【原创】加工90%的钢铁，比金刚石还厉害的竟然是它？

中国粉体网讯  超硬磨料主要有人造金刚石和立方氮化硼两大类，人造金刚石和立方氮化硼均为高温高压下人工合成的磨料，具有高硬度、锋利性好、耐磨损等共同特性，然而在一些性质上二者仍有很大的差别，因而他们的使用范围也存在区别。以机械工程领域为例，立方氮化硼以90%的份额占据了钢铁加工的绝对优势。

为什么立方氮化硼更适合加工钢铁？

1.化学惰性

金刚石是目前自然界中硬度最高的物质，作为磨料表现出优异的硬度、强度、导热、研磨等性能，在硬质材料的加工方面如硬质合金、陶瓷、玻璃、石材、建材、以及半导体材料等具有明显的优越性。但由于金刚石是碳的同素异形体，在较高的温度下易与钢铁的铁系元素产生化学反应，引起化学磨损，直接影响磨料、磨具的磨削性能和损耗，所以不适宜加工这类材料。

金刚石——铁界面反应机制（图源：Carbon Energy）

而立方氮化硼虽然硬度低于金刚石，但仍然要比普通磨料高得多，具有高强度、高导热系数和较低热的膨胀系数。且立方氮化硼化学性质比金刚石更稳定，其与铁系金属及合金的相容性差，不会发生化学反应，磨耗小，因而对于普通磨料难以加工且金刚石又不宜加工的硬而韧的金属材料来说，立方氮化硼不失为一种更合适的磨料。特别是对加工含有铁、钴、镍等铁系金属及合金，这些材料在高温下容易与金刚石发生化学反应，导致金刚石磨料或工具的迅速退化，而立方氮化硼则能够在这些条件下保持稳定，提供更长的使用寿命和更好的加工效果。

2.热稳定性

立方氮化硼具有很高的热稳定性，可承受1400~1500℃以上的磨削温度，这是金刚石的耐热性（700~800℃）的两倍左右。这种耐热性主要是由立方氮化硼的结构决定的。虽然立方氮化硼与金刚石具有相似的结构，但金刚石表面的碳原子键未饱和，在高温条件下，这些未饱和的表面碳原子易与氧原子结合生成碳的氧化物而逸出晶体，使晶体逐渐剥离而解体。而立方氮化硼晶体表面为氮、硼原子所覆盖，硼原子的电子层结构可提供三个成键电子，使晶体表面的硼原子的价键处于饱和状态，因而在金刚石氧化温度下仍处于相对热稳定状态，温度至1500℃以上才会发生从立方氮化硼至六方氮化硼的相变。

金刚石和立方氮化硼晶体结构（图源:氮硼科技）

由于这种优异的热稳定性，立方氮化硼得以在高温环境中保持其硬度和结构的稳定性，减轻对材料及工具的热损伤，故可用于高温环境中材料的加工。

立方氮化硼磨料的大量应用结果表明，立方氮化硼在金属加工中具有硬度高、耐磨性好、使用寿命长等优点，其金属去除率是金刚石的10倍，且有效地降低了加工成本，经济效益显著。

金刚石、立方氮化硼磨料怎么选择？

在选择金刚石磨料和立方氮化硼磨料时，需要考虑工件的材料类型、硬度、是否含有铁系元素以及砂轮的预期使用转速等多种因素。金刚石磨料通常适用于非铁系材料，如硬质合金、玻璃、陶瓷等，而立方氮化硼磨料特别适合铁系金属材料的加工，如工具钢和高速钢。此外，对于表面光洁度的要求程度以及成本，也是选择磨料的重要考量因素。金刚石磨料与立方氮化硼磨料的部分指标对比如下：

我国立方氮化硼发展现状

1966年，我国第一颗立方氮化硼在郑州磨料磨具磨削研究所（简称郑州三磨所）研制成功；1988年，河南富耐克超硬材料有限公司成功合成了中国第一颗高品级立方氮化硼磨料；虽然在2000年，我国立方氮化硼产量位居世界第一，但存在盘子大而不精的问题。2012年之前，国内立方氮化硼的开发和应用尚处于成长阶段，综合原因是立方氮化硼磨料作为一种新材料，客户认知度不高，市场推广较为缓慢，而且立方氮化硼磨料制备技术门槛高，制约了立方氮化硼磨料市场的发展。2012年之后，随着立方氮化硼磨具在汽车、航空航天、轴承、齿轮等领域的应用，其优异的加工特性及稳定性得到了机械加工行业的认可，立方氮化硼磨料的核心生产技术突破了突破，立方氮化硼磨料行业进入快速发展期。

郑州三磨所（图源：中原工学院学报）

我国立方氮化硼磨料在产能方面保持稳步增长态势的同时，其品质也在不断提升。从最开始的模仿到如今的自主研发、掌握核心技术，我国立方氮化硼磨料的品质取得了跨越式的发展。

目前，我国立方氮化硼企业开发了多种类型的磨料产品，从颜色上可分为黑色、棕色、琥珀色等，从晶体强度上又可分为高强、高韧以及一般脆性产品。以国内企业河南富耐克超硬材料股份有限公司、中南杰特超硬材料有限公司为例，立方氮化硼磨料品种和数量已多于国外公司，并能根据客户的需求实现定制，经过近60年的发展，我国立方氮化硼磨料无论从合成技术、产品品种、生产能力还是产量，都已成为立方氮化硼磨料的制造大国。

黑色、棕黑色、金黄色、琥珀色立方氮化硼磨料（图源：富耐克超硬材料）

立方氮化硼磨料的应用

与金刚石磨料相比，立方氮化硼在铁系材料加工方面具有耐热性以及化学惰性的优势；与普通磨料相比，立方氮化硼磨料能够严格控制工件的形状和尺寸精度，具有更高的磨削效率，且磨料的生产过程中在能源消耗和环境污染方面也具有优势，因此，立方氮化硼磨料在机械加工业中得到了广泛的应用：如高速钢，特别是钒合金钢，钴合金钢、特种高速钢刀具的刃磨和粗磨；由耐热钢、不锈钢和高硬度的合金结构钢制成的精密零件的精磨和终磨；大型机床导轨，高精度机床丝杠等精密工件的精磨和终磨；在自动和半自动机床上大批量生产的仪表等工件的精磨和终磨等。

未来，随着制备技术的进一步精进，立方氮化硼将不断拓展应用场景，推动制造业的革新发展。

参考来源：

[1]张旺玺等，基于河南省超硬材料产业现状对产教融合和校企合作的分析；

[2]孔帅斐等，国内立方氮化硼产业发展现状简述；

[3]王光祖，立方氮化硼（CBN）特性综述；

[4]王光祖，超硬材料制造与应用技术；

[5]中国粉体网、氮硼科技官微

（中国粉体网编辑整理/梧桐）

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