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1、立方氮化硼的工业应用立方氮化硼是继人造金刚石之后，由温托夫利用类似于合成金刚石的静压触媒法，在 1957年制造成功的一种新型人造超硬材料。20世纪60年代末镀金属的CBN-II型产品问世之 后，各国开始广泛应用。我国于1967年合成出样品，1975年开始工业化生产。立方氮化硼的 发展历程，像人造金刚石一样，在有了普通强度的产品之后，进一步向高强度、大颗粒、多 品种和专业化方向发展。目前，CBN的用途集中于两个方面，一是制造磨具，二是制成聚晶 用做刀具材料。一、立方氮化硼磨具立方氮化硼磨具的磨削性能十分优异，不仅能胜任硬而韧的难磨材料的加工，提高生产 率，有利于严格控制工件的形状和尺寸精度，还能
2、有效的提高工件的磨削质量，显著提高磨 后工件的表面完整性，因而可以提高零件的疲劳强度，延长使用寿命，增加工作可靠性。另 外立方氮化硼磨料生产国中在能源消耗和环境污染方面比普通磨料生产好，所以，扩大立方 氮化硼磨具的生产和应用是磨具和刀具工作发展的必然趋势。1、立方氮化硼的应用条件利用立方氮化硼磨具进行磨削加工属于新兴的先进制造技术。其复杂程序和技术水平远 远高于传统的磨削技术。人们普遍认为，立方氮化硼的问世是对金属加工的一大贡献，导致 磨削发生革命性的变化。因此，越来越多的厂家对应用立方氮化硼磨削特别感兴趣，但就技 术而言，立方氮化硼磨削技术是由4项新技术支持的。具体见下图：2、立方氮化硼磨具
3、磨削的主要优点 立方氮化硼磨具对于黑色金属，特别是硬度高、韧性大、高温强度高、热传导率低的材 料具有良好的磨削性能，其金属磨除率是金刚石的10倍，解决了硬而韧的难磨材料的加工问 题。磨具磨削锋利，耐磨性能好，单位磨损量极小。磨削钢材时的磨削比为400010000, 是普通磨料高速磨具的120150倍。通常，被磨削弓箭的耐用度能提高30%50%。CBN磨具形状保持性好，修整更换次数少，从而缩短了总的加工时间，而且有利于实现 在自动线上加工。同一磨具可以磨削不同材料、不同规格的工件，不必更换磨具，机床参数 和加工条件不必经常更换，且磨具寿命长，特别适合多品种以及中、小批量磨具生产。加工表面质量得到
4、提高。磨削力小，磨削热也小，加工工件应力小，应力层薄。表面精 度和粗糙度达到很高的要求。工件不产生烧伤、裂纹和退火变软现象，可以显著提高工件的 疲劳强度。3、立方氮化硼应用范围CBN硬度仅次于金刚石，而热稳定性远高于金刚石，对Fe族金属具有较大的化学惰性。 因此，CBN加工黑色金属材料有独到之处，为这类硬而韧的难加工钢材的加工提供了新的手 段。鉴于金刚石适合加工硬脆材料，CBN恰能与之互为补充。近些年来，CBN得到了很大发展， 年产量迅速递增。目前，CBN与金刚石、SiC、刚玉一起并列为磨料四大品种。国内已经研制 出多种高品级产品，同时发展了表面镀金属品种，分选出了适合于研磨抛光黑色金属和有色
5、 金属的CBN微粉，并研制出了CBN聚晶车刀。目前主要应用于加工工具钢（包括高速钢、模具 钢）、轴承钢、不锈钢、Ni基合金以及冷硬铸铁。在这些加工领域内代替刚玉取得了良好的 技术经济效益。特别在加工HRC50以上的合金钢时，由于CBN比刚玉锋利，比金刚石性能稳定， 表现出优异的性能。二、立方氮化硼刀具在金属切削技术中，刀具技术的革新具有十分重要的意义。为了不断提高生产率、降低 产品成本和增加产品的竞争力，各工业发达国家都在大力进行刀具新技术的研究开发工作。 当前哦啊吗，刀具制造技术的主要发展方向是：提高寿命、提高切削效率、降低加工成本、 保证高精度和粗糙度，以及满足难切削材料加工要求等。 19
