摘要：近年來隨著我國(guó)cBN應(yīng)用的推廣以及cBN出口量的增長(zhǎng)，鞏固了我國(guó)cBN大國(guó)地位，并向cBN強(qiáng)國(guó)邁進(jìn).本文通過對(duì)我國(guó)合成cBN的原材料、觸媒研究、品種產(chǎn)量、cBN大單品等現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對(duì)我國(guó)高品質(zhì)cBN單晶的現(xiàn)狀及取得的新進(jìn)展進(jìn)行了分析評(píng)述，進(jìn)而探討了我國(guó)CBN的發(fā)展前景。
　　關(guān)鍵詞：cBN;單晶;合成;觸媒

　　1、 前言
　　在1957年，美國(guó)研究人員采用用人工方法在高溫高壓條件下首次合成了cBN，但天然的cBN一直未被發(fā)現(xiàn)。多年來人們一直認(rèn)為cBN是一種人工合成的超硬材料。然而2013年的一則科技消息改變了這種認(rèn)識(shí)：國(guó)際礦物學(xué)協(xié)會(huì)正式承認(rèn)了一種新的礦物cBN，其由美國(guó)、中國(guó)和德國(guó)的地質(zhì)學(xué)家組成的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)于2009年在自然界中找到，并以我國(guó)地質(zhì)科學(xué)家方青松的名字命名為青松礦(qingsongite)，在cBN材料不足50年的發(fā)展歷史上又添寫了神奇的一筆。
　　cBN以其高硬度、高耐磨性、良好的耐熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性，作為超級(jí)磨料被制成磨具和切削工具，被廣泛應(yīng)用于加工各種黑色金屬材料及合金，以及難加工材料而給機(jī)械工業(yè)帶來了革命性的變化。
　　由cBN的為原料制造的刀具和高速砂輪，則順應(yīng)著現(xiàn)代加工技術(shù)的迅猛發(fā)展而受到人們前所未有的關(guān)注，應(yīng)用推廣進(jìn)展很快。此外，近年來，隨著cBN高溫p-n結(jié)的研究，作為一種潛在的功能材料，cBN的高溫半導(dǎo)體特性、壓電特性和高頻特性更加引人注目。研究cBN的特性、擴(kuò)大cBN產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題。
　　從20世紀(jì)90年代至今，經(jīng)過20年的發(fā)展我國(guó)cBN單晶產(chǎn)品有了較快的發(fā)展。這主要得益于研發(fā)投入特別是對(duì)觸媒的開發(fā)研究。我國(guó)cBN單晶材料經(jīng)過近50年的發(fā)展，取得長(zhǎng)足進(jìn)步，目前在cBN單晶磨料方面無論從合成技術(shù)、產(chǎn)品品種、生產(chǎn)能力還是生產(chǎn)量、市場(chǎng)占有等諸方面都已成為cBN的生產(chǎn)大國(guó)，且正在成為CBN的生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)。

　　2、 合成cBN用原材料hBN的現(xiàn)狀
　　自從Wentorf第一次合成出cBN以來，hBN一直是工業(yè)超高壓合成cBN的原材料。國(guó)內(nèi)目前主要采用的是硼砂-尿素法、硼砂-氯化銨法、硼砂-三聚氰胺法制取hBN。這些方法存在高污染、產(chǎn)品低結(jié)晶和低純度問題。
　　近年來隨著節(jié)能降耗、減少排放的要求，有廠家借鑒國(guó)外生產(chǎn)工藝，開發(fā)了綠色、高效合成hBN的新工藝方法：采用中頻高溫爐加熱到1600～2000℃(見圖1)，反應(yīng)溫度比傳統(tǒng)方法提高了500℃以上。以硼酸和三聚氰胺為原料合成高品質(zhì)hBN(見圖2)。
　　3H3BO3+C3N3(NH2)3=3BN+3CO2+3NH3+3H2O 　　該方法合成高效，結(jié)晶良好，純度高，產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率高，排放少且易治理，國(guó)內(nèi)已有工廠投入批量生產(chǎn)，可望在優(yōu)質(zhì)cBN單晶合成中得到應(yīng)用。

