我們先從超硬材料說起。

       顧名思義，超硬材料是硬度極高的材料，通常是指金剛石和立方氮化硼（cBN），或由這兩種材料為主要成分分別制成的復合材料。即便是剛玉、SiC、硬質(zhì)合金、高速鋼這四類號稱“工業(yè)牙齒”的硬質(zhì)材料也未被稱為超硬材料。

       金剛石，超硬領域的老大哥

       金剛石是碳的單質(zhì)，與石墨同為碳的同素異體。金剛石是典型的原子晶體，其原子以四面體結(jié)構(gòu)連接，在它的晶體結(jié)構(gòu)中，碳原子呈高度對稱排列，屬等軸晶系。金剛石中碳原子的電子層軌道結(jié)構(gòu)為1S22S22P2，每個碳原子都通過sp3鍵雜化與其周圍的4個碳原子形成非極性共價鍵，鍵角為109°28′，鍵長為1.54450?，鍵能為347.5KJ/mol，碳原子的配位數(shù)為4，碳原子均處于飽和成鍵狀態(tài)，金剛石中無自由電子，故金剛石不導電。金剛石的晶胞結(jié)構(gòu)屬于面心立方結(jié)構(gòu)，單個晶胞8個碳原子，其晶格常數(shù)為3.56683?。             

       正是因為金剛石的鍵長短，鍵能高，才使得金剛石成為了自然界中最硬的物質(zhì)（莫氏硬度為10）。天然金剛石早在公元前3000年就在印度被人們所認識。在公元５世紀以前，希臘人對金剛石的硬度也有了一定的認識，金剛石在希臘語中的含義是“不可戰(zhàn)勝的”或“不可克制的”。

        在工業(yè)上，憑借超高的硬度，金剛石被譽為“最硬最鋒利的工業(yè)牙齒”，航空航天、國防軍工以及光伏與電子信息等領域里的各種材料高難加工難題，在它面前都迎刃而解。  

       有金剛石了，為什么還要做立方氮化硼？

       氮化硼是由B和N以sp3雜化形成的晶體，與金剛石結(jié)構(gòu)相似，為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，屬于等軸晶系，空間群為F43m。化學組成為43.6%的B和56.4%的N，具有四種不同的變體。纖鋅礦結(jié)構(gòu)的六方氮化硼（hBN）、菱方氮化硼（rBN）、立方氮化硼（cBN）和密集六方氮化硼（wBN），立方氮化硼結(jié)構(gòu)圖如下圖所示，每一層都是相同的原子（B或N）緊密堆積而成，原子層以ABCABC……排列，晶格常數(shù)為a=0.3615nm±0.00001nm，與金剛石的晶格常數(shù)相近，N和B原子間距為0.157nm，密度為3.48g/cm3；在cBN晶格中，B-N的鍵長為0.157nm，B-N鍵的鍵角為109°5′。          

       cBN具有很高的硬度，其莫氏硬度為9.8-10，顯微硬度為71540-98000MPa，盡管如此，其硬度仍然略低于金剛石。

       立方氮化硼與金剛石的性能對比          

       但是，對金剛石而言，只有硬，并不能應對所有的應用。

        一方面，由于金剛石的熱穩(wěn)定性較差，在大氣中達到600°C時就發(fā)生氧化，在真空中達到1300℃~1400℃就會轉(zhuǎn)變?yōu)槭鴆BN的熱穩(wěn)定性要優(yōu)于金剛石，主要是由于在空氣或者O2氣氛中，cBN與O2反應生成的B2O3阻止cBN的進一步氧化。此外，真空中立方cBN轉(zhuǎn)化為hBN的臨界溫度為1773K-1873K，而在5-6GPa的強脈沖加熱條件下，轉(zhuǎn)變?yōu)榱浇Y(jié)構(gòu)的臨界溫度為3400-3500K，因此cBN一般不會轉(zhuǎn)變?yōu)閔BN。

       另一方面，金剛石在溫度達到700℃時開始溶解于鐵或鐵合金，而cBN化學穩(wěn)定性較好，在1150℃以下不與鐵系金屬反應，因此，金剛石工具也僅可加工非金屬材料及一系列有色合金，cBN的應用便是主要填補金剛石這些空缺，特別適合加工各種淬硬鋼、冷硬鋼等難加工材料。