6、72年美国通用电气公司率先推出 的“ Compac t”刀具材料，正好满足这种需求。立方氮化硼刀具具有高的耐磨性，在加工Ni基合金时，CBN车刀比硬质合金车刀寿命长 上百倍。由于CBN聚晶刀具中硬质合金衬底的存在而具良好的抗冲击性，适应断续切削。CBN 聚晶车刀具有极低的表面粗糙度以及极高的热硬性（1400C时仍保持其硬度）。CBN聚晶刀具 所具有的“红硬性”，可用于高速干切削。高速切削产生的高温软化了被加工材质，改善了 材料的可加工性。因此有人认为，立方氮化硼聚晶的出现意味着刀具材料的革命性变化。实践已经证明， 它却是解决了一系列难加工材料的加工问题，并取得了明显的技术经济效益。所以，在许多
7、 工业发达国家中已广泛用于精密数控机床、多用途机床、专用高速机床、柔性加工系统的自 动化生产线。三、立方氮化硼及制品的市场前景1、单晶材料(1) 单晶材料及其主要产品概述单晶材料(包括人造金刚石及立方氮化硼)具有硬度高、耐磨和热传导性能好、热膨胀系 数低等优异性能，广泛应用于机械加工、石材加工、地质钻探、电子、建筑、航空航天、新 材料加工、汽车等领域。作为最重要的单晶材料，人造金刚石具有广阔的应用发展前景，西 方发达国家甚至将其作为一种战略资源。人造金刚石的合成设备和工艺是衡量一个国家基础 产业水平的重要指标。近年来随着世界经济的逐步复苏，世界主要工业国家的经济增长明显 增速，对工业金刚石的需
8、求量也逐渐增加。(2) 全球及中国单晶材料发展现状我国人造金刚石行业经过四十多年的发展，从无到有，从小到大，从技术到规模均取得 了长足的进步，人造金刚石及各类制品不仅满足了国民经济各个领域的发展要求，并且出口 到世界各地，为国民经济的发展做出了杰出贡献。人造金刚石诞生之初，由于生产成本过高 使其应用受到极大的限制。经过40多年的发展，随着人造金刚石的生产技术和生产工艺日趋 成熟，人造金刚石的生产成本大幅下降，人造金刚石在各个领域的需求不断增加，我国的人 造金刚石行业也得以迅猛发展。由于人造金刚石具有众多优异性能，随着人造金刚石品级的 不断提高，应用范围也将越来越广泛，在未来可预期的较长时期内仍
9、将保持较高的增长速度。 根据行业协会数据分析未来几年我国人造金刚石的市场需求量仍可以保持在年均复合增长 15%以上。(3) 人造金刚石在新兴行业领域内的应用有望进一步拓展随着人造金刚石品级的不断提升，其优良的性能有望在高新技术领域得到更广泛的应 用，如可用于航空仪表轴承、雷达波导管、光学器件、高能烟速器等精密仪器的加工可用 于单晶硅、多晶硅0.1-0.2mm厚度片的切割、磨削、卫星太阳能电池板等高效精密加工可 用于计算机芯片等大规模集成电路的微细精密切割、开槽、背面减薄、纳米金刚石抛光等加 工;高纯大单晶金刚石也可以制作用于动力压缩试验的高强度光学窗、非常环境中某些装置 的窗孔及研究核聚变能源
10、的构件等等。世界发达国家无不把包括人造金刚石在内的超硬材料及制品作为发展重点，超硬材料及 制品的研究与应用水平在某种程度上代表着一个国家的科技发展水平。2、聚晶材料(1) 聚晶材料及其主要产品概述1977年GE公司成功开发PCD和PCBN,标志着人类对超硬材料的应用进入新阶 段。随着聚晶材料技术研发的深入，其材料性能不断提高，适用范围也日益扩大到了工业加 工生产的许多领域。目前聚晶材料主要用于制造地质矿产钻探工具的切削齿、高品级拉丝模 的模坯和各类工业用刀具刀头，由此对应形成的聚晶材料中间制品主要包括如石油天然气 钻头用PCD复合片等高端钻探级复合片(以下简称“石油用复合片”)、煤田/矿山工具
11、用 PCD复合片等中低端钻探级复合片(以下简称“矿山用复合片”)、PCD高品级拉丝模坯(以下 简称“PCD拉丝模坯”）和PCD/PCBN刀具用复合片（以下简称“刀具用复合片”）。 石油用复合片石油用复合片是采用超高压高温合成工艺（合成压力一般在6.5GPa左右，合成温度一 般在1,450摄氏度以上）及精细化后处理工艺（如火花放电处理及表面蚀刻处理等）制成的高 端钻探级复合片。石油用复合片具有很高强度、硬度、耐磨性、抗冲击性以及良好的自锐性， 这些优良特性使其能够应用在石油、天然气勘探和开采行业。石油用复合片可按照钻探地层 和钻探机械不同将符合特定要求进行加工后作为石油/天然气钻头的切削齿固定在
