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(chǎn)量、cBN大單品等現(xiàn)狀進行了分析，對我國高品質(zhì)cBN單晶的現(xiàn)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(fā)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(fā)現(xiàn)。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(xié)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(zhì)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(zhì)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(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穩(wěn)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(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，則順應著現(xiàn)代加工技術的迅猛發(fā)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(jié)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(chǎn)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(jīng)過20年的發(fā)展我國cBN單晶產(chǎn)品有了較快的發(fā)展。這主要得益于研發(fā)投入特別是對觸媒的開發(fā)研究。我國cBN單晶材料經(jīng)過近50年的發(fā)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(chǎn)品品種、生產(chǎn)能力還是生產(chǎn)量、市場占有等諸方面都已成為cBN的生產(chǎn)大國，且正在成為CBN的生產(chǎn)強國。

　　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單晶合成中得到應用。

　　3、 觸媒及合成機理研究
　　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。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：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)上通常會把它們混合或者重新制備成復合物做觸媒使用，經(jīng)過多年研究及實踐開發(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(chǎn)廠家對其采用的觸媒成分秘而不宣。
最近幾年，國內(nèi)研究機構(gòu)對有關觸媒和合成機理的新研究相對較少。見諸發(fā)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(zhuǎn)變及生長環(huán)境，hBN反應前后的形貌變化，以及對cBN生長的作用。

　　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cBN產(chǎn)量超過百萬克拉，進入快速發(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)步增長勢頭。最近5年，cBN產(chǎn)量除2009年因全球金融危機有所下滑外，保持連續(xù)增長。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cBN產(chǎn)量繼續(xù)保持穩(wěn)步，據(jù)中國機床工具協(xié)會超硬材料分會統(tǒng)計，2012年我國cBN產(chǎn)量為3.8億克拉，2013年我國cBN產(chǎn)量達到43億克拉。

　　4.2高品質(zhì)cBN品種齊全
　　隨著我國cBN合成技術的進步，產(chǎn)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(chǎn)品研發(fā)形成同類產(chǎn)品到現(xiàn)在可根據(jù)國內(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;從晶體強度方面又可分為高強高韌產(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(jié)合國內(nèi)外市場需求，推出了廣受市場歡迎的高品質(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的優(yōu)點，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(chǎn)品體系。目前我國cBN單晶產(chǎn)品體系比較完善，而且產(chǎn)品性能、價格及供貨等占有一定優(yōu)勢，所以有望進一步得到發(fā)展。
我國高品質(zhì)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(jié)合劑的結(jié)合，改善磨料的熱穩(wěn)定性，對cBN磨料表面進行鍍層處理，分別鍍鎳、鍍鈦?；瘜W鍍鎳cBN產(chǎn)品呈現(xiàn)快速增長勢頭。
作為派生品種，我國cBN鍍覆產(chǎn)品發(fā)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(zhì)cBN微粉
　　近年來我國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，另一方面和我國PcBN發(fā)展迅速，特別是整體PcBN聚晶的快速增長，帶來高品質(zhì)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(chǎn)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(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(fā)展和應用。
鄭州中南杰特公司以承擔鄭州市創(chuàng)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(jié)構(gòu);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(tǒng);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(xù)進行了真空紫外光電探測器、非線性光學材料、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
目前我國已經(jīng)無可置疑地成為超硬材料cBN大國，但要成為真正的cBN生產(chǎn)強國還需國內(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(chǎn)量占全球60%以上，說明我國產(chǎn)品售價低。今后要提高高品級cBN的生產(chǎn)比例，提高產(chǎn)品附加值。

　　6.2國家CBN標準嚴重滯后
　　我們現(xiàn)在的cBN基本品種加上派生品種已達到數(shù)10種，但目前國家標準cBN品種只有4個，遠遠低于實際產(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、驗收的不便，急需擴展我國CBN產(chǎn)品標準系列。

　　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(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，獲得更好的零部件表面光潔度、結(jié)構(gòu)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(tǒng)磨料砂輪。
cBN產(chǎn)品最大宗的應用是在制造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%)砂輪使用壽命長等優(yōu)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(jù)不完全統(tǒng)計目前國內(nèi)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(fā)，cBN單晶形狀不規(guī)則、尺寸小等嚴重限制cBN晶體的基礎性質(zhì)研究和應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(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，這也帶動了cBN單晶生產(chǎn)量的穩(wěn)定增加。
綜上所述我國CBN發(fā)展前景將持續(xù)向好。