中國粉體網(wǎng)訊  超硬磨料主要有人造金剛石和立方氮化硼兩大類，人造金剛石和立方氮化硼均為高溫高壓下人工合成的磨料，具有高硬度、鋒利性好、耐磨損等共同特性，然而在一些性質(zhì)上二者仍有很大的差別，因而他們的使用范圍也存在區(qū)別。以機械工程領(lǐng)域為例，立方氮化硼以90%的份額占據(jù)了鋼鐵加工的絕對優(yōu)勢。

為什么立方氮化硼更適合加工鋼鐵？

1.化學惰性

金剛石是目前自然界中硬度最高的物質(zhì)，作為磨料表現(xiàn)出優(yōu)異的硬度、強度、導熱、研磨等性能，在硬質(zhì)材料的加工方面如硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃、石材、建材、以及半導體材料等具有明顯的優(yōu)越性。但由于金剛石是碳的同素異形體，在較高的溫度下易與鋼鐵的鐵系元素產(chǎn)生化學反應，引起化學磨損，直接影響磨料、磨具的磨削性能和損耗，所以不適宜加工這類材料。

金剛石——鐵界面反應機制（圖源：Carbon Energy）

而立方氮化硼雖然硬度低于金剛石，但仍然要比普通磨料高得多，具有高強度、高導熱系數(shù)和較低熱的膨脹系數(shù)。且立方氮化硼化學性質(zhì)比金剛石更穩(wěn)定，其與鐵系金屬及合金的相容性差，不會發(fā)生化學反應，磨耗小，因而對于普通磨料難以加工且金剛石又不宜加工的硬而韌的金屬材料來說，立方氮化硼不失為一種更合適的磨料。特別是對加工含有鐵、鈷、鎳等鐵系金屬及合金，這些材料在高溫下容易與金剛石發(fā)生化學反應，導致金剛石磨料或工具的迅速退化，而立方氮化硼則能夠在這些條件下保持穩(wěn)定，提供更長的使用壽命和更好的加工效果。

2.熱穩(wěn)定性

立方氮化硼具有很高的熱穩(wěn)定性，可承受1400~1500℃以上的磨削溫度，這是金剛石的耐熱性（700~800℃）的兩倍左右。這種耐熱性主要是由立方氮化硼的結(jié)構(gòu)決定的。雖然立方氮化硼與金剛石具有相似的結(jié)構(gòu)，但金剛石表面的碳原子鍵未飽和，在高溫條件下，這些未飽和的表面碳原子易與氧原子結(jié)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、硼原子所覆蓋，硼原子的電子層結(jié)構(gòu)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)，因而在金剛石氧化溫度下仍處于相對熱穩(wěn)定狀態(tài)，溫度至1500℃以上才會發(fā)生從立方氮化硼至六方氮化硼的相變。

金剛石和立方氮化硼晶體結(jié)構(gòu)（圖源:氮硼科技）

由于這種優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，立方氮化硼得以在高溫環(huán)境中保持其硬度和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減輕對材料及工具的熱損傷，故可用于高溫環(huán)境中材料的加工。

立方氮化硼磨料的大量應用結(jié)果表明，立方氮化硼在金屬加工中具有硬度高、耐磨性好、使用壽命長等優(yōu)點，其金屬去除率是金剛石的10倍，且有效地降低了加工成本，經(jīng)濟效益顯著。

金剛石、立方氮化硼磨料怎么選擇？

在選擇金剛石磨料和立方氮化硼磨料時，需要考慮工件的材料類型、硬度、是否含有鐵系元素以及砂輪的預期使用轉(zhuǎn)速等多種因素。金剛石磨料通常適用于非鐵系材料，如硬質(zhì)合金、玻璃、陶瓷等，而立方氮化硼磨料特別適合鐵系金屬材料的加工，如工具鋼和高速鋼。此外，對于表面光潔度的要求程度以及成本，也是選擇磨料的重要考量因素。金剛石磨料與立方氮化硼磨料的部分指標對比如下：

