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　　摘要：近年來隨著我國cBN應用的推廣以及cBN出口量的增長，鞏固了我國cBN大國地位，并向cBN強國邁進.本文通過對我國合成cBN的原材料、觸媒研究、品種產量、cBN大單品等現狀進行了分析，對我國高品質cBN單晶的現狀及取得的新進展進行了分析評述，進而探討了我國CBN的發展前景。
　　關鍵詞：cBN;單晶;合成;觸媒

　　1、 前言
　　在1957年，美國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一直未被發現。多年來人們一直認為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識：國際礦物學協會正式承認了一種新的礦物cBN，其由美國、中國和德國的地質學家組成的國際研究團隊于2009年在自然界中找到，并以我國地質科學家方青松的名字命名為青松礦(qingsongite)，在cBN材料不足50年的發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穩定性，作為超級磨料被制成磨具和切削工具，被廣泛應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械工業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，則順應著現代加工技術的迅猛發展而受到人們前所未有的關注，應用推廣進展很快。此外，近年來，隨著cBN高溫p-n結的研究，作為一種潛在的功能材料，cBN的高溫半導體特性、壓電特性和高頻特性更加引人注目。研究cBN的特性、擴大cBN產品的應用領域成為人們關注的熱點問題。
　　從20世紀90年代至今，經過20年的發展我國cBN單晶產品有了較快的發展。這主要得益于研發投入特別是對觸媒的開發研究。我國cBN單晶材料經過近50年的發展，取得長足進步，目前在cBN單晶磨料方面無論從合成技術、產品品種、生產能力還是生產量、市場占有等諸方面都已成為cBN的生產大國，且正在成為CBN的生產強國。

　　2、 合成cBN用原材料hBN的現狀
　　自從Wentorf第一次合成出cBN以來，hBN一直是工業超高壓合成cBN的原材料。國內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、產品低結晶和低純度問題。
　　近年來隨著節能降耗、減少排放的要求，有廠家借鑒國外生產工藝，開發了綠色、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)，反應溫度比傳統方法提高了500℃以上。以硼酸和三聚氰胺為原料合成高品質hBN(見圖2)。
　　3H3BO3+C3N3(NH2)3=3BN+3CO2+3NH3+3H2O 　　該方法合成高效，結晶良好，純度高，產品轉化率高，排放少且易治理，國內已有工廠投入批量生產，可望在優質cBN單晶合成中得到應用。

　　3、 觸媒及合成機理研究
　　合成cBN的觸媒種類繁多，工業合成cBN主要使用的觸媒是堿金屬或堿土金屬的單質、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。采用單質觸媒難以合成出高品質的cBN，已成為業界共識。要合成高品質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：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;觸媒某本身的穩定性不同等原因。生產上通常會把它們混合或者重新制備成復合物做觸媒使用，經過多年研究及實踐開發出了適合黑色、琥珀色、棕色等多種色澤cBN晶體合成的觸媒。目前，我國已形成能合成顏色由淺黃、黃、橘紅、棕色和黑色;韌性等級由脆性、中等韌性到高韌性cBN的系列觸媒體系。
　　由于觸媒技術是cBN合成的核心技術，各生產廠家對其采用的觸媒成分秘而不宣。
　　最近幾年，國內研究機構對有關觸媒和合成機理的新研究相對較少。見諸發表的有山東大學、山東建筑大學等開展的對Li3N-HBN體系合成機理及相關研究。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)對合成塊中cBN/觸媒界面、cBN單晶表面及合成前后hBN的組織形貌進行了分析，探討cBN單晶的轉變及生長環境，hBN反應前后的形貌變化，以及對cBN生長的作用。

　　4、 cBN工業生產現狀
　　4.1產量持續提高
　　從1995年我國cBN產量超過百萬克拉，進入快速發展軌道，1999年突破千萬克拉，2002年突破一億克拉。近10年的發展，基本上還是保持了穩步增長勢頭。最近5年，cBN產量除2009年因全球金融危機有所下滑外，保持連續增長。2010年產量為3.05億克拉，占全球總產量的60%。近幾年，我國cBN產量繼續保持穩步，據中國機床工具協會超硬材料分會統計，2012年我國cBN產量為3.8億克拉，2013年我國cBN產量達到43億克拉。

