氮化硼超硬材料的特性与应用简介

admin

一、氮化硼超硬材料简介

立方氮化硼（英文缩写CBN）是由六方氮化硼和触媒在高温高压下合成的超硬材料。这种超硬材料在已工业化应用的超硬材料中，硬度仅次于金刚石。立方氮化硼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，因此立方氮化硼磨具在铁基金属制品切削、磨削加工领域应用广泛，性能十分优异。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。

二、氮化硼聚晶在金属切削领域的应用

立方氮化硼聚晶（PCBN）刀具是由许多细晶粒（0.1~100微米）CBN聚结而成的一类超硬材料产品。它除了具有高硬度、高耐磨性外，还具有高韧性、化学惰性、红硬性等特点，并可用金刚石砂轮开刃修磨。在切削加工的各个方面都表现出优异的切削性能，能够在高温下实现稳定切削，特别适合加工各种淬火钢、工具钢、冷硬铸铁等高硬度难加工材料。刀具切削锋利、保形性好、耐磨性能高、单位磨损量小、修正次数少、利于自动加工，适用于从粗加工到精加工的所有切削加工。

氮化硼超硬材料的特性与应用简介

PCBN具有CBN的大部分性能，又克服了CBN单晶晶面方向性解理的缺点,具有较多的性能优势：

1、高硬度。PCBN刀具的硬度仅次于金刚石，大大高于硬质合金和陶瓷刀具，因此可以加工硬度为ＨＲＣ６０以上的淬硬钢、铸铁和硬质合金．

2、高耐磨性。PCBN刀具的耐磨性远远高于硬质合金和陶瓷，其使用寿命通常是陶瓷刀具的３～５倍，硬质合金刀具的５～１５倍．

3、高化学惰性。PCBN与铁族元素及其合金材料在１２００～１３００℃时不易发生化学反应，克服了聚晶金刚石刀具与铁的化学亲和性；具有较高的抗氧化能力，对各种材料的粘结、扩散作用比硬质合金小得多。

4、高热稳定性。PCBN的耐热性可以达到１４００℃，比金刚石刀具（７００～８００℃）高得多．经使用证明１１００℃以上的切削温度仍能维持高锋利的切削性能，适合于干式切削。

5、高导热性。在各类刀具材料中，PCBN的导热系数是７９．５４Ｗ／（ｍ·ｋ），仅次于金刚石，远远好于硬质合金，且随着温度的升高，PCBN的导热性能还会有所提高。

6、低摩擦系数。与其他刀具材料相比，PCBN摩擦系数低。PCBN与不同材料间的摩擦系数大致为0.1～0.3，而硬质合金为0.4～0.6，而且随着切削速度的提高，摩擦系数呈减小趋势，从而使切削力减小，并减少刀屑粘刀现象。

三、立方氮化硼在磨削领域的应用

立方氮化硼磨具具有十分优异的磨削性能，不仅能完成难磨材料的加工、提高生产率，有效提高工件磨削质量，还能严格控制工件的形状和尺寸，提高磨后工件的表面完整性，因而提高零件的疲劳强度，延长使用寿命。立方氮化硼微粉适用于树脂、金属、陶瓷等结合剂体系，亦可用于生产聚晶复合片，还可用做松散磨粒、研磨膏等。立方氮化硼作为磨具材料，使用寿命长、耐磨性好。但是，单晶立方氮化硼也存在晶粒尺小，各向异性，存在容易劈裂的解理面等不足之处。

由于立方氮化硼具有诸多的性能优势，同时它的的生产过程相比其它超硬材料而言，能源消耗少和环境污染小。因此，立方氮化硼的使用是对金属磨削加工的一大贡献，导致磨削发生革命性变化，是磨削技术的第二次飞跃。

四、纳米孪晶结构立方氮化硼研究成果简介

对于立方氮化硼类的陶瓷材料来讲，如何获得极为细小的显微组织一直是个技术上的挑战。大量的高能晶界将产生非常大的生长驱动力。与大角度晶界相比，共格孪晶界的过剩能要低一个量级以上。从能量上看纳米孪晶结构比纳米晶结构要更加稳定，更容易获得超细结构。亚微米尺度以上的孪晶强化和硬化效果并不明显，但是纳米尺度的孪晶界与大角度晶界的硬化效果却是等同的。超细纳米孪晶结构的塑性变形由孪晶处位错形核和运动所控制，这一点与纳米晶的塑性变形有本质上的差异。这导致超细纳米孪晶结构不仅能够实现材料的硬化，而且也能实现材料的韧化。以燕山大学田永君教授为首的中外科学家在自然科学基金的持续资助下，以具有类似洋葱晶体结构的氮化硼纳米颗粒为初始原料，采用高温高压技术成功地合成出纳米孪晶结构立方氮化硼新材料。纳米孪晶结构立方氮化硼新材料是一种透明的新型材料，其维氏硬度达到108 GPa，而合成钻石的维氏硬度为100 GPa。的这一新材料具有多种优良特性，其硬度超过金刚石单晶、韧性优于商用硬质合金、抗氧化温度高于立方氮化硼单晶本身，有望成为钢铁材料加工行业中新一代刀具材料。

小结：作为一种先进的陶瓷材料，氮化硼以其优越的力学性能，受到材料研究领域的广泛青睐。氮化硼材料目前主要是作为机械加工领域，未来的发展趋势是进一步开发其功能材料的作用。当前其研究发展方向主要有：氮化硼单晶的纳米化；大颗粒大直径单晶的制备；立方氮化硼薄膜的制备与应用等。