孔帥斐, 栗正新

(河南工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，鄭州 450007)

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國(guó)內(nèi)立方氮化硼產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀簡(jiǎn)述

孔帥斐, 栗正新

(河南工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，鄭州 450007)

從立方氮化硼磨料、刀具及相關(guān)企業(yè)三個(gè)方面分析了近年來(lái)我國(guó)立方氮化硼產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r。我國(guó)立方氮化硼磨料研究開(kāi)發(fā)和制造能力穩(wěn)步提高，已成為生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)；立方氮化硼刀具同樣取得了驕人的發(fā)展成績(jī)，但距離國(guó)際先進(jìn)水平尚有差距。文章還對(duì)立方氮化硼行業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

立方氮化硼；磨料；綜述；刀具；行業(yè)發(fā)展

1 前言

立方氮化硼(Cubic Boron Nitride, cBN), 硬度僅次于金剛石[1]。1957年美國(guó)的R.H.溫托夫首次合成了立方氮化硼。很長(zhǎng)一段時(shí)間立方氮化硼被認(rèn)為在自然界不存在，直至2009年美國(guó)加州大學(xué)河濱分校、勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家和來(lái)自中國(guó)、德國(guó)科研機(jī)構(gòu)的同行一起，在中國(guó)青藏高原南部山區(qū)地下約306公里深處古海洋地殼的富鉻巖內(nèi)找到了這種礦物，其在大約1300攝氏度高溫、118430個(gè)大氣壓的高壓條件下形成了晶體。該團(tuán)隊(duì)以中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所教授方青松的名字將新礦物命名為qingsongite。國(guó)際礦物學(xué)協(xié)會(huì)在2013年8月正式承認(rèn)了這是一種新的礦物——立方氮化硼。其原子結(jié)構(gòu)與金剛石中的碳原子結(jié)構(gòu)類似,因此它具有高密度的特性,硬度可媲美鉆石,常被用作磨料和刀具材料。cBN作為一種超硬材料，其硬度高(維氏顯微硬度達(dá)71540～98000MPa)[2]，耐磨性好，熱穩(wěn)定性高，在高溫下與鐵基金屬不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不僅可以加工多數(shù)難加工材料，而且加工效率高，質(zhì)量好。

2 我國(guó)cBN產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

到目前為止，主要應(yīng)用在機(jī)械加工工具，包括磨削工具、切削刀具等方面[4]。用以制備陶瓷結(jié)合劑cBN磨具、有機(jī)結(jié)合劑cBN磨具的主要磨粒是合成的cBN單晶和粉碎分選加工制備的微粉。制作刀具的是cBN聚晶，常用的制備工藝是以硬質(zhì)合金為基體通過(guò)高溫高壓和粘結(jié)劑把cBN微粉燒結(jié)成為聚晶體。

2.1 我國(guó)cBN磨料的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1 我國(guó)cBN磨料產(chǎn)能的發(fā)展

近5年來(lái)，cBN行業(yè)一直保持連續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，特別是2014年cBN磨料總產(chǎn)量為5.70億克拉，產(chǎn)值4.10億元，達(dá)到了歷史新高，較之2010年有了明顯的上升[5]。2012年之前，國(guó)內(nèi)cBN的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用尚處于成長(zhǎng)階段，綜合原因是cBN磨料作為一種新材料，客戶對(duì)其認(rèn)知度不高，市場(chǎng)推廣較為緩慢，并且cBN磨料合成技術(shù)門(mén)檻高，制約了cBN磨料市場(chǎng)的發(fā)展。2012年后，隨著cBN磨具在汽車、航空航天、軸承、齒輪等領(lǐng)域的應(yīng)用，其優(yōu)異的加工特性及穩(wěn)定性得到了機(jī)械加工行業(yè)的認(rèn)可，cBN磨料的核心生產(chǎn)技術(shù)也取得了較大的突破，cBN磨料產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期。

