我国立方氮化硼的生产合成现状

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1、超硬材料与装备工业佥刚石第6 期 张相法张奎王福山梁浩孟令强郑州中南杰特超硬材料有限公司4 5 0 0 0 1 1 前言 人造金刚石和立方氮化硼在现代工业应用 领域中作为工具材料得到了广泛应用，同时它 们还是一种具有发展前景和潜力的高效功能材 料。经过近四十年的发展，我国已形成合成压 机5 0 0 0 多台的生产规模，人造金刚石产量达 1 2 亿克拉以上，成为世界金刚石生产大国。立 方氮化硼是继人造金刚石问世之后出现的又一 种新型高新技术产品，其生产手段与金刚石合 成极其相似。但是，我国立方氮化硼的年产量 仅占人造金刚石产量的2 ，目前生产总量已 超过3 0 0 0 万克拉。本文根据立方氮化硼

2、及其 应用发展情况，从c B N 磨料的品种发展及影响 c B N 产品发展的c B N 制品的应用方面分析了 我国c B N 生产合成的发展现状，提出了推动我 国c B N 发展的一些看法。 2 发展现状 立方氮化硼( c u b i cB o r o nN i t r i d e 简称 c B N ) 与人造金刚石相比，其硬度仅次于金刚 石，与金刚石统称为超硬材料。金刚石有天然 和人工合成之分，而c B N 是自然界不存在的材 料，它是通过人工合成的。c B N 比人造金刚石 具有更高的热稳定性、高热传导率、低摩擦系 数、高的化学惰性，主要用于机械加工中，被制 成各种磨具和切削工具，与用于

3、加工硬脆非铁 族材料的金刚石相互补充，使超硬材料的应用 范围得到更大拓展，在工业生产中作为工程材 料已得到了广泛应用。 我国自1 9 6 7 年研制出c B N 以来，c B N 磨 具在部分刀具及轴承产品的加工中得到了一定 的应用。但c B N 的发展及其应用不尽人意。 我国1 9 8 0 年至1 9 9 0 年间c B N 的总产量还不 足7 0 万克拉。自二十世纪八十年代末期，郑州 三磨所、中科院长春应化所、吉林大学等科研单 位对c B N 合成技术进行研究攻关，至1 9 9 2 年 庐山全国c B N 研讨会，c B N 合成技术已取得较 大进展。但当时的黑色、琥珀色c B N 成果大

4、多 还处于实验室阶段或小批量生产阶段。直到九 十年代后期，才有更多的超硬材料厂家开始介 入c B N 磨料的生产。 随着我国超硬材料工业规模和技术的发 展，市场竞争日趋激烈，超硬材料中的c B N 产 品的竞争如火如荼。一方面，c B N 合成技术进 步，生产规模不断扩大，已在国内形成了以郑州 高新技术产业开发区为中心，以原郑州三磨所 技术人员为主要技术支撑，辐射到河南省的若 干家生产基地，生产量扩大，c B N 磨料品种增 多，品级性能提高，价格持续走低；另一方面，在 国内市场，我国c B N 应用范围和应用领域扩 展，c B N 消耗量增长很快，在国际市场上，我国 c g N 以较高的性能

5、价格比优势，使产品竞争力 提高，出口快速增长。 由于c B N 生产合成技术的特殊性，触媒材 料“骄气”，不象金刚石触媒有市场售品、气候等 4 1 第6 期 超硬材料与装备张相法等我国立方氮化硼的生产合成现状2 0 0 2 年1 1 月 环境条件对c B N 合成影响较大，各c B N 生产 企业有的拥有自主技术，有的通过购买技术生 产，都有较大的生产能力。c B N 单晶产品品种 也与国外大公司如G E 公司和D eB e e r s 公司 的基本品种相对应，其主要品种大致对应关系 如下表： G ED eB e e r s 中南杰特富耐克 c B N 5 0 0A B N 8 0 0c B

6、N 2 2 0c B N 9 9 0 琥珀色 c B N 4 0 0A B N 3 0 0c B N 2 1 0c B N 9 0 0 c B N l 0 0 0A B N 6 0 0c B N l Z 0c B N 8 5 0 黑色 c B NT y p e IA B N 2 0 0c B N l l 0c B N 8 0 0 在国内c B N 标准相对滞后，不能满足我国 现有产品的情况下，通过与国际接轨，我国的 c B N 质量检测技术取得进展。目前主要有如 下几方面的检测： ( 1 ) 晶形 随着黑色、琥珀色品种的扩展，对不同品种 的色泽、透明度、晶体形状等方面，有实力的企 业都建有自己