       立方氮化硼的應用

      cBN單晶熱導率可高至1300W·m-1·K-1，而立方氮化硼/金剛石界面室溫理論熱導率更是能夠達到Si/金剛石界面的10倍，因此是理想的導熱材料。同時立方氮化硼擁有6.4eV的超寬禁帶和極高的巴利加優(yōu)值（越高性能越好），天生就是造高功率芯片的料，在大功率高溫電子器件極具前景。但是目前行業(yè)仍然缺乏高質(zhì)量、大尺寸、低成本的單晶制造技術。目前主要還是應用在超硬領域。

    （1）立方氮化硼磨具

       cBN磨具是用不同類型的結(jié)合劑將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”。可分為金屬結(jié)合劑磨具、樹脂結(jié)合劑磨具、電鍍結(jié)合劑磨具、陶瓷結(jié)合劑磨具四類。這四種磨具中，陶瓷cBN磨具磨削效率高，形狀保持性好，耐用度高，易于修整，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20％～30％的使用壽命，綜合降低磨削成本10％以上。

     （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(jié)合相燒結(jié)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(jié)構(gòu)形式：整體PCBN刀具、PCBN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(zhì)合金基體上燒結(jié)或壓制一層0.5～1mm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(zhì)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。    

      國產(chǎn)盤子大，但不精

     目前我國立方氮化硼產(chǎn)業(yè)可以說是“國產(chǎn)盤子大，但不精”。

     自1966年11月，鄭州磨料磨具磨削研究所便成功生產(chǎn)中國第一顆立方氮化硼，此后20多年中，發(fā)展并不盡人意，產(chǎn)品品種少、品級不高、合成技術進展緩慢，彼時國內(nèi)只有第六砂輪廠、哈爾濱砂輪廠、天津宏坁232廠、遼寧金剛石廠、北京燕郊金剛石工業(yè)公司、鄭州磨料磨具磨削研究所等。此后，隨著國內(nèi)合成法日漸成熟，加之原料六方氮化硼價格下降，立方氮化硼整體成本隨之下降，國產(chǎn)立方氮化硼得到極大發(fā)展。

        現(xiàn)如今，國內(nèi)立方氮化硼行業(yè)龍頭企業(yè)就有三家以上，包括河南富耐克、中南杰特、河南飛孟、鄭州沈發(fā)、開封貝斯科、信陽德隆等。不止如此，如今國內(nèi)的能夠生產(chǎn)的產(chǎn)品品種已多于國外公司，如果算上派生產(chǎn)品或定制產(chǎn)品會更多。

      目前，我國已是全球最大超硬材料生產(chǎn)國，其中立方氮化硼占全球70%以上，每年45%產(chǎn)量被出口到海外市場，磨料級立方氮化硼單晶產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的60%以上。

        從生產(chǎn)規(guī)模來看，立方氮化硼單晶年產(chǎn)量國內(nèi)穩(wěn)定在6億克拉以上；立方氮化硼微粉產(chǎn)量隨著精密、超精密加工及聚晶立方氮化硼（PCBN）穩(wěn)步提高，年產(chǎn)1億克拉以上；立方氮化硼鍍覆產(chǎn)品作為派生品種年產(chǎn)量近1億克拉。

       雖然市場一片繁榮，但國內(nèi)產(chǎn)品仍然集中在中低端，無法生產(chǎn)高端制品所需的50目以上的高品質(zhì)立方氮化硼單晶，很大一部分依賴進口，產(chǎn)品單價和附加值高的超硬復合材料主要由DI、元素六、日本住友、韓國日進等公司所控制。與此同時，從產(chǎn)品應用領域市場銷售量、產(chǎn)品質(zhì)量水平上相比，國內(nèi)也存在一定差距。   

         此外，從細分市場來看，復合式焊接立方氮化硼刀具全球主要廠商為元素六、DI、MegaDiamond、住友、日進等企業(yè)，聚晶立方氮化硼刀具領域河南企業(yè)則在全球具備明顯優(yōu)勢。

         未來，無論是在向新領域滲透或是產(chǎn)品質(zhì)量提升方面，我國的立方氮化硼產(chǎn)業(yè)仍有很長的路要走。

        參考來源：

        [1]張旺璽等.超硬材料合成方法、結(jié)構(gòu)性能、應用及發(fā)展現(xiàn)

        [2]付斌.菜刀是超硬材料走過的一段彎路嗎？.果殼

        [3]王光祖等.中國立方氮化硼產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況與展望

        [4]馬金明等.聚晶立方氮化硼材料國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與進展

        [5]孫坤.聚晶立方氮化硼的制備及機械性能研究

        [6]李重陽.立方氮化硼的性能和應用