　　3、 觸媒及合成機(jī)理研究
　　合成cBN的觸媒種類繁多，工業(yè)合成cBN主要使用的觸媒是堿金屬或堿土金屬的單質(zhì)、氮化物和硼氮化合物等。如鋰、氮化鋰(Li3N)硼氮化鋰(Li3BN2);鎂、氮化鎂(Mg3N2)、硼氮化鎂(Mg3B2N4);鈣、氮化鈣(Ca3N2)、硼氮化鈣(Ca3B2N4)等。采用單質(zhì)觸媒難以合成出高品質(zhì)的cBN，已成為業(yè)界共識(shí)。要合成高品質(zhì)cBN，必須采用兩元以上化合物觸媒。
　　由于不同觸媒各自有其特點(diǎn)：如合成壓力和溫度不同;cBN晶體晶形、缺陷和粒度大小不同;合成的cBN顏色不同;觸媒某本身的穩(wěn)定性不同等原因。生產(chǎn)上通常會(huì)把它們混合或者重新制備成復(fù)合物做觸媒使用，經(jīng)過多年研究及實(shí)踐開發(fā)出了適合黑色、琥珀色、棕色等多種色澤cBN晶體合成的觸媒。目前，我國(guó)已形成能合成顏色由淺黃、黃、橘紅、棕色和黑色;韌性等級(jí)由脆性、中等韌性到高韌性cBN的系列觸媒體系。
　　由于觸媒技術(shù)是cBN合成的核心技術(shù)，各生產(chǎn)廠家對(duì)其采用的觸媒成分秘而不宣。
　　最近幾年，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對(duì)有關(guān)觸媒和合成機(jī)理的新研究相對(duì)較少。見諸發(fā)表的有山東大學(xué)、山東建筑大學(xué)等開展的對(duì)Li3N-HBN體系合成機(jī)理及相關(guān)研究。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)對(duì)合成塊中cBN/觸媒界面、cBN單晶表面及合成前后hBN的組織形貌進(jìn)行了分析，探討cBN單晶的轉(zhuǎn)變及生長(zhǎng)環(huán)境，hBN反應(yīng)前后的形貌變化，以及對(duì)cBN生長(zhǎng)的作用。

　　4、 cBN工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀
　　4.1產(chǎn)量持續(xù)提高
　　從1995年我國(guó)cBN產(chǎn)量超過百萬克拉，進(jìn)入快速發(fā)展軌道，1999年突破千萬克拉，2002年突破一億克拉。近10年的發(fā)展，基本上還是保持了穩(wěn)步增長(zhǎng)勢(shì)頭。最近5年，cBN產(chǎn)量除2009年因全球金融危機(jī)有所下滑外，保持連續(xù)增長(zhǎng)。2010年產(chǎn)量為3.05億克拉，占全球總產(chǎn)量的60%。近幾年，我國(guó)cBN產(chǎn)量繼續(xù)保持穩(wěn)步，據(jù)中國(guó)機(jī)床工具協(xié)會(huì)超硬材料分會(huì)統(tǒng)計(jì)，2012年我國(guó)cBN產(chǎn)量為3.8億克拉，2013年我國(guó)cBN產(chǎn)量達(dá)到43億克拉。