7、的标准。 ( 2 ) 冲击强度T I 和高温冲击强度T T I 冲击强度T I 采用了在一定条件下冲击 后，称量筛上物的方法；高温冲击强度T T I 采 用高温( 大多为1 1 0 0 ) 还原气氛下处理后再 做冲击强度。 ( 3 ) 静压强度 采用国标方法，对8 0 1 0 0 以粗粒度进行检 测。 ( 4 ) 堆积密度 采用标准方法测定。 ( 5 ) 杂质含量 采用标准方法显微镜检测。 通过以上检测项目，即可全面衡量c B N 质 量。就c B N 单晶性能指标而言，我国c B N 与 G E 、D eB e e r s 公司的产品差距与金刚石相比要 小得多，这也是我们c B N 科研工作

8、者所感到欣 慰的。 同时，c B N 磨料镀覆品种已形成我国企业 4 2 的产品牌号，与G E 和D eB e e r s 公司相对应， 如郑州中南杰特公司的c B N l l 0 N 对应于c B - N I I 和A B N 2 6 0 等等。 我国c B N 超级磨料的产品品种不断增多， 已经能与国际上发达工业国家基本相对应，且 产品技术性能指标接近国际发达国家水平，从 而为c B N 的应用提供了更多的选择。 3 立方氮化硼的应用 金刚石是最硬的工业材料，也是最硬的超 级磨料，但是金刚石有一致命的弱点，即在高温 下( 6 0 0 ) 金刚石会溶于某些金属，或与别种 金属化合形成碳化物，

9、甚至被铁族金属( 铁、钻、 镍或其合金) 催化成石墨。因此金刚石虽然最 硬，却不适于加工这些材料。 最大宗的工业材料为钢铁及其合金。c B N 特性决定了其成为加工这些钢铁及其合金材料 的超级磨料，尤其是可用于工具钢、高速钢、轴 承钢、模具钢、不锈钢及各种特种钢或超合金钢 等难加工的材料。 在2 0 多年以前，c B N 磨削尚处在发展初 期时，人们就已认识到用c B N 修锐的或修复的 刀具要比普通磨料砂轮磨削修锐的刀具具有更 长的使用寿命。 我国c B N 的生产发展速度与国外生产发 展速度差距较大，但近年来琥珀色c B N 和高强 度c B N 的相继问世使得差距在缩小。c B N 是

10、一种坚硬而耐磨的磨料，并具有高的导热性能 和耐化学侵蚀等优异的性质，而最新一代的磨 料正是以尖锐、高强和可用于无支撑切削为特 征的，这些特征可降低磨削加工过程中的磨削 力，从而减少对工件的损伤。 c B N 单晶的研制目前已取得了突破性进 展，用新型触媒合成了高品质级的黑色、琥珀色 和棕色c B N ，从而结束我国c B N 发展中长期以 来徘徊不前的局面，为c B N 制品的开发提供了 有利条件，但在应用上我们与工业发达国家相 比较其进展相当缓慢。我国改革开放二十年 超硬材料与装备I 业金刚石第6 期 来，有力地推动了我国机械工业的发展，特别是 引进数控机械加工设备后，对c B N 工具的需

11、求 不断增加，由于进口e B N 工具价格昂贵，市场 发展加速了我国c B N 工具的研究开发，目前已 形成了以上海、广州等沿海城市，内地以郑州为 中心，扩大到河南、河北、江苏、浙江、福建、广东 等地区的c B N 工具生产研究基地。我国加入 w T O 后，特别是汽车工业的发展，必将有力推 动c B N 工具的大量市场需求。 国际上发达工业国家的c B N 消耗量每年 以1 8 的速度增长，远远高于国民经济的增 长。这已充分说明，e B N 的应用水平和程度标 志着一个国家的工业化水平。超硬材料的使用 量可以衡量一国工业现代化的程度，而金刚石 及c B N 技术的掌握能够决定一个国家制造能