12、钻头上， 是制造上述钻头的核心部件。最初石油用复合片主要用于制造在软到中硬地层以及具有一定 研磨性的中等抗压强度地层取芯或全面钻进的钻头,在高抗压强度、致密胶结的研磨性沙岩、 燧石和花岗岩中使用效果不好。但近几年随着石油用复合片质量的改进和钻头设计、制造水 平的提高，其在硬夹层和硬地层钻进中的应用已取得重大突破。我国自上世纪80年代初开 始引进石油复合片制造的钻头，目前在国内各大油田中已得到广泛推广和应用。除应用于石 油/天然气开采领域外，石油复合片生产工艺还可用于制造锥形复合片等其他高端钻探级复 合片，应用于煤炭挖掘、矿山开采及公路修补中对钻进效果要求较高的特定细分领域。 矿山用复合片矿山用
13、复合片是采用高压高温合成工艺（合成压力一般不超过6GPa，合成温度一般不 超过1，450摄氏度）制成的中低端钻探级复合片。相比石油用复合片等高端钻探级复合片， 应用于煤田/矿山一般开采作业的PCD复合片性能要求略低。这主要是由于除特定领域外， 煤田矿山等一般作业地层较浅，地质情况不像石油、天然气开采作业的地质情况那么恶劣， 对于钻头的使用寿命和耐磨性能要求相对较低，下游客户对于钻头的价格敏感度更高。除工 业领域外,矿山用复合片的应用现已逐渐渗透至国民生活各个领域，如在城市建筑施工领域， 将矿山用复合片焊接到打桩钻头及风炮钻头，可大幅提高施工效率;而在交通领域，矿山用 复合片则可用于制造修建桥墩
14、用的取芯钻头。 PCD拉丝模坯拉丝模是各种金属线材生产厂家（如电线电缆厂、钢丝厂、焊条焊丝厂等）拉制线材的一 种非常重要的易消耗性模具。拉丝模的适用范围十分广泛，主要用于拉拔棒材、线材、丝材、 管材等直线型难加工物体，适用于钢铁、铜、钨、钼等金属和合金材料的拉拔加工。由于拉 丝模的成本约占拉丝费用的1/2以上，降低拉丝模成本、提高其使用寿命是金属线材生产单 位迫切需要解决的问题（来源:中国数控机床网）。PCD拉丝模坯是生产高品级拉丝模的主要 材料，PCD拉丝模用于拉制铜、铝、不锈钢及各种合金线材，其使用寿命为硬质合金拉丝模 的100-300倍，且所拉线材的尺寸均匀，光洁度高，产出量高。 刀具用
15、复合片刀具用复合片主要用于生产加工除铁系金属以外的有色金属及合金、非金属材料的超硬 刀具，由于PCD的化学成分是碳元素，切削铁等黑色金属时在高温情况下容易发生化学反 应，影响生产效果和使用寿命，因此生产加工黑色金属材料的超硬刀具主要采用PCBN刀 具用复合片。使用刀具用复合片制造的超硬刀具不但硬度、耐磨性大大优于传统硬质合金刀 具，而且在进行硬态切削时，可取得较好的工件表面光洁度，实现以车代磨。（2）全球及中国聚晶材料发展现状目前全球中高端聚晶材料主要由美日等国的企业垄断生产，大部分中高端市场份额由 DI公司、ES公司、美国合成、日本住友、韩国日进等国际领先的大型集团公司所控制。 我国超硬材料
16、及制品行业自上世纪七十年代以来实现了迅猛发展，已经成为了世界超硬材料 第一制造大国，但单晶材料生产比例较大，聚晶材料生产规模较小，特别中高端聚晶材料市 场一直由外国企业所控制，例如高品级的大尺寸刀具用复合片、用于硬地层的石油用复合片 等等，我国企业在产量和质量上均与国外著名企业有明显差距，大部分产品需要进口。（3）聚晶材料市场容量及供求状况分析聚晶材料由于在下游领域应用面极广，使用中消耗量较大，因此拥有巨大的市场容量 另一方面作为一种性能更优越的新型材料，聚晶材料对传统材料的替代效应明显，因而聚晶 材料拥有广阔的潜在市场空间。 钻探级复合片钻探级复合片产品按生产工艺的不同可划分为高端钻探级复合片（如石油用复合片及锥 形复合片等）以及中低端钻探级复合片（如矿山用复合片等）。钻探级复合片产品应用领域极 广，且存在大量交叉应用情况（如石油用复合片可应用于煤田/矿山开采中对钻进效果要求较 高的特定细分