　　4.2高品質(zhì)cBN品種齊全
　　隨著我國(guó)cBN合成技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品品種不斷增加，從10年前瞄準(zhǔn)國(guó)際公司如E6公司(前戴比爾斯公司)和DI公司(前GE公司)的產(chǎn)品研發(fā)形成同類產(chǎn)品到現(xiàn)在可根據(jù)國(guó)內(nèi)外客戶要求開發(fā)定制新品種。從顏色方面可分為黑色、棕色、琥珀色等，它們又有透明與不透明之分;從晶體強(qiáng)度方面又可分為高強(qiáng)高韌產(chǎn)品和一般產(chǎn)品;從晶體形態(tài)上分，有完整類球形晶體，不完整晶體及片狀晶體等。
　　所謂高品質(zhì)cBN單晶，不只是原來認(rèn)知的高韌性或者高強(qiáng)度cBN單晶，還指在磨削削加工中具有不同特點(diǎn)、不同應(yīng)用的高效、長(zhǎng)壽命的cBN單晶。近年來，我國(guó)cBN廠家結(jié)合國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求，推出了廣受市場(chǎng)歡迎的高品質(zhì)cBN單晶品種，以鄭州中南杰特超硬材料有限公司的產(chǎn)品為例，除傳統(tǒng)的琥珀色和黑色cBN產(chǎn)品外，還有：
　　(1)高韌性cBN230產(chǎn)品。該產(chǎn)品呈金黃色，具有最高的沖擊韌性和高溫沖擊韌性，應(yīng)用于單層工具電鍍和釬焊工具中，在航天材料加工中取得很好的效果。
　　(2)cBN280系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品為棕色，具有較高的沖擊韌性，晶型呈板塊狀，兼顧了鋒利和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，在陶瓷結(jié)合劑砂輪加工汽車部件方面效果優(yōu)異。
　　(3)cBN116產(chǎn)品。該產(chǎn)品為黑色脆性磨料，顆粒破碎特性為微破碎，在樹脂及陶瓷結(jié)合劑砂輪應(yīng)用中，加工鋒利，加工鋒利，磨削效率高。
　　同時(shí)可供粒度更粗，一些品種的可供粒度達(dá)20/30，從400/500到20/30形成了種類齊進(jìn)全能夠滿足不同使用要求的系列化cBN單晶產(chǎn)品體系。目前我國(guó)cBN單晶產(chǎn)品體系比較完善，而且產(chǎn)品性能、價(jià)格及供貨等占有一定優(yōu)勢(shì)，所以有望進(jìn)一步得到發(fā)展。
　　我國(guó)高品質(zhì)cBN單晶以出色的性價(jià)比得到國(guó)際市場(chǎng)的認(rèn)可，出口量逐年遞增。有些廠家出囗占比超過50%。

　　4.3鍍覆cBN品種快速增長(zhǎng)
　　為了改善cBN磨料與結(jié)合劑的結(jié)合，改善磨料的熱穩(wěn)定性，對(duì)cBN磨料表面進(jìn)行鍍層處理，分別鍍鎳、鍍鈦?；瘜W(xué)鍍鎳cBN產(chǎn)品呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)勢(shì)頭。
　　作為派生品種，我國(guó)cBN鍍覆產(chǎn)品發(fā)展也很快，幾個(gè)大公司都有自主加工的鍍鎳和鍍鈦牌號(hào)。

　　4.4高品質(zhì)cBN微粉
　　近年來我國(guó)cBN微粉的產(chǎn)量和使用量逐年提高，這一方面是由于隨著精密加工用cBN樹脂結(jié)合劑、陶瓷結(jié)合劑、金屬結(jié)合劑制品增長(zhǎng)，另一方面和我國(guó)PcBN發(fā)展迅速，特別是整體PcBN聚晶的快速增長(zhǎng)，帶來高品質(zhì)cBN微粉需求的快速增長(zhǎng)。

　　5、 大顆粒cBN單晶的進(jìn)展
　　同近幾年開展得如火如荼的金剛石大單晶研究及生產(chǎn)不同，cBN大單晶的研究則波瀾不興。
　　張鐵臣認(rèn)為cBN大晶體在光電器件方面應(yīng)用的研究有著重要的意義。但是，由于cBN單晶尺寸的限制，很多工作尚無法進(jìn)行，因此，合成高質(zhì)量、大尺寸、形狀規(guī)則的cBN單晶仍然是亟待解決的問題。
　　郭增印等指出制備大尺寸、高品質(zhì)的cBN單晶存在的問題，比如原料提純及觸媒的選擇及純度的控制、反應(yīng)腔體溫度的精確控制、縮短反應(yīng)時(shí)間等方面將有望得以解決，這將促進(jìn)CBN大單晶的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。
　　鄭州中南杰特公司以承擔(dān)鄭州市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目為契機(jī)開展cBN大單晶的研究，通過以下研究：cBN生長(zhǎng)原料及提純技術(shù)研究;新型復(fù)合型觸媒制備技術(shù)研究;設(shè)計(jì)大顆粒cBN晶體成核與生長(zhǎng)的高壓腔體結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)改進(jìn)大顆粒cBN晶體生長(zhǎng)大的超高壓高溫檢測(cè)與控制系統(tǒng);cBN的成核與生長(zhǎng)以及CBN合成工藝技術(shù)研究。
　　目前已取得重要進(jìn)展，完整晶體邊達(dá)到1mm以上(見圖3和圖4)。 　　透度較好的0.5-0.6mm的CBN210型單晶已提供給吉林大學(xué)，陸續(xù)進(jìn)行了真空紫外光電探測(cè)器、非線性光學(xué)材料、深紫外發(fā)光器件等研究，都取得得了比較理想的結(jié)果，如圖5和圖6所示。 　　6、 存在問題
　　目前我國(guó)已經(jīng)無可置疑地成為超硬材料cBN大國(guó)，但要成為真正的cBN生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)還需國(guó)內(nèi)同仁的共同努力。

