以18%以上的速度增长。目前，世界CBN年产量约为5亿克拉，其中中国占了半壁河山，不仅在数量上，而且在质量上均具有很强的竞争力。令人欣慰的是我国CBN产品得到了国外主要生产厂家及知名CBN工具制造商的认可，性能已达到国际标准，形成了批量出口。

2、立方氮化硼研发过程及其重要意义

在对氮化硼的研究中发现，它的结构与石墨十分相近，作为碳的致密相存在着天然金刚石，并且用人工方法使质地柔软的碳成功地转变成了硬度最高的金刚石。是否可能像石墨转变成金刚石那样，使氮化硼也转化为致密相—闪锌矿型氮化硼即立方氮化硼或其它结构致密的氮化硼呢？1952年，Pease在研究氮化硼时曾指出，氮化硼的结构与石墨的结构相似，但稍有不同。氮化硼的一种六角相结构中，在由六角网格排列成晶体时，每隔一层产生半个六角网络的位移，实际上更有利于闪锌矿型氮化硼—立方氮化硼的形成。1953年Gardini总结了有关氮化硼的文献并试图制备立方氮化硼，但没有获得成功。

上个世纪50年代中期，由于高压科学的发展，在极端高温高压条件下合成材料的基本条件—高温高压装置已趋成熟。1955年，美国G.E公司人造金刚石研究小组的Hall用改进后的高温高压装置首次成功地合成了人造金刚石，开创了高温高压下合成新材料的新领域。人造金刚石的合成，对高压致密相氮化硼的问世起到了巨大的推动作用。

由于非致密相氮化硼与石墨结构相似的影响，开始时总是企图沿用合成金刚石用的触媒如镍、铁、钴等合成立方氮化硼，但均未获得成功。直到1957年，Wentorf采用金属镁为触媒，很容易地合成了具有立方结构的氮化硼(CBN)并命名为Borazon。1963年Bundy和Wentorf研究了六角氮化硼(hBN)到立方氮化硼的直接转化问题，指出在没有触媒参与下，在2000K时直接转化压力为115×10⁵kPa。在高温区以立方氮化硼为主，在低温区可形成氮化硼的另一致密相---纤锌矿型氮化硼(wBN)。1972年，Devries和Fleicher研究了Li-BN体系的平衡问题，上述研究奠定了氮化硼相图的实验基础。

在静态高压法合成立方氮化硼的同时，也开展了动态高压法合成纤锌矿型氮化硼和立方氮化硼的研究并转为商品生产。1974年Sawaoka等人用爆炸法使六角氮化硼转化为纤锌矿型氮化硼以来，至今用动态高压法不仅可以合成wBN，而且也可以合成CBN，在转化率方面已高达90%。

立方氮化硼薄膜的生长研究是立方氮化硼发展的重要分支。1978年，Tadamasa报道了“多晶CBN膜”之后，在上个世纪80年代很快出现了等离子、分子流、双电子束、高频放电等多种制备CBN薄膜的方法[1～3]。

立方氮化硼（Cubic Boron Nitrde，简称CBN）是一种自然界不存在原生矿，只能由人工合成的无机晶体材料。立方氮化硼晶体具有仅次于金刚石的高硬度，是一种典型的在机械加工领域已得到广泛应用的超硬材料。而且，CBN晶体还是典型的III-V族化合物，其电阻率10¹⁰Ω.cm，热导率13W/(cm.K)，可以耐受1200℃高温，并且具有最宽6.4eV的直接带隙，是十分优异的热导、光电和半导体材料[1]，在高温高功率宽带器件微电子学领域有着广泛的应用前景。立方氮化硼闪锌矿结构，宏观对称性属于F43m-Td群，还能产生二阶线性光学效应，可以用作光的高次谐波发生器、电光调制器，可见-紫外光转换器、光学整流器、光参量放大器等。立方氮化硼与金刚石一样具有很强的抗幅射能力，可制备抗幅射器件。因此，立方氮化硼材料的制备、性能研究对国民经济各领域，特别是在航天、战争等严酷环境条件下应用器件的突破有着重要的现实意义。

