一、氮化硼超硬材料簡介

立方氮化硼（英文縮寫CBN）是由六方氮化硼和觸媒在高溫高壓下合成的超硬材料。這種超硬材料在已工業化應用的超硬材料中，硬度僅次于金剛石。立方氮化硼熱穩定性遠高于金鋼石，對鐵系金屬元素有較大的化學穩定性，因此立方氮化硼磨具在鐵基金屬制品切削、磨削加工領域應用廣泛，性能十分優異。立方氮化硼有單晶體和多晶燒結體兩種。單晶體是把六方氮化硼和觸媒在壓力為3000～8000兆帕、溫度為800～1900℃ 范圍內制得。典型的觸媒材料選自堿金屬、堿土金屬、錫、鉛、銻和它們的氮化物。立方氮化硼的晶形有四面體的截錐、八面體、歪晶和雙晶等。工業生產的立方氮化硼有黑色、琥珀色和表面鍍金屬的,顆粒尺寸通常在1毫米以下。

二、氮化硼聚晶在金屬切削領域的應用

立方氮化硼聚晶（PCBN）刀具是由許多細晶粒（0.1~100微米）CBN聚結而成的一類超硬材料產品。它除了具有高硬度、高耐磨性外，還具有高韌性、化學惰性、紅硬性等特點，并可用金剛石砂輪開刃修磨。在切削加工的各個方面都表現出優異的切削性能，能夠在高溫下實現穩定切削，特別適合加工各種淬火鋼、工具鋼、冷硬鑄鐵等高硬度難加工材料。刀具切削鋒利、保形性好、耐磨性能高、單位磨損量小、修正次數少、利于自動加工，適用于從粗加工到精加工的所有切削加工。

PCBN具有CBN的大部分性能，又克服了CBN單晶晶面方向性解理的缺點,具有較多的性能優勢：

1、高硬度。PCBN刀具的硬度僅次于金剛石，大大高于硬質合金和陶瓷刀具，因此可以加工硬度為ＨＲＣ６０以上的淬硬鋼、鑄鐵和硬質合金．

2、高耐磨性。PCBN刀具的耐磨性遠遠高于硬質合金和陶瓷，其使用壽命通常是陶瓷刀具的３～５倍，硬質合金刀具的５～１５倍．

3、高化學惰性。PCBN與鐵族元素及其合金材料在１２００～１３００℃時不易發生化學反應，克服了聚晶金剛石刀具與鐵的化學親和性；具有較高的抗氧化能力，對各種材料的粘結、擴散作用比硬質合金小得多。

4、高熱穩定性。PCBN的耐熱性可以達到１４００℃，比金剛石刀具（７００～８００℃）高得多．經使用證明１１００℃以上的切削溫度仍能維持高鋒利的切削性能，適合于干式切削。

5、高導熱性。在各類刀具材料中，PCBN的導熱系數是７９．５４Ｗ／（ｍ·ｋ），僅次于金剛石，遠遠好于硬質合金，且隨著溫度的升高，PCBN的導熱性能還會有所提高。

6、低摩擦系數。與其他刀具材料相比，PCBN摩擦系數低。PCBN與不同材料間的摩擦系數大致為0.1～0.3，而硬質合金為0.4～0.6，而且隨著切削速度的提高，摩擦系數呈減小趨勢，從而使切削力減小，并減少刀屑粘刀現象。

三、立方氮化硼在磨削領域的應用

立方氮化硼磨具具有十分優異的磨削性能，不僅能完成難磨材料的加工、提高生產率，有效提高工件磨削質量，還能嚴格控制工件的形狀和尺寸，提高磨后工件的表面完整性，因而提高零件的疲勞強度，延長使用壽命。立方氮化硼微粉適用于樹脂、金屬、陶瓷等結合劑體系，亦可用于生產聚晶復合片，還可用做松散磨粒、研磨膏等。立方氮化硼作為磨具材料，使用壽命長、耐磨性好。但是，單晶立方氮化硼也存在晶粒尺小，各向異性，存在容易劈裂的解理面等不足之處。

由于立方氮化硼具有諸多的性能優勢，同時它的的生產過程相比其它超硬材料而言，能源消耗少和環境污染小。因此，立方氮化硼的使用是對金屬磨削加工的一大貢獻，導致磨削發生革命性變化，是磨削技術的第二次飛躍。

四、納米孿晶結構立方氮化硼研究成果簡介

對于立方氮化硼類的陶瓷材料來講，如何獲得極為細小的顯微組織一直是個技術上的挑戰。大量的高能晶界將產生非常大的生長驅動力。與大角度晶界相比，共格孿晶界的過剩能要低一個量級以上。從能量上看納米孿晶結構比納米晶結構要更加穩定，更容易獲得超細結構。亞微米尺度以上的孿晶強化和硬化效果并不明顯，但是納米尺度的孿晶界與大角度晶界的硬化效果卻是等同的。超細納米孿晶結構的塑性變形由孿晶處位錯形核和運動所控制，這一點與納米晶的塑性變形有本質上的差異。這導致超細納米孿晶結構不僅能夠實現材料的硬化，而且也能實現材料的韌化。以燕山大學田永君教授為首的中外科學家在自然科學基金的持續資助下，以具有類似洋蔥晶體結構的氮化硼納米顆粒為初始原料，采用高溫高壓技術成功地合成出納米孿晶結構立方氮化硼新材料。納米孿晶結構立方氮化硼新材料是一種透明的新型材料，其維氏硬度達到108 GPa，而合成鉆石的維氏硬度為100 GPa。的這一新材料具有多種優良特性，其硬度超過金剛石單晶、韌性優于商用硬質合金、抗氧化溫度高于立方氮化硼單晶本身，有望成為鋼鐵材料加工行業中新一代刀具材料。

小結：作為一種先進的陶瓷材料，氮化硼以其優越的力學性能，受到材料研究領域的廣泛青睞。氮化硼材料目前主要是作為機械加工領域，未來的發展趨勢是進一步開發其功能材料的作用。當前其研究發展方向主要有：氮化硼單晶的納米化；大顆粒大直徑單晶的制備；立方氮化硼薄膜的制備與應用等。

（粉體圈 作者：敬之）