　　6.1品牌附加值不高
　　2012年，cBN磨料的全球市場(chǎng)需求將達(dá)到1.94億美元。中國(guó)cBN磨料的年銷銷售收入按4000萬美元估算.占不足21%，而我們的產(chǎn)量占全球60%以上，說明我國(guó)產(chǎn)品售價(jià)低。今后要提高高品級(jí)cBN的生產(chǎn)比例，提高產(chǎn)品附加值。

　　6.2國(guó)家CBN標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重滯后
　　我們現(xiàn)在的cBN基本品種加上派生品種已達(dá)到數(shù)10種，但目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)cBN品種只有4個(gè)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際產(chǎn)品品種數(shù)量，已造成磨料生產(chǎn)廠家與砂輪制造商溝通、驗(yàn)收的不便，急需擴(kuò)展我國(guó)CBN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)系列。

　　7、 結(jié)語
　　《全球行業(yè)分析》發(fā)表的“全球戰(zhàn)略業(yè)務(wù)報(bào)告：cBN磨料”指出，cBN正成為大部分磨削加工的首選磨料，因?yàn)樗兄讷@得精確的幾何形狀和尺寸、更好的表面光潔度和表面完整性，以及縮短加工時(shí)間。由于它非常適合在數(shù)控磨床上使用因此其用量正在不斷增加。為了充分利用cBN磨削的優(yōu)勢(shì)，獲得更好的零部件表面光潔度、結(jié)構(gòu)完整性和更長(zhǎng)的使用壽命，越來越多的汽車制造商已選用cBN砂輪來替代傳統(tǒng)磨料砂輪。
　　cBN產(chǎn)品最大宗的應(yīng)用是在制造cBN砂輪方面，在cBN砂輪的4種結(jié)合劑(樹脂、陶瓷、金屬、電鍍)中，以陶瓷結(jié)合劑的cBN磨具發(fā)展最快。在世界范圍內(nèi)，陶瓷cBN磨具的比例已由20世紀(jì)80年代的4%上升到現(xiàn)在的50%以上，增速迅猛。由于陶瓷cBN磨具具有磨削效率高、形狀保持性好、耐用度高、易于修整、磨料利用率高(為75%以上，其余類型結(jié)合劑為50%～60%)砂輪使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，因而成為高效、高精度磨削的首選磨具，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋汽車、航空航天、油泵油嘴、壓縮機(jī)等。近年來，cBN應(yīng)用推廣取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，使用廠家增加很快，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)目前國(guó)內(nèi)使用的單晶的大小廠家在500家以上，單個(gè)廠家使用最多在400萬克拉以上。
　　隨著cBN大單晶的研究開發(fā)，cBN單晶形狀不規(guī)則、尺寸小等嚴(yán)重限制cBN晶體的基礎(chǔ)性質(zhì)研究和應(yīng)用的狀況將得以改變。一方面，大尺寸的優(yōu)質(zhì)cBN單晶制備性能優(yōu)異的單晶刀具;另一方面在功能材料研究方面，由于大尺寸的cBN單晶是研究其熱、電、光等基本性質(zhì)所必需的，同時(shí)也是制備熱沉、高溫半導(dǎo)體器件乃至特殊光學(xué)器件所必需的。
　　再者國(guó)內(nèi)PcBN刀具經(jīng)歷了多年的發(fā)展，目前已形成一定的規(guī)模，尤其是整體PcBN刀具快速發(fā)展帶動(dòng)cBN微粉使用量的大幅增加，幾家生產(chǎn)出cBN單晶的廠家不同程度地加入合成整體PcBN的行列，這也帶動(dòng)了cBN單晶生產(chǎn)量的穩(wěn)定增加。
　　綜上所述我國(guó)CBN發(fā)展前景將持續(xù)向好。