立方氮化硼的性能和應用

1、立方氮化硼的性能和應用作者：李重陽來源：科技視界2014年第15期李重陽（鄭州銳利超硬材料有限公司，河南鄭州450000）【摘 要】立方氮化硼（cBN）是由六方氮化硼（hBN）在高溫高壓下合成的，因其獨特的結 構和性能在磨削加工行業(yè)得到廣泛應用，本文就其結構、性能和主要應用范圍進行簡單介紹?！娟P鍵詞】立方氮化硼；熱穩(wěn)定性；應用1立方氮化硼的結構和性能1.1立方氮化硼的結構cBN具有類似金剛石的晶體結構，晶格常數(shù)相近（金剛石為0.3567nm,cBN為0.3615nm），且 晶體中的結合鍵基本相同，即都是沿四面體雜化軌道形成的共價鍵，在cBN的晶體結構，若以 碳原子（C）置換氮（N）和硼（B）原

2、子，便形成金剛石的晶體結構。cBN最典型的幾何形狀是正四面體晶面與負四面體晶面的結合，常見的形態(tài)有：四面體、 假八面體、假六面體（扁平的四面體）1。根據(jù)cBN的B、N表面腐蝕的顯微結構，四面體的 cBN晶體可分為兩種：一種是硼四面體，即四個表面是硼表面；另一種是氮四面體，即四個表 面是氮表面。二者的特征不同。1.2立方氮化硼的性能1.2.1硬度立方氮化硼莫氏硬度為9.7 （金剛石10），維氏硬度為7500 （金剛石10000），僅次于金 剛石。超硬材料（立方氮化硼與立方金剛石）的共價鍵“鍵角”為109。28。正是這個 109。28共價鍵鍵角，使得立方氮化硼與立方金剛石具有最高的硬度而被稱為超硬

3、材料。馮士光2認為超硬材料存在“三取向” 10928定律，即：（1）當體系處于平衡穩(wěn)定態(tài)時， 109。28是力學領域結構強度最高的取向；（2）當體系平衡穩(wěn)定遭到破壞而處于不穩(wěn)定狀態(tài) 時，109。28是“應力能”自發(fā)高效地釋放時阻力最小的“途徑”取向，而裂紋走向即內在應 力能釋放取向的外在表征；（3）109。28是空間結構高效、低耗的最優(yōu)化取向。1.2.2強度強度是cBN產(chǎn)品分級和評定其質量的重要指標3。影響單晶強度的因素包括應力狀態(tài)的特 點、亞結構、尺寸、晶形、內部和表面存在的裂紋及其它缺陷。在脆性狀態(tài)中，單晶強度與結 晶塊的散射角大小成正比，而散射角是亞結構的重要特征之一。亞結構對cBN強度

4、特性的影響 研究表明，當塊狀晶體散射角增加到一定值（1。2.5。）時，發(fā)現(xiàn)強度有提高的趨勢。當散 射角更大時，塊狀晶體強度明顯地降低到接近集合體的強度；復雜斷層結構的塊狀單晶體具有 最高的強度。1.2.3導熱性cBN有很好的導熱性，其導熱系數(shù)(79.54 w/m*k)雖趕不上金剛石(146.5 w/m*k), 但大大高于高速鋼(16.725.1 w/mk)和硬質合金(20.3380.77 w/mk)。隨著切削速 度的提高，cbn的導熱系數(shù)也逐漸增高，這有利于降低切削區(qū)的溫度而減少擴散磨損。1.2.4熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性cBN具有很高的熱穩(wěn)定性，可承受1200C以上的切削溫度，并且cBN的化學惰

5、性大，在中 性、還原性氣體介質中對酸和堿具有很高的化學穩(wěn)定性。cBN具有很高的抗氧化能力，在1000C 時也不會發(fā)生氧化現(xiàn)象4。真空中，溫度至1550C才發(fā)生從cBN至hBN的相變。cBN對于鐵、 鋼和氧化環(huán)境具有化學惰性，在氧化時形成一薄層氧化硼，此氧化物為涂層提供了化學穩(wěn)定性， 因此它在加工硬的鐵材、灰鑄鐵時耐熱性也極為優(yōu)良。立方氮化硼的耐熱性主要是由它的成份及結構決定的。立方氮化硼雖然與金剛石具有相似 的結構，但金剛石表面的碳原子鍵未飽和，在高溫(720C以上)條件下，這些未飽和的表面碳 原子易與氧原子結合生成碳的氧化物而逸出晶體，使晶體逐漸剝離而解體。而立方氮化硼晶體 表面為氮、硼原子