3、国外立方氮化硼产品现状

国外的CBN磨料开发的较早，品种齐全，质量较高，其中以美国GE公司和英国的De Beers公司最具有代表性。GE公司^[4]CBNI型、CBN400、CBN500 、CBN510、CBN550、TYPEI都是很具代表性的磨料。CBNI型在陶瓷结合剂磨具中应用广泛，其颗粒形状呈不规则块状，具有良好的修整性，砂轮寿命长；CBN400型具有高强度、光滑晶面和锋利较耐磨的切削刃，其在较长的高强度断裂面上的可微控解理，有助于磨料在很长时间内保持锋利的切削刃；CBN500型是高强度的单晶，广泛应用于重负荷磨削；CBN510型是表面镀钛的强韧性块状磨料；CBN550型是微晶磨料。

Yokogawa.M等人^[5]在研究单晶CBN磨料(CBNI)和微晶CBN磨料(CBN550)时发现，微晶CBN550的强度比单晶的高，切削刃不宜大面积破坏，微晶CBN砂轮的磨削性能比单晶的好2~3倍。TYPEI是其最新的产品，号称万能的磨料。De Beers公司的ABN200、ABN615、ABN800是其主要拳头产品。ABN615是一种专为陶瓷结合剂磨具开发的镀钛磨粒，热稳定性很高，可以做成272%的高浓度，开辟了CBN磨削铁族材料的新应用途径。Bailey M W等人认为^[6]，ABN800磨料具有高的抗压强度和热稳定性，磨削时的解理很容易，破碎后保持尖锐多角状切削刃，因而具有极佳的磨削性能，而且其强度在经受1100℃高温仍能良好保持，由于热稳定性很高，在苛刻的条件下磨削仍具有优秀的磨削性能。

4、国内CBN产品的现状

中国在1966年成功合成出CBN后的20年时间里，合成技术进展非常缓慢，究其真实原因与工业上的需求不如金刚石那么迫切有关。20世纪80年代末90年代初的改革开放，汽车、航天航空、机械电子、微电子等行业发展的加速，给CBN的研究和产业化带来了巨大动力。

20世纪90年代后期，国内开始CBN触媒的系统研发，不同特性的触媒系列可以合成出不同特性的CBN产品，掌握了其中的若干核心技术，相继开发出了适合合成浅黄、黄、桔红、棕色和黑色CBN晶体的触媒体系。同时通过对各种添加剂的研究，可以调整CBN的韧性，形成了由脆性、中等韧性到高等韧性的CBN系列产品。许多产品和国外的产品处于相似的水平上（见表1）。世界上常用的CBN品种和粒度均能批量供应，国外不能正常供应的产品我们可以批量供应。许多品种可供粒度达到30/40，如CBN120、CBN210、CBN230、CBN280等^[7]。

               表1  国内典型CBN产品及描述^[8] 

近年来我国CBN合成技术快速发展，CBN产品品种不断扩展，生产成本不断降低，推动了CBN产品的产业化进程，提高了我国产品在国际市场的知名度和占有率。现在我们使用的原材料和设备全部实现了国产化，合成技术也自成体系，产业链完成，可以说，我们不仅成为CBN生产大国，而且也是CBN的生产强国。

为什么进入新世纪后，我国CBN单晶产品有了快速发展，这主要是得益于針对不同CBN产品所成功开发出的系列触媒，得益于超高压高温压机的大型化及其控制技术的提高，得益于汽车、发动机、轴承、冰箱压缩机和空调压缩机等产量翻番的需求，再加上世界制造中心快速向中国转移，该类产品的国际市场空间也会越来越大。这会直接带动磨削工具产品的市场空间越来越大^[9]。

