立方氮化硼晶体结构

立方氮化硼晶体结构：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（CBN）是20世纪50年代发展起来的一种人工合成的新型材料，其硬度高，耐磨性好，在机械加工行业有着广泛的应用。

立方氮化硼是由六方氮化硼和触媒在高温高压下合成的，是继人造金刚石问世后出现的又一种新型产品。它具有很高的硬度、热稳定性和化学惰性，以及良好的透红外性和较宽的禁带宽度等优异性能，它的硬度仅次于金钢石，但热稳定性远高于金钢石，对铁系金属元素有较大的化学稳定性。

立方氮化硼磨具的磨削性能十分优异，不仅能胜任难磨材料的加工，提高生产率，还能有效地提高工件的磨削质量。立方氮化硼的使用是对金属加工的一大贡献，导致磨削发生革命性变化，是磨削技术的第二次飞跃。

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。

立方氮化硼的合成工艺，从材料来说分为单晶和聚晶（各类烧结体）两大类；从方法来说同样分为静压法和动压法（即爆炸法）两种。现只将静压触媒法作一详细介绍。

一、单晶合成

采用静压触媒法，与合成金刚石类同。

设备：六面顶或两面顶压机

原材料：① 六角氮化硼粉（hBN）；② 触媒：金属Mg粉；Li、Na、Al、Sn、Pb、Sb等碱金属和碱土金属以及它们的氮化物、硼氮化物，如Mg2N3、Li3N、Mg3B2N4等。

组装：粉装形式或层装形式，见图2-10-3。

合成工艺参数：P=5～8万大气压；T=1300～2000℃；t保温=3～5min。P、T愈高，hBN转化率愈高，如P=4～6万大气压，T=1200～1800℃，转化率为20%～65%；若P=12万大气压，T=3000℃，则绝大部分hBN转化为cBN。

提纯处理：与金刚石相似：①除金属镁，采用HCl（Mg+2HCl=MgCl2+H2）；②除石墨采用高氮酸；③除叶蜡石、hBN，则采用NaOH、KOH。

图2-10-3 组装形式

二、烧结体合成

一般生产的cBN颗粒比较细，不太好直接使用。因此常把它制成烧结体（复合体）或把它与金刚石混合烧结。

制作烧结体时，首先将cBN粉料进一步净化，最好采用真空技术。cBN粉料粒度为280目以细，并要加入适量的黏结剂（5%～10%为佳），以降低P、T，并能改善烧结体的性能。

当制作烧结体时，能作为黏结剂的金属和非金属元素较多。金属：钛、铝、铁、钴、镍、铜、锆、钨、钼、铼、铬。非金属：硅、硼。以及上述金属、非金属的碳化物、氮化物、硅化物、硼化物、氧化物、碳氢化物等。

所有原材料准备好后，就可开始作叶蜡石试样块的组装工艺（图2-10-4）。每块试样内可装几层石墨磨具，而每层石墨磨具内又可装填多粒烧结体。装料孔的形式则按制品形式加工，如刀具以四方块或三角块为主；若是拉丝模，则以圆饼状为主（图2-10-5）。

叶蜡块试样组装完了即可进行烧结，烧结参数类似于金刚石烧结体。

上面介绍的为两次聚合法（即cBN粉料+黏结剂），也可以一次聚合（即cBN粉料在较高P、T条件下直接烧成烧结体），如郑州三磨所曾采用一次高温高压合成方法，研制出烧结体，由于减少了中间环节和原材料数量，其成本比二次合成法低50%，研制的样品直径达10 mm、厚3～6 mm，显微硬度达55000 N/mm2，热稳定性达1200℃。

图2-10-4 cBN烧结体试样块

图2-10-5 石墨磨具

立方氮化硼是继金刚石后研制开发出来的一种新型材料，但目前在国内还未得到广泛应用，应加强对其研究，充分认识它的性能，完善它的制备工艺，增加它的产量和品种，以满足国民经济发展的需要。

立方氮化硼的性能类似于金刚石的性能，而且有些性能，（例如热稳定性）优于金刚石。因此，它与金刚石一样获得了广泛应用。

一、立方氮化硼的性能

（1）硬度仅低于金刚石（见表2-10-1）。

（2）良好的热稳定性。这一点优于金刚石，立方氮化硼具有高的硬度和高的热稳定性（简称为高的热硬性），可用作耐高温材料，减轻对材料（工具）的热损伤。

表2-10-1 立方氮化硼的性能

（3）高的化学惰性，不易与铁反应。而金刚石则不然，钢、铁对碳的亲和力大，因而磨削时易粘屑，导致磨削效果变劣。

（4）具有很高的热导率。用作散热片仅次于金刚石。

（5）高的抗氧化特性。立方氮化硼的抗氧化性能要比金刚石高很多。因为金刚石表面的碳原子尚未饱和，在高温720℃以上条件，这些未饱和的碳原子易与氧原子结合生成碳的氧化物；而立方氮化硼的表面为B、N原子所覆盖，不易氧化。

（6）有较好的半导体和光电性能。

二、应用范围

立方氮化硼可制作磨具，如：砂轮、衍磨条、油石等；可作为切削工具，如：钻头、车刀、绞刀、铣刀等；用于加工一些难加工材料，如：各种淬硬钢（HRC55～68）、各种喷涂（焊）材料、耐磨铸铁类材料（如钒-钛铸铁、高磷铸铁、冷硬铸铁等）、钛合金类材料（如TC4）等等。

立方氮化硼与金刚石一样，同样是良好的功能材料，广泛应用于电子工业。

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