6、所覆蓋，硼原子的電子層結構為1s22s22p1，可提供三個成鍵電子，使晶體 表面的硼原子的價鍵處于飽和狀態(tài)沒有空懸鍵，因而在金剛石氧化溫度下仍處于相對熱穩(wěn)定狀 態(tài)5。正是由于氮化硼的這些特異的性質，人們在生長氮化硼晶體材料方面做了很多工作，進行 了不懈的努力，尤其是立方氮化硼的制備。1957年，Wentorf首次利用高溫高壓方法，以六方 氮化硼為原料，通過相變得到立方氮化硼。從此有關立方氮化硼的合成研究形成了材料研究領 域的一個熱點6。2立方氮化硼的應用cBN由于其優(yōu)異的性能在材料加工領域發(fā)揮著日益重要的作用。目前cBN主要用作磨具和 刀具。2.1立方氮化硼磨具cBN磨具是用不同類型的結合劑將

7、cBN磨料粘接在一起并制成一定形狀的一種工具，具有 極高的使用壽命，被稱作“半永久性磨具”?？煞譃榻饘俳Y合劑磨具、樹脂結合劑磨具、電鍍 結合劑磨具、陶瓷結合劑磨具四類。這四種磨具中，以陶瓷結合劑模具發(fā)展最快。在世界范圍 內，陶瓷結合劑cBN磨具的比例已由80年代的4%上升到目前50%以上，呈迅速增長之勢7。 這是由于陶瓷cBN磨具磨削效率高，形狀保持性好，耐用度高，易于修整，砂輪使用壽命長， 因而成為高效、高精度磨削的首選磨具。cBN磨具應用領域不斷擴大，已推廣到軸承、汽車、機床、壓縮機等行業(yè)中普通黑色金屬 材料的加工。使用過程中大余量粗精磨一次完成，使磨削工件表面呈壓應力狀態(tài)從而提高工件 2

8、0%30%的使用壽命，綜合降低磨削成本10%以上。近年來國內進口成套cBN磨削技術呈快 速增長之勢，國產(chǎn)cBN磨具的制造和應用技術進入高水平和快速發(fā)展的新階段。2.2 立方氮化硼刀具由于受cBN制造技術的限制，目前制造直接用于切削刀具大顆粒的cBN仍很困難，為此PCBN (Polycrystalline cubic boron nitride )聚晶 cBN 得到了很快發(fā)展。PCBN 是在高溫高 壓下將微細的cBN材料通過結合相燒結在一起的多晶材料，其組織中各微小晶粒呈無序排序， 硬度均勻、沒有方向性，克服了單晶cBN易解理和各向異性等不足。PCBN刀具有3種結構形式：整體PCBN刀具、PCB

9、N復合刀片及電鍍立方氮化硼刀具，以 PCBN復合刀片應用最為廣泛。PCBN復合刀片是在強度和韌性較好的硬質合金基體上燒結或壓制 一層0.51mm厚的PCBN而成的，解決了 cBN刀片抗彎強度低和焊接困難等問題，既能勝任淬 硬鋼、軸承鋼、高速鋼、工具鋼、冷硬鑄鐵的粗車和精車，又能勝任高溫合金、熱噴涂材料、 硬質合金及其他難加工材料的高速切削加工，是實現(xiàn)以車代磨的最佳刀具之一?！緟⒖嘉墨I】王光祖.立方氮化硼(cBN)特性綜述J.超硬材料工程，2005, 17 (63)： 41-42.馮士光.超硬材料揭秘衛(wèi).工具技術，2005，29 (5)： 98-99.方嘯虎.超硬材料基礎與標準M.北京：中國建材

10、工業(yè)出版社，1998： 146.Jacobson, S. M. Nathan, N. B. Gregory, R. T. Darren, E. Richard. High- temperature oxidation of boron nitride: II, boron nitride layers in compositesJ. Journal of the American Ceramic Society, 1999,82(6):1473-1482.張鐵臣，徐曉偉，郭偉力.不同顏色立方氮化硼的合成及耐熱性的研究J.高壓物 理學報，1990, 4 (4)： 269.H. Sachdev, M. Strau B. Investig