12、力的高低。 大量事实证明，e B N 硬质合金复合刀具， 符合刀具发展的方向，提高寿命，提高切削率 ( 切削速度与进给量) ，降低加工成本，保证高精 度( 小于1 扯m ) 和低粗糙度( 小于R a 0 2 V m ) ，满 足难加工材料的加工要求等。这类刀具将在我 国具有很大开发市场，仅汽车、轴承、机床、航 天、农机五大行业每年就需1 0 0 万把以上，并且 每年还以2 5 一3 0 的速度增长，而当前国内 生产能力只能满足5 一1 0 左右的用量，这 类刀具将代替机械加工中的普通刀具，有广阔 的发展前景。 如何降低磨削温度以防止或减轻工件表面 损伤一直是高速磨削过程中需要解决的难题之 一。

13、c B N 磨削技术取得了很大的进展，从而带 来了产品成本的降低和部件加工质量的提高。 大量更换传统的机械加工机器，改用能产 生高转速而刚性大的机床，大大提高机械制造 业的生产力，因此c B N 的使用量增长率将会超 过金刚石。大部分传统的砂轮制品将被高效率 的c B N 砂轮制品取代。 这种进步是与大量研究成果的取得分不开 的，其中包括机械制造者通过改进磨削机器，提 高了转轴的速度使砂轮能在高的圆周速度下 运行，并通过提高转轴的刚度使它能适应深度 磨削技术等等。砂轮制造者发展了能满足上述 使用要求的新砂轮，如今在某些磨削加工中，利 用适当的磨削“组合刀具”所达到的切削减速度 以往只能在具有特

14、殊刀具的刀具上才能达到。 加工质量在磨削加工中越来越受到人们的重 视，即不允许工件在磨削时出现任何可能的损 伤。从这点上来看，c B N 无疑比常用的磨料更 具有潜在的优势，这主要得益于c B N 具有的优 异的切削特性和导热性质。c B N 是目前唯一 适宜加工钢铁工件的超硬材料，由于c B N 具有 比普通磨料碳化硅、刚玉高得多的硬度、强度， 所以c B N 砂轮寿命长，加工效率高，c B N 磨料 与工件材料纯切人，很少产生磨擦热，加工的工 件热应力小，元组织变化。自从c B N 问世以 来，其制品广泛应用于黑色金属加工领域，使机 械加工在实现高精、高效、节能及自动化方面前 进了一大步，

15、c B N 陶瓷砂轮的出现导致了磨削 技术的革命，它不仅使综合加工成本降低，而且 解决了普通磨具不能加工或难以加工材料的加 工问题，所加工的工件精度高、热损伤小、工件 内残余应力在大幅度减少，极大地提高了加工 产品的质量。 c B N 陶瓷砂轮的开发应用程度反映了一 个国家机械加工行业的技术水平。陶瓷结合剂 c B N 砂轮的生产受到各国政府的重视，投人了 大量的人力物力和财力进行有关的研究和开 发，特别是国外许多先进国家，如日本、德国、美 国等，在此领域走在了世界前列，发表了许多制 造陶瓷结合剂c B N 砂轮的专利和文献，这对扩 大c B N 市场极为有利。 e B N 作为功能材料，也可

16、以用于半导体器 件、光电予器件的生产。 以上情况表明，c B N 的应用领域在不断扩 大，c B N 的市场需求量在快速增长。为我国 c B N 生产的发展创造了好的市场条件。 超硬材料与装备张相法等我国立方氯化硼的生产合成现状2 0 0 2 年6 1 1 月 第期 4 存在的问题及未来展望 我国c B N 的生产和科研已接近了世界先 进行列。但是，由于c B N 的应用比较落后，制 约着c B N 生产的发展。存在的主要问题是： ( 1 ) 对我国c B N 产品的质量技术认识不正 确。一方面，尽管我国c B N 磨料生产及技术水 平接近国际水平，但是，由于受我国机械加工业 仍在大量使用传统的技术落后的机械加工设备 的影响，使c B N 工具无法发挥优势，因而传统 盲目地认为我国的c B N 产品生产技术不如国 外；另一方面，引进国外先进机械加工设备时， 过分依赖设备供应商，多数仍使用配套进口的 c B N 工具。 ( 2 ) 科研投入不足制约着我国c B N 产品发 展水平的提高，由于c B N 生长培育技术难度及 复杂性超过金刚石单