2.1.2 cBN磨料品質(zhì)的發(fā)展

我國(guó)cBN磨料在產(chǎn)能方面穩(wěn)步增長(zhǎng)，與此同時(shí)cBN磨料的品質(zhì)也在不斷提升。從十多年前的模仿到如今的自主研發(fā)、掌握核心技術(shù)，我國(guó)cBN磨料的品質(zhì)取得了跨越式的發(fā)展。

目前，我國(guó)生產(chǎn)cBN的多個(gè)企業(yè)開(kāi)發(fā)了多種類型的產(chǎn)品，并且可以根據(jù)客戶需要定制產(chǎn)品[6]。cBN磨料從顏色上可分為黑色、棕色、琥珀色等，從晶體強(qiáng)度上又可分為高強(qiáng)、高韌以及一般脆性產(chǎn)品。以國(guó)內(nèi)企業(yè)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為例，基本品種和數(shù)量已多于國(guó)外公司。同時(shí)國(guó)產(chǎn)cBN磨料質(zhì)量有了很大提升。以河南富耐克超硬材料股份有限公司生產(chǎn)的cBN880、cBN980為例[7]，cBN880為黑色塊體，其熱穩(wěn)定性好，破碎強(qiáng)度高，兼顧了磨削效率和壽命，通常應(yīng)用于汽車行業(yè)零部件的精加工；cBN980為截?cái)嗨拿骟w形貌，具有特殊鋒利銳角，自銳性優(yōu)異，適用性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，被廣泛應(yīng)用于航空航天材料的超精加工。

我國(guó)cBN磨料產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)近50年的發(fā)展，取得長(zhǎng)足進(jìn)步，目前cBN單晶磨料無(wú)論從合成技術(shù)、產(chǎn)品品種、生產(chǎn)能力還是在生產(chǎn)量諸方面，都已成為cBN的生產(chǎn)大國(guó)和生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)。

2.2 我國(guó)PcBN刀具的發(fā)展現(xiàn)狀

PcBN刀具材料是將cBN微粉和粘結(jié)劑按照一定比例混合后在高溫高壓下燒結(jié)而成的聚晶體。PcBN克服了單晶立方氮化硼各向異性的缺點(diǎn)，使cBN獲得了更為廣闊的工業(yè)應(yīng)用空間。隨著我國(guó)立方氮化硼技術(shù)的不斷完善及立方氮化硼刀具產(chǎn)品的性價(jià)比不斷提升，滿足高速、高效和高精切削加工的PcBN刀具替代硬質(zhì)合金等普通刀具的發(fā)展趨勢(shì)已不可逆轉(zhuǎn)，2014年國(guó)內(nèi)PcBN刀具產(chǎn)量達(dá)到13億元，成為歷史新高，迎來(lái)了一個(gè)迅速發(fā)展的階段。

國(guó)內(nèi)高端超硬刀具仍然依賴進(jìn)口。圖1是2011～2014年國(guó)內(nèi)刀具市場(chǎng)規(guī)模及進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)刀具所占份額圖[8]。從圖中可以看出，近三年受到國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)整體發(fā)展放緩的影響，刀具市場(chǎng)發(fā)展緩慢，較之2011年國(guó)內(nèi)刀具市場(chǎng)規(guī)模400億有了明顯的下降，但是根據(jù)中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)超硬材料分會(huì)最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，超硬刀具2014年總產(chǎn)值約13億元，僅占我國(guó)刀具總消費(fèi)額的3.8%，但刀具進(jìn)口份額所占比例卻沒(méi)有下降，反而有上升趨勢(shì)。因此，我國(guó)超硬刀具行業(yè)發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。

圖1 2012-2014年國(guó)內(nèi)刀具市場(chǎng)規(guī)模及進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)刀具所占份額(億元)Fig.1 Market size of cutting tool in China and the portio of imported and domestic cutting tool from 2012 to 2014