5、国内外CBN产品比较

综上所述，国内外CBN产品各有特色，那么国内产品的品质又如何呢？恐怕这是大家都想了解的，这里笔者引用两组数据来说明(见表2国内外CBN磨料的常温性能比较)。

                        表2  国内外CBN磨料的常温性能比较 

CBN磨料的抗高温氧化性是磨料的重要性能之一。图1是上述8种CBN磨料氧化温度差热法分析结果 ^[10]。

                 图1  8种CBN磨料氧化温度差热法分析结果 

从以上对比数据可知，国产4^#CBN磨料的抗氧化性最好，3^#CBN磨料与ABN800的抗氧化性能相当，国产CBN磨料中除5^#磨料外都能耐1000℃以上的高温。表明国产CBN磨料的常温与高温性能均达到国外CBN产品的高水平。

国内产品稳定性显著提高，得到国内外用户认可。国内外CBN产品冲击强度对比见表3。

         表3  囯内外CBN冲击强度（TI/TTI）对比

囯内及外资CBN工具生产商基本都采用囯产CBN产品，产品得到了国内外客户认可，性能已达到了国际标准，长期批量出口。国内外工具厂商长期大量应用实践证明，我国CBN产品质量稳定可靠，完全能够滿足使用需求。

6、结语

（1）CBN除其硬度仅次于金刚石外，更为重要的是它还具有与金刚石不同的电、光、声、热和化学特性，正是这些不同的特性为其开发新的应用领域奠定了技术基础。而与磨料级CBN不同的纳米CBN与wBN和CBN膜除具有共同的特性外，它们还具有其自身的个性，正是其个性又为CBN开辟更新、更广的应用提供了可能。由此可见，CBN材料制备及其应用技术的研发工作是大有可为的。

（2）CBN大单晶的培育技术、用CVD法培育功能性CBN晶体的技术及其在电、光、热方面的研究等均落后于国际同行，以及纳米CBN等前沿技术及其产品的开发与应用研究直接关系行业发展后劲。

（3）CBN经过几十年的发展，只是在作为工程材料的应用方面卓有成效，并成为当今的发展主流，但在作为功能材料方面的应用则具有潜在前景，等待人们去探索，去开发，去应用。

今后我们在讲CBN时，不仅要注意到当今CBN用作工程材料这个主流，还应加大对CBN作为功能材料及其应用技术开发，只有这样，方可使CBN材料及其应用得以全方位的发展。

参考文献

[1] 张相法，张奎，王光祖，立方氮化硼合成方法的多样性[C]海峡两岸超硬材料技术发展论坛论文集，2010，10：79~83

[2] 张鉄臣，邹广田编著，立方氮化硼[M]吉林大学出版社1993

[3] 王光祖，李刚，张相法，立方氮化硼合成与应用[M]河南科学技术出版社，1995

[4] 李志宏，陶瓷结合剂CBN磨具的研究[D]天津，天津大学，1996

[5] Yokogawa M，Yokogawa K，Grinding properties of monocrystalline and microcrystalline CBN grinding wheels，IntJ.Japan Soc.Prec.Eng.，1992，26(1)：20~26

[6] Baaailey M W，Juchem H O，Characterization of ABN800，IDR，1996，56(568)：6~9

[7] 张奎，张相法，王光祖，立方氮化石硼的今天与未来[J] 工业金刚石，2010，1/2：9~13

[8] 张相法，张奎等，超高压合成CBN新进展[C]第五届郑州国际超硬材料及制品研讨会论文集，2008，9：27~33

[9] 李志宏，赵博等，骄人的成就 光辉的未来[C]第五届郑州国际超硬材料及制品研讨会论文集，2008，9：1~16

[10] 刘暁玲，鲁涛等，国内外常用陶瓷CBN磨料的性能对比[C]第四届中国金刚石相关材料及应用学术会议论文集，2010，8：14~23