　　4.2高品質cBN品種齊全
　　隨著我國cBN合成技術的進步，產品品種不斷增加，從10年前瞄準國際公司如E6公司(前戴比爾斯公司)和DI公司(前GE公司)的產品研發形成同類產品到現在可根據國內外客戶要求開發定制新品種。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;從晶體強度方面又可分為高強高韌產品和一般產品;從晶體形態上分，有完整類球形晶體，不完整晶體及片狀晶體等。
　　所謂高品質cBN單晶，不只是原來認知的高韌性或者高強度cBN單晶，還指在磨削削加工中具有不同特點、不同應用的高效、長壽命的cBN單晶。近年來，我國cBN廠家結合國內外市場需求，推出了廣受市場歡迎的高品質cBN單晶品種，以鄭州中南杰特超硬材料有限公司的產品為例，除傳統的琥珀色和黑色cBN產品外，還有：
　　(1)高韌性cBN230產品。該產品呈金黃色，具有最高的沖擊韌性和高溫沖擊韌性，應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系列產品。該產品為棕色，具有較高的沖擊韌性，晶型呈板塊狀，兼顧了鋒利和壽命長的優點，在陶瓷結合劑砂輪加工汽車部件方面效果優異。
　　(3)cBN116產品。該產品為黑色脆性磨料，顆粒破碎特性為微破碎，在樹脂及陶瓷結合劑砂輪應用中，加工鋒利，加工鋒利，磨削效率高。
　　同時可供粒度更粗，一些品種的可供粒度達20/30，從400/500到20/30形成了種類齊進全能夠滿足不同使用要求的系列化cBN單晶產品體系。目前我國cBN單晶產品體系比較完善，而且產品性能、價格及供貨等占有一定優勢，所以有望進一步得到發展。
　　我國高品質cBN單晶以出色的性價比得到國際市場的認可，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
　　為了改善cBN磨料與結合劑的結合，改善磨料的熱穩定性，對cBN磨料表面進行鍍層處理，分別鍍鎳、鍍鈦。化學鍍鎳cBN產品呈現快速增長勢頭。
　　作為派生品種，我國cBN鍍覆產品發展也很快，幾個大公司都有自主加工的鍍鎳和鍍鈦牌號。

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

　　5、 大顆粒cBN單晶的進展
　　同近幾年開展得如火如荼的金剛石大單晶研究及生產不同，cBN大單晶的研究則波瀾不興。
　　張鐵臣認為cBN大晶體在光電器件方面應用的研究有著重要的意義。但是，由于cBN單晶尺寸的限制，很多工作尚無法進行，因此，合成高質量、大尺寸、形狀規則的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、反應腔體溫度的精確控制、縮短反應時間等方面將有望得以解決，這將促進CBN大單晶的進一步發展和應用。
　　鄭州中南杰特公司以承擔鄭州市創新團隊項目為契機開展cBN大單晶的研究，通過以下研究：cBN生長原料及提純技術研究;新型復合型觸媒制備技術研究;設計大顆粒cBN晶體成核與生長的高壓腔體結構;設計改進大顆粒cBN晶體生長大的超高壓高溫檢測與控制系統;cBN的成核與生長以及CBN合成工藝技術研究。
　　目前已取得重要進展，完整晶體邊達到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，陸續進行了真空紫外光電探測器、非線性光學材料、深紫外發光器件等研究，都取得得了比較理想的結果，如圖5和圖6所示。 　　6、 存在問題
　　目前我國已經無可置疑地成為超硬材料cBN大國，但要成為真正的cBN生產強國還需國內同仁的共同努力。

　　6.1品牌附加值不高
　　2012年，cBN磨料的全球市場需求將達到1.94億美元。中國cBN磨料的年銷銷售收入按4000萬美元估算.占不足21%，而我們的產量占全球60%以上，說明我國產品售價低。今后要提高高品級cBN的生產比例，提高產品附加值。

　　6.2國家CBN標準嚴重滯后
　　我們現在的cBN基本品種加上派生品種已達到數10種，但目前國家標準cBN品種只有4個，遠遠低于實際產品品種數量，已造成磨料生產廠家與砂輪制造商溝通、驗收的不便，急需擴展我國CBN產品標準系列。

　　7、 結語
　　《全球行業分析》發表的“全球戰略業務報告：cBN磨料”指出，cBN正成為大部分磨削加工的首選磨料，因為它有助于獲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，以及縮短加工時間。由于它非常適合在數控磨床上使用因此其用量正在不斷增加。為了充分利用cBN磨削的優勢，獲得更好的零部件表面光潔度、結構完整性和更長的使用壽命，越來越多的汽車制造商已選用cBN砂輪來替代傳統磨料砂輪。
　　cBN產品最大宗的應用是在制造cBN砂輪方面，在cBN砂輪的4種結合劑(樹脂、陶瓷、金屬、電鍍)中，以陶瓷結合劑的cBN磨具發展最快。在世界范圍內，陶瓷cBN磨具的比例已由20世紀80年代的4%上升到現在的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，其余類型結合劑為50%～60%)砂輪使用壽命長等優勢，因而成為高效、高精度磨削的首選磨具，應用領域涵蓋汽車、航空航天、油泵油嘴、壓縮機等。近年來，cBN應用推廣取得了長足進步，使用廠家增加很快，據不完全統計目前國內使用的單晶的大小廠家在500家以上，單個廠家使用最多在400萬克拉以上。
　　隨著cBN大單晶的研究開發，cBN單晶形狀不規則、尺寸小等嚴重限制cBN晶體的基礎性質研究和應用的狀況將得以改變。一方面，大尺寸的優質cBN單晶制備性能優異的單晶刀具;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、光等基本性質所必需的，同時也是制備熱沉、高溫半導體器件乃至特殊光學器件所必需的。
　　再者國內PcBN刀具經歷了多年的發展，目前已形成一定的規模，尤其是整體PcBN刀具快速發展帶動cBN微粉使用量的大幅增加，幾家生產出cBN單晶的廠家不同程度地加入合成整體PcBN的行列，這也帶動了cBN單晶生產量的穩定增加。
　　綜上所述我國CBN發展前景將持續向好。