立方氮化硼

 

立方氮化硼（Cubic Boron Nitride）是六方晶格的氮化硼（H－BN）在高温高压下，经触媒剂作用聚合转化成的高密度的立方晶格（C－BN）单晶体，晶体类型结构与金刚石相近，其硬度仅次于金刚石达7000～9000HV，由硼、氮原子组成，其化学与热稳定性高于碳原子组成的金刚石。广泛用于加工淬火钢、冷硬铸铁、耐热合金等黑色金属。

世界最坚硬物质首次在自然界中找到：是六方晶格的氮化硼在高温高压下，经触媒剂作用聚合转化成的高密度的立方晶格单晶体，晶体类型结构与金刚石相近。过去，该矿物只能在实验室中合成。2009年，由美国、中国和德国的地质学家组成的国际研究团队在自然界中找到立方氮化硼。2013年8月，国际矿物学协会正式承认了其为新的矿物。立方氮化硼

立方氮化硼单晶体颗粒很小，仅可作磨料。为能做成刀具，还需将它进一步加或不加各种结合剂（相）再经高温高压聚合烧结成聚晶立方氮化硼PCBN（Polycrystalline Cubic Boron Nitride）的各向同性的多晶块体。以它制成能满足多种高速高效加工要求的、整体的或与硬质合金复合为一体的刀片（此时PCBN一般约为0.5mm厚），再把它焊接或机械夹固做成各种用途的刀具，它们通称CBN切削工具。[1]

自1957年R·H·Wentrof率先试制成功CBN以来，20世纪60-70年代初，苏联、德国、中国、日本和英国相继合成出各国的第一颗CBN。[2]

立方氮化硼（CBN）的硬度仅次于金刚石。而与金刚石不同的是，它在加工铁金属时几乎不会发生化学反应。通过一种高温高压工艺，人们可以在硬质合金上粘结一层紧密均匀的聚晶体立方氮化硼镀层。这种聚晶体立方氮化硼简称PKB 。BZN* -刀片可替代传统的磨削工艺， 对硬化处理过的钢铁材料（HRC 45-68）也能进行高速精加工，切削速度可达到80-200m/min。BZN* -刀片也用于切削珠光体铸铁以及硬质铸铁和合金铸铁等。[3]

立方氮化硼有单晶体和多晶烧结体两种。

单晶体是把六方氮化硼和触媒在压力为3000～8000兆帕、温度为800～1900℃ 范围内制得。典型的触媒材料选自碱金属、碱土金属、锡、铅、锑和它们的氮化物。立方氮化硼的晶形有四面体的截锥、八面体、歪晶和双晶等）。工业生产的立方氮化硼有黑色、琥珀色和表面镀金属的，颗粒尺寸通常在1毫米以下。它具有优于金刚石的热稳定性和对铁族金属的化学惰性，用以制造的磨具，适于加工既硬又韧的材料，如高速钢、工具钢、模具钢、轴承钢、镍和钴基合金、冷硬铸铁等。用立方氮化硼磨具磨削钢材时，大多可获得高的磨削比和加工表面质量。

立方氮化硼多晶烧结体的主要制法有：①用立方氮化硼微粉和少量结合剂(如钴、铝、钛和氮化钛等)，在压力4000～8000兆帕、温度为1300～1900℃下烧结而成；②以立方氮化硼微粉和结合剂为一层，以硬质合金（片或粉）为一层，在上述压力、温度下把两者烧结在一起，制得带硬质合金衬底的多晶烧结体，这种烧结体具有高的强度，同时保持立方氮化硼的原有理化性能，可制成直径达16毫米的圆片，切割加工成适当形状后，作为车刀和镗刀的刀头，适于切削淬火钢、铸铁和镍基合金等。[4]

CBN主要用作制造磨具与刀具，就是说用于磨削和切削。CBN磨具与普通磨具（刚玉，碳化硅磨具）相比，具有磨削锋利、耐磨性好、加工效率高（便于实现自动化）、加工表面质量优（工件表面内有压应力）、加工精度高、使用寿命长、单位加工成本低、节能和改善环境等优点，因而它广泛应用于汽车、拖拉机、轴承、机床、齿轮、工具、磨具、航天航空、军工等许多行业，特别是适用高速钢、耐热钢、不锈钢、热敏材料等硬度高、韧性大、高温强度高、热传导率低的材料的精密磨削加工。

陶瓷CBN磨具不仅具有切削锋利、切削力小、生产效率高、使用寿命长、易于整形与修锐、磨削精度高等优点，而且还具有磨削工件温度低、能消除表面拉应力而产生残余应力，使工件耐用度提高30%-50％的特点，因此，陶瓷结合剂CBN磨具近年来获得异军突起的发展。[2]

2013年1月出版的《自然》杂志报道，加哥大学等多所高校科学家组建的一支研究小组人工合成纳米等级的立方氮化硼，其硬度已超越钻石，成为世界上最硬的物质。科学家测试结果显示，其维氏硬度达到108 GPa，而合成钻石的维氏硬度为100 GPa，并且该材料是商用立方氮化硼硬度的两倍。[5]

立方氮化硼首次在自然界中找到 

2013年8月，国际矿物学协会正式承认了一种新的矿物——立方氮化硼，其由美国、中国和德国的地质学家组成的国际研究团队于2009年在自然界中找到，并被命名为qingsongite。而在此前，该矿物只能在实验室中合成。

早在1957年，美国研究人员就采用人工方法在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。直至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。