一文读懂 | 什么是立方氮化硼

立方氮化硼(CBN),是一种人工合成的超硬材料,其原子结构与金刚石中的碳原子结构类似,因此具有高密度的特性,硬度仅次于金刚石,主要用作磨料和刀具材料。

早在1957年,美国GE公司的研究人员就采用人工方法,在超高温高压条件下首次合成了立方氮化硼,但天然的立方氮化硼一直未被发现,因此立方氮化硼被认为是一种人工合成产物,在自然界中不存在。

直到2009年,美国加州大学河滨分校、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的科学家和来自中国、德国科研机构的同行一起,在中国青藏高原南部山区地下约306公里深处古海洋地壳的富铬岩内找到了这种矿物,其在大约1300摄氏度高温、118430个大气压的高压条件下形成了晶体。

20138月,国际矿物学协会正式承认了这种新的矿物——立方氮化硼。

立方氮化硼

立方氮化硼发展史

1957年,美国GE通用电气公司率先研制出立方氮化硼。

1960年,苏联成功研制出立方氮化硼。

1964年,日本成功研制出立方氮化硼。

1966年,国内第一颗立方氮化硼诞生。

1969年,美国通用电气开始推广立方氮化硼,以“布拉松”(BZN)商品名出现在国际市场。

1974年,戴比尔斯公司研制出一种琥珀色立方氮化硼。

2009年,在青藏高原首次发现天然立方氮化硼矿物。

立方氮化硼的结构

立方氮化硼结构

立方氮化硼具有与金刚石类似的晶体结构,且两者晶格系数相近(金刚石为0.3567nm,立方氮化硼为0.3615nm)。

立方氮化硼是氮原子和硼原子所构成的化合物,化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮。从晶体中原子的排列方式来看,立方氮化硼的结构是由B原子组成的面心立方晶格和由N原子组成的面心立方晶格沿对角线错开1/4组成。

立方氮化硼的性质

  1. 硬度高。是自然界中硬度第二的材料,仅次于金刚石。莫氏硬度9.7(金刚石10),维氏硬度7500(金刚石10000)。
  2. 导热性强。立方氮化硼具有很好的导热性,其导热系数为79.54w/m·k,低于金刚石,但远高于高速钢、硬质合金及其他陶瓷材料。
  3. 热稳定性高。立方氮化硼拥有很高的热稳定性,优于人造金刚石,可承受1200℃以上的切削温度。
  4. 化学稳定性高。立方氮化硼的化学惰性大,在中性、还原性气体介质中对酸和碱具有很高的化学稳定性。

立方氮化硼的合成

目前,立方氮化硼单晶的合成主要是由静态高压触媒法合成,通常以六方氮化硼(hBN)和不同的触媒为原料,在高温(1400~1800℃)和高压(4~8GPa)下合成CBN单晶粉,颜色多为黑色或琥珀色。

国内最早合成的立方氮化硼采用金属镁作为触媒,后来主要采用金属氮硼化物。用氮硼化物合成的立方氮化硼颜色浅,多为淡黄色、琥珀色或无色透明晶体,晶型完整、晶面光滑、单颗粒抗压强度较高。

合成立方氮化硼常用的触媒有:Li3NMg3N2Ca3N2Li3BN2Mg3B4N4Cs3B2N4

立方氮化硼的应用

立方氮化硼应用

由于立方氮化硼的优异性能,因此能在材料加工领域发挥非常重要的作用,目前立方氮化硼主要用作磨具材料和刀具材料。

1)用作磨具材料。小颗粒的立方氮化硼单晶主要用作磨具材料,立方氮化硼磨具是借助于结合剂的作用将立方氮化硼磨料粘结成具有一定几何形状的制品,具有极高的使用寿命,可分为金属结合剂CBN磨具、树脂结合剂CBN磨具、电镀结合剂CBN磨具、陶瓷结合剂CBN磨具四类。

立方氮化硼磨具主要用于磨削加工,既能用于铁基材料的加工,也能用于非铁金属材料的加工,在金属材料加工领域的应用范围比金刚石磨具更广。立方氮化硼磨具对于黑色金属特别是硬度高、韧性大、高温时强度高和热传导率低的材料,具有良好的磨削性能,其金属磨除率是金刚石的10倍。

立方氮化硼磨具用于高速高效磨削和珩磨加工,可使磨削效率大大提高,其磨削精度高、砂轮寿命长,节约了砂轮更换修整、机床调整和工件检测等许多辅助时间。

2)用作刀具材料。采用合适粒度的CBN单晶粉,通过结合相经高温高压烧结在一起制成聚晶立方氮化硼(PCBN)。PCBN组织中各微小晶粒呈无序排列,硬度均匀、没有方向性,克服了CBN单晶易解理和各向异性等不足。

PCBN刀具主要有三种:第一种是整体纯PCBN烧结片;第二种是以CBN为耐磨层、以硬质合金为衬底层共同烧结而成的复合片;第三种是先烧结PCBN刀片坯料、再焊接到硬质合金基体上的焊接刀片。

PCBN刀具对铁族金属及其合金的加工特别有效,既能胜任淬硬钢、高速钢、铸铁等材料的粗车和精车,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。