2.3 cBN磨料與刀具企業(yè)發(fā)展?fàn)顩r

經(jīng)過(guò)了幾年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)大部分cBN磨料及刀具企業(yè)在關(guān)鍵技術(shù)方面取得了一定程度的突破，在產(chǎn)品性能、品牌、技術(shù)研發(fā)方面與國(guó)際大公司的差距在不斷縮小，但在PcBN的制造生產(chǎn)方面，其磨耗比、沖擊韌性和熱穩(wěn)定性，尤其是在產(chǎn)品質(zhì)量一致性方面，與國(guó)外知名企業(yè)相比還有較大的差距。鄭州鉆石精密制造有限公司采用進(jìn)口PcBN制造的超硬刀具在汽車、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，有些產(chǎn)品達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。國(guó)內(nèi)有的企業(yè)有完整的產(chǎn)品鏈，包括cBN合成、cBN微粉加工、PcBN合成和PcBN刀具產(chǎn)品，目前為止國(guó)內(nèi)這樣的企業(yè)有河南富耐克超硬材料股份有限公司、鄭州中南杰特超硬材料有限公司、鄭州博特硬質(zhì)材料有限公司等。其中河南富耐克超硬材料股份有限公司是國(guó)內(nèi)最大的立方氮化硼磨料和刀具生產(chǎn)企業(yè)，擁有從“原材料—輔助材料—超硬磨料—超硬刀具”產(chǎn)品鏈，其生產(chǎn)的部分磨料和刀具質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

3 cBN行業(yè)發(fā)展方向

3.1 cBN磨料高端鍍覆

cBN磨料表面鍍覆的優(yōu)越性在于鍍層與cBN形成化學(xué)鍵合，在制品中與結(jié)合劑形成化學(xué)/冶金結(jié)合提高結(jié)合劑對(duì)cBN的把持力，使用過(guò)程中cBN的脫落率大為降低，還可以增加磨料的出韌高度，在相同壽命情況下，切削效率也能得到提高。

3.2 PcBN產(chǎn)品系列化

國(guó)內(nèi)PcBN產(chǎn)品的系列化對(duì)于滿足刀具制造的個(gè)性化需求非常重要。由于國(guó)內(nèi)該項(xiàng)工作的應(yīng)用基礎(chǔ)研究不夠深入系統(tǒng)，研究院所、大專院校的應(yīng)用基礎(chǔ)研究與生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)應(yīng)用對(duì)接不盡順暢，國(guó)內(nèi)PcBN產(chǎn)品的系列化工作成效甚微，必須加強(qiáng)PcBN產(chǎn)品的系列化基礎(chǔ)研究工作，加速PcBN產(chǎn)品系列化進(jìn)程，滿足國(guó)內(nèi)不同材料的加工要求[10]。

3.3 cBN功能材料

cBN單晶擁有很寬的帶隙(禁帶寬度6.4ev)，熱穩(wěn)定性較高，是制備高溫半導(dǎo)體器件的理想材料；cBN具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，同時(shí)還具有良好的紫外特性等，是一種擁有極大發(fā)展前景的光電材料。

3.4 cBN多晶涂層

cBN除了以微納米粉體和聚晶形態(tài)存在之外，還可以通過(guò)氣相沉積法來(lái)制備薄膜[11]。cBN薄膜涂層可以適應(yīng)任何復(fù)雜形狀的硬質(zhì)合金刀具基體，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)后預(yù)期成本比PcBN低得多，能夠成為具有較高性價(jià)比的高性能刀具；在高溫高頻大功率電子器件、超大規(guī)模集成電路和器件保護(hù)膜等方面也有著廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

