超硬奇迹：立方氮化硼的探索与应用

立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，简称CBN），是一种人工合成的超硬材料。1957年，美国GE公司研究人员采用人工方法，在超高温高压条件下首次合成了立方氮化硼。1966年，中国成功合成出第一颗立方氮化硼（CBN）。但天然的立方氮化硼一直未被发现，因此立方氮化硼被认为是一种人工合成产物，在自然界中不存在。

直到2009年，美国科学家和来自中国、德国科研机构的同行一起，在中国青藏高原古海洋地壳的富铬岩内找到了这种矿物。2013年8月，国际矿物学协会正式承认了这种新的矿物——立方氮化硼。

一

立方氮化硼的结构

立方氮化硼原子结构与金刚石中的碳原子结构高度相似，因此具有高密度和极高的硬度。CBN是由氮原子和硼原子所构成的化合物，化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮。从晶体结构上看，立方氮化硼由B原子组成的面心立方晶格和N原子组成的面心立方晶格沿对角线错开1/4组成，这使得其晶体结构与金刚石相近，晶格系数也相当接近（金刚石为0.3567nm，立方氮化硼为0.3615nm）。

立方氮化硼结构

二

立方氮化硼的性质

1、硬度高：立方氮化硼是自然界中硬度第二的材料，仅次于金刚石。其莫氏硬度为9.7，维氏硬度高达7500，这使得它在材料加工领域具有无可比拟的优势。

2、导热性强： 立方氮化硼具有良好的导热性，其导热系数为79.54w/m•k，虽然低于金刚石，但远高于高速钢、硬质合金及其他陶瓷材料，有助于在高速切削过程中保持刀具的稳定性。

3、热稳定性高： 立方氮化硼的热稳定性优于人造金刚石，可承受1200℃以上的切削温度，这使得它在高温加工环境中表现出色。

4、化学稳定性高：立方氮化硼的化学惰性大，在中性、还原性气体介质中对酸和碱具有很高的化学稳定性，尤其适合加工铁系金属。

三

立方氮化硼的合成

立方氮化硼单晶的合成主要采用静态高压触媒法，以六方氮化硼和不同的触媒为原料，在高温（1400℃~1800℃）和高压（4~8GPa）条件下合成。

国内早期合成立方氮化硼多采用金属镁作为触媒，后期则主要采用金属氮硼化物，如Li3N、Mg3N2、Ca3N2等。这些触媒材料的选择和合成条件的优化，使得立方氮化硼的颜色和品质得以提升，多为淡黄色、琥珀色或无色透明晶体，晶型完整、晶面光滑、单颗粒抗压强度较高。

河南凯纳精密的KBN70立方氮化硼单晶

四

立方氮化硼的应用

立方氮化硼因其优异的性能，在材料加工领域发挥着重要作用，主要用作磨具材料和刀具材料。

1、用作磨具材料：

小颗粒的立方氮化硼单晶是磨具的主要原料，通过结合剂的作用粘结成具有一定几何形状的制品。立方氮化硼磨具具有极高的使用寿命，适用于铁基材料和非铁金属材料的加工，尤其擅长处理硬度高、韧性大、高温时强度高和热传导率低的材料。其金属磨除率是金刚石的10倍，大大提高了磨削效率和精度，同时延长了砂轮的使用寿命。

河南凯纳精密的涂层镀镍立方氮化硼

2、用作刀具材料：

采用合适粒度的立方氮化硼单晶粉，通过高温高压烧结制成聚晶立方氮化硼（PCBN）。PCBN刀具克服了单晶易解理和各向异性的不足，硬度均匀、没有方向性，特别适合加工铁族金属及其合金。PCBN刀具既能胜任淬硬钢、高速钢、铸铁等材料的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削加工，是实现以车代磨的理想刀具。

河南凯纳精密的复合片焊接式刀片

五

立方氮化硼市场规模

目前，我国是全球最大立方氮化硼生产国，立方氮化硼产量占全球70%以上，每年45%立方氮化硼产品被出口到海外市场，磨料级立方氮化硼单晶产量占全球总产量的60%以上。而郑州则是立方氮化硼产业集聚地，诞生了凯纳精密、富耐克、中南杰特等一批行业龙头企业。2021年，郑州立方氮化硼聚晶产量占全国总产量的80％以上，立方氮化硼单晶产量则超过70％。

从生产规模来看，立方氮化硼单晶年产量国内稳定在6亿克拉以上；立方氮化硼微粉产量随着精密、超精密加工及聚晶立方氮化硼（PCBN）稳步提高，年产1亿克拉以上；立方氮化硼镀覆产品作为派生品种年产量近1亿克拉。

据新思界产业研究中心相关报告显示，2022年国内立方氮化硼产量约6.7亿克拉，立方氮化硼刀具市场规模达到35.8亿元，占超硬刀具总规模约57%。Fact.MR数据预计，2023年—2033年全球立方氮化硼全球市场将从9.5亿美元增长至20亿美元，年复合增长率7.7%。

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