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(yè)化應(yīng)用的超硬材料中，硬度僅次于金剛石。立方氮化硼熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于金鋼石，對鐵系金屬元素有較大的化學(xué)穩(wěn)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(lǐng)域應(yīng)用廣泛，性能十分優(yōu)異。立方氮化硼有單晶體和多晶燒結(jié)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(nèi)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(yè)生產(chǎn)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(lǐng)域的應(yīng)用

立方氮化硼聚晶（PCBN）刀具是由許多細(xì)晶粒（0.1~100微米）CBN聚結(jié)而成的一類超硬材料產(chǎn)品。它除了具有高硬度、高耐磨性外，還具有高韌性、化學(xué)惰性、紅硬性等特點(diǎn)，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(xiàn)出優(yōu)異的切削性能，能夠在高溫下實現(xiàn)穩(wěn)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(shù)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(diǎn),具有較多的性能優(yōu)勢：

1、高硬度。PCBN刀具的硬度僅次于金剛石，大大高于硬質(zhì)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(zhì)合金．

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

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

4、高熱穩(wěn)定性。PCBN的耐熱性可以達(dá)到１４００℃，比金剛石刀具（７００～８００℃）高得多．經(jīng)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(dǎo)熱性。在各類刀具材料中，PCBN的導(dǎo)熱系數(shù)是７９．５４Ｗ／（ｍ·ｋ），僅次于金剛石，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于硬質(zhì)合金，且隨著溫度的升高，PCBN的導(dǎo)熱性能還會有所提高。

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

三、立方氮化硼在磨削領(lǐng)域的應(yīng)用

立方氮化硼磨具具有十分優(yōu)異的磨削性能，不僅能完成難磨材料的加工、提高生產(chǎn)率，有效提高工件磨削質(zhì)量，還能嚴(yán)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(qiáng)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(jié)合劑體系，亦可用于生產(chǎn)聚晶復(fù)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(yōu)勢，同時它的的生產(chǎn)過程相比其它超硬材料而言，能源消耗少和環(huán)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(xiàn)，導(dǎo)致磨削發(fā)生革命性變化，是磨削技術(shù)的第二次飛躍。

四、納米孿晶結(jié)構(gòu)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(xì)小的顯微組織一直是個技術(shù)上的挑戰(zhàn)。大量的高能晶界將產(chǎn)生非常大的生長驅(qū)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(jié)構(gòu)比納米晶結(jié)構(gòu)要更加穩(wěn)定，更容易獲得超細(xì)結(jié)構(gòu)。亞微米尺度以上的孿晶強(qiáng)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(xì)納米孿晶結(jié)構(gòu)的塑性變形由孿晶處位錯形核和運(yùn)動所控制，這一點(diǎn)與納米晶的塑性變形有本質(zhì)上的差異。這導(dǎo)致超細(xì)納米孿晶結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)材料的硬化，而且也能實現(xiàn)材料的韌化。以燕山大學(xué)田永君教授為首的中外科學(xué)家在自然科學(xué)基金的持續(xù)資助下，以具有類似洋蔥晶體結(jié)構(gòu)的氮化硼納米顆粒為初始原料，采用高溫高壓技術(shù)成功地合成出納米孿晶結(jié)構(gòu)立方氮化硼新材料。納米孿晶結(jié)構(gòu)立方氮化硼新材料是一種透明的新型材料，其維氏硬度達(dá)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(yōu)良特性，其硬度超過金剛石單晶、韌性優(yōu)于商用硬質(zhì)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(yè)中新一代刀具材料。

小結(jié)：作為一種先進(jìn)的陶瓷材料，氮化硼以其優(yōu)越的力學(xué)性能，受到材料研究領(lǐng)域的廣泛青睞。氮化硼材料目前主要是作為機(jī)械加工領(lǐng)域，未來的發(fā)展趨勢是進(jìn)一步開發(fā)其功能材料的作用。當(dāng)前其研究發(fā)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(yīng)用等。

（粉體圈 作者：敬之）