近年來(lái)cBN行業(yè)發(fā)展穩(wěn)中有升，磨料產(chǎn)能、種類、品質(zhì)已達(dá)世界領(lǐng)先水平；PcBN刀具也不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，取得了快速發(fā)展，在未來(lái)幾年會(huì)不斷縮短與先進(jìn)國(guó)家間的差距。在cBN行業(yè)發(fā)展過(guò)程中，以富耐克、中南杰特、鄭州鉆石為首的行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)在不斷完善企業(yè)產(chǎn)品鏈，提高自身創(chuàng)新實(shí)力，這將會(huì)促進(jìn)我國(guó)cBN行業(yè)快速發(fā)展。cBN磨料應(yīng)加快發(fā)展高端鍍覆產(chǎn)品，PcBN刀具應(yīng)加速產(chǎn)品系列化進(jìn)程，滿足國(guó)內(nèi)不同材料的加工要求；結(jié)合cBN材料特殊的性能開(kāi)發(fā)不同用途的功能材料將會(huì)帶來(lái)cBN領(lǐng)域的爆發(fā)式發(fā)展。

[1] 王光祖.立方氮化硼(CBN)特性綜述[J].超硬材料工程，2005,17(63)：41-45.

[2] 王光祖.超硬材料制造與應(yīng)用技術(shù)[M].鄭州：鄭州大學(xué)出版社，2013.282-343.

[3] 李志宏，趙博，孫兆達(dá).2014年超硬材料行業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況簡(jiǎn)析[J].金剛石磨料磨具工程，2015,6(35).

[4] 王秦生.超硬材料及制品[M].鄭州：鄭州大學(xué)出版社，2006,203-214.

[5] 中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)超硬材料分會(huì)，中國(guó)磨料磨具工業(yè)年鑒[M].2015

[6] 張相法，張奎，位星，趙勇智.中國(guó)立方氮化硼產(chǎn)品及應(yīng)用新進(jìn)展[C].第六屆鄭州國(guó)際超硬材料及制品研討會(huì)論文集，2013.

[7] 吳建中，陳富田，國(guó)內(nèi)外cBN產(chǎn)品特性及使用性能對(duì)比分析[C].中國(guó)超硬材料與制品50周年精選文集，2014.

[8] 沈壯行，我國(guó)工具行業(yè)2015年中期形式分析報(bào)告[C].2015年第七屆國(guó)際先進(jìn)制造工藝與刀具技術(shù)研討會(huì)，2015.

[9] 林峰，蔣燕麟，蘇鈺，程煜，國(guó)外超硬材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)[J].超硬材料工程，2015,2(27).

[10] 呂智，林峰，等，國(guó)內(nèi)PcBN技術(shù)進(jìn)展及需要解決的瓶頸問(wèn)題[J].工具技術(shù)，2013,47(4).

[11] 劉鈞鍇，高質(zhì)量立方氮化硼薄膜的制備和光電特性研究[D].北京工業(yè)大學(xué)，2006.

A Brief Introduction to the Development of China's cBN Industry

KONG Shuai-fei, LI Zheng-xin

(Schoolofmaterials,HenanUniversityofScienceandTechnology,Zhengzhou,Henan,China450007)

Analysis has been given to the development status of China's cBN (Cubic Boron Nitride) industry in the recent years through three aspects: cBN abrasives, cutting tools, and the related enterprise. There has been already a steady improvement in China's research and development and manufacturing capacity of cBN abrasives and China has become a big producer in the world; cBN cutting tool has also achieved impressive result, while there are still gaps compared to the international advanced level. The future development direction of cubic boron nitride industry has also been discussed in this article.

cubic boron nitride; abrasive; overview; cutting tool; development of the industry

2016-06-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50572032)

孔帥斐(1992)，男，河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在讀研究生，主要是從事cBN的制備及鈦合金磨削研究。E-mail: 2432191848@qq.com

孔帥斐,栗正新.國(guó)內(nèi)立方氮化硼產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀簡(jiǎn)述[J].超硬材料工程，2016，28(5)：54-56.

TQ164

A

1673-1433(2016)05-0054-03