我國立方氮化硼發(fā)展現(xiàn)狀

1966年，我國第一顆立方氮化硼在鄭州磨料磨具磨削研究所（簡稱鄭州三磨所）研制成功；1988年，河南富耐克超硬材料有限公司成功合成了中國第一顆高品級立方氮化硼磨料；雖然在2000年，我國立方氮化硼產(chǎn)量位居世界第一，但存在盤子大而不精的問題。2012年之前，國內(nèi)立方氮化硼的開發(fā)和應用尚處于成長階段，綜合原因是立方氮化硼磨料作為一種新材料，客戶認知度不高，市場推廣較為緩慢，而且立方氮化硼磨料制備技術(shù)門檻高，制約了立方氮化硼磨料市場的發(fā)展。2012年之后，隨著立方氮化硼磨具在汽車、航空航天、軸承、齒輪等領(lǐng)域的應用，其優(yōu)異的加工特性及穩(wěn)定性得到了機械加工行業(yè)的認可，立方氮化硼磨料的核心生產(chǎn)技術(shù)突破了突破，立方氮化硼磨料行業(yè)進入快速發(fā)展期。

鄭州三磨所（圖源：中原工學院學報）

我國立方氮化硼磨料在產(chǎn)能方面保持穩(wěn)步增長態(tài)勢的同時，其品質(zhì)也在不斷提升。從最開始的模仿到如今的自主研發(fā)、掌握核心技術(shù)，我國立方氮化硼磨料的品質(zhì)取得了跨越式的發(fā)展。

目前，我國立方氮化硼企業(yè)開發(fā)了多種類型的磨料產(chǎn)品，從顏色上可分為黑色、棕色、琥珀色等，從晶體強度上又可分為高強、高韌以及一般脆性產(chǎn)品。以國內(nèi)企業(yè)河南富耐克超硬材料股份有限公司、中南杰特超硬材料有限公司為例，立方氮化硼磨料品種和數(shù)量已多于國外公司，并能根據(jù)客戶的需求實現(xiàn)定制，經(jīng)過近60年的發(fā)展，我國立方氮化硼磨料無論從合成技術(shù)、產(chǎn)品品種、生產(chǎn)能力還是產(chǎn)量，都已成為立方氮化硼磨料的制造大國。

黑色、棕黑色、金黃色、琥珀色立方氮化硼磨料（圖源：富耐克超硬材料）

立方氮化硼磨料的應用

與金剛石磨料相比，立方氮化硼在鐵系材料加工方面具有耐熱性以及化學惰性的優(yōu)勢；與普通磨料相比，立方氮化硼磨料能夠嚴格控制工件的形狀和尺寸精度，具有更高的磨削效率，且磨料的生產(chǎn)過程中在能源消耗和環(huán)境污染方面也具有優(yōu)勢，因此，立方氮化硼磨料在機械加工業(yè)中得到了廣泛的應用：如高速鋼，特別是釩合金鋼，鈷合金鋼、特種高速鋼刀具的刃磨和粗磨；由耐熱鋼、不銹鋼和高硬度的合金結(jié)構(gòu)鋼制成的精密零件的精磨和終磨；大型機床導軌，高精度機床絲杠等精密工件的精磨和終磨；在自動和半自動機床上大批量生產(chǎn)的儀表等工件的精磨和終磨等。

未來，隨著制備技術(shù)的進一步精進，立方氮化硼將不斷拓展應用場景，推動制造業(yè)的革新發(fā)展。

參考來源：

[1]張旺璽等，基于河南省超硬材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀對產(chǎn)教融合和校企合作的分析；

[2]孔帥斐等，國內(nèi)立方氮化硼產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀簡述；

[3]王光祖，立方氮化硼（CBN）特性綜述；

[4]王光祖，超硬材料制造與應用技術(shù)；

[5]中國粉體網(wǎng)、氮硼科技官微

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/梧桐）

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