立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，簡稱CBN），是一種人工合成的超硬材料。1957年，美國GE公司研究人員采用人工方法，在超高溫高壓條件下首次合成了立方氮化硼。1966年，中國成功合成出首顆立方氮化硼（CBN）。但天然的立方氮化硼一直未被發(fā)現(xiàn)，因此立方氮化硼被認(rèn)為是一種人工合成產(chǎn)物，在自然界中不存在。
直到2009年，美國科學(xué)家和來自中國、德國科研機(jī)構(gòu)的同行一起，在中國青藏高原古海洋地殼的富鉻巖內(nèi)找到了這種礦物。2013年8月，國際礦物學(xué)協(xié)會(huì)正式承認(rèn)了這種新的礦物——立方氮化硼。
一、立方氮化硼的結(jié)構(gòu)
立方氮化硼原子結(jié)構(gòu)與金剛石中的碳原子結(jié)構(gòu)高度相似，因此具有高密度和極高的硬度。CBN是由氮原子和硼原子所構(gòu)成的化合物，化學(xué)組成為43.6%的硼和56.4%的氮。從晶體結(jié)構(gòu)上看，立方氮化硼由B原子組成的面心立方晶格和N原子組成的面心立方晶格沿對(duì)角線錯(cuò)開1/4組成，這使得其晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相近，晶格系數(shù)也相當(dāng)接近（金剛石為0.3567nm，立方氮化硼為0.3615nm）。
立方氮化硼結(jié)構(gòu)
二、立方氮化硼的性質(zhì)
1、硬度高：立方氮化硼是自然界中硬度第二的材料，僅次于金剛石。其莫氏硬度為9.7，維氏硬度高達(dá)7500，這使得它在材料加工領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢。
2、導(dǎo)熱性強(qiáng)：立方氮化硼具有良好的導(dǎo)熱性，其導(dǎo)熱系數(shù)為79.54w/m?k，雖然低于金剛石，但遠(yuǎn)高于高速鋼、硬質(zhì)合金及其他陶瓷材料，有助于在高速切削過程中保持刀具的穩(wěn)定性。
3、熱穩(wěn)定性高：立方氮化硼的熱穩(wěn)定性優(yōu)于人造金剛石，可承受1200℃以上的切削溫度，這使得它在高溫加工環(huán)境中表現(xiàn)出色。
4、化學(xué)穩(wěn)定性高：立方氮化硼的化學(xué)惰性大，在中性、還原性氣體介質(zhì)中對(duì)酸和堿具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，尤其適合加工鐵系金屬。
三、立方氮化硼的合成
立方氮化硼單晶的合成主要采用靜態(tài)高壓觸媒法，以六方氮化硼和不同的觸媒為原料，在高溫（1400℃~1800℃）和高壓（4~8GPa）條件下合成。
國內(nèi)早期合成立方氮化硼多采用金屬鎂作為觸媒，后期則主要采用金屬氮硼化物，如Li3N、Mg3N2、Ca3N2等。這些觸媒材料的選擇和合成條件的優(yōu)化，使得立方氮化硼的顏色和品質(zhì)得以提升，多為淡黃色、琥珀色或無色透明晶體，晶型完整、晶面光滑、單顆?？箟簭?qiáng)度較高。
鄭州立鉆的CBN710立方氮化硼單晶
四、立方氮化硼的應(yīng)用
立方氮化硼因其優(yōu)異的性能，在材料加工領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，主要用作磨具材料和刀具材料。
1、用作磨具材料：
小顆粒的立方氮化硼單晶是磨具的主要原料，通過結(jié)合劑的作用粘結(jié)成具有一定幾何形狀的制品。立方氮化硼磨具具有極高的使用壽命，適用于鐵基材料和非鐵金屬材料的加工，尤其擅長處理硬度高、韌性大、高溫時(shí)強(qiáng)度高和熱傳導(dǎo)率低的材料。其金屬磨除率是金剛石的10倍，大大提高了磨削效率和精度，同時(shí)延長了砂輪的使用壽命。
鄭州立鉆的涂層鍍鎳立方氮化硼
2、用作刀具材料：
采用合適粒度的立方氮化硼單晶粉，通過高溫高壓燒結(jié)制成聚晶立方氮化硼（PCBN）。PCBN刀具克服了單晶易解理和各向異性的不足，硬度均勻、沒有方向性，特別適合加工鐵族金屬及其合金。PCBN刀具既能勝任淬硬鋼、高速鋼、鑄鐵等材料的粗車和精車，又能勝任高溫合金、熱噴涂材料、硬質(zhì)合金及其他難加工材料的高速切削加工，是實(shí)現(xiàn)以車代磨的理想刀具。
鄭州立鉆的整體聚晶式刀片
五、立方氮化硼市場規(guī)模
目前，我國是全球立方氮化硼生產(chǎn)大國，立方氮化硼產(chǎn)量占全球70%以上，每年45%立方氮化硼產(chǎn)品被出口到海外市場，磨料級(jí)立方氮化硼單晶產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的60%以上。而鄭州則是立方氮化硼產(chǎn)業(yè)集聚地，誕生了凱納精密、富耐克、中南杰特等一批行業(yè)龍頭企業(yè)。2021年，鄭州立方氮化硼聚晶產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的80％以上，立方氮化硼單晶產(chǎn)量則超過70％。
從生產(chǎn)規(guī)模來看，立方氮化硼單晶年產(chǎn)量國內(nèi)穩(wěn)定在6億克拉以上；立方氮化硼微粉產(chǎn)量隨著精密、超精密加工及聚晶立方氮化硼（PCBN）穩(wěn)步提高，年產(chǎn)1億克拉以上；立方氮化硼鍍覆產(chǎn)品作為派生品種年產(chǎn)量近1億克拉。
據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心相關(guān)報(bào)告顯示，2022年國內(nèi)立方氮化硼產(chǎn)量約6.7億克拉，立方氮化硼刀具市場規(guī)模達(dá)到35.8億元，占超硬刀具總規(guī)模約57%。Fact.MR數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)，2023年—2033年全球立方氮化硼全球市場將從9.5億美元增長至20億美元，年復(fù)合增長率7.7%。
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