国内立方氮化硼产业发展现状简述

孔帅斐, 栗正新

(河南工业大学 材料学院，郑州 450007)



国内立方氮化硼产业发展现状简述

孔帅斐, 栗正新

(河南工业大学 材料学院，郑州 450007)

从立方氮化硼磨料、刀具及相关企业三个方面分析了近年来我国立方氮化硼产业的发展状况。我国立方氮化硼磨料研究开发和制造能力稳步提高，已成为生产强国；立方氮化硼刀具同样取得了骄人的发展成绩，但距离国际先进水平尚有差距。文章还对立方氮化硼行业未来的发展方向进行了展望。

立方氮化硼；磨料；综述；刀具；行业发展

1 前言

立方氮化硼(Cubic Boron Nitride, cBN), 硬度仅次于金刚石[1]。1957年美国的R.H.温托夫首次合成了立方氮化硼。很长一段时间立方氮化硼被认为在自然界不存在，直至2009年美国加州大学河滨分校、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的科学家和来自中国、德国科研机构的同行一起，在中国青藏高原南部山区地下约306公里深处古海洋地壳的富铬岩内找到了这种矿物，其在大约1300摄氏度高温、118430个大气压的高压条件下形成了晶体。该团队以中国地质科学院地质研究所教授方青松的名字将新矿物命名为qingsongite。国际矿物学协会在2013年8月正式承认了这是一种新的矿物——立方氮化硼。其原子结构与金刚石中的碳原子结构类似,因此它具有高密度的特性,硬度可媲美钻石,常被用作磨料和刀具材料。cBN作为一种超硬材料，其硬度高(维氏显微硬度达71540～98000MPa)[2]，耐磨性好，热稳定性高，在高温下与铁基金属不易发生化学反应，不仅可以加工多数难加工材料，而且加工效率高，质量好。

2 我国cBN产业发展现状

到目前为止，主要应用在机械加工工具，包括磨削工具、切削刀具等方面[4]。用以制备陶瓷结合剂cBN磨具、有机结合剂cBN磨具的主要磨粒是合成的cBN单晶和粉碎分选加工制备的微粉。制作刀具的是cBN聚晶，常用的制备工艺是以硬质合金为基体通过高温高压和粘结剂把cBN微粉烧结成为聚晶体。

2.1 我国cBN磨料的发展现状

2.1.1 我国cBN磨料产能的发展

近5年来，cBN行业一直保持连续增长的态势，特别是2014年cBN磨料总产量为5.70亿克拉，产值4.10亿元，达到了历史新高，较之2010年有了明显的上升[5]。2012年之前，国内cBN的开发和应用尚处于成长阶段，综合原因是cBN磨料作为一种新材料，客户对其认知度不高，市场推广较为缓慢，并且cBN磨料合成技术门槛高，制约了cBN磨料市场的发展。2012年后，随着cBN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，cBN磨料的核心生产技术也取得了较大的突破，cBN磨料产业进入了一个快速发展时期。

2.1.2 cBN磨料品质的发展

我国cBN磨料在产能方面稳步增长，与此同时cBN磨料的品质也在不断提升。从十多年前的模仿到如今的自主研发、掌握核心技术，我国cBN磨料的品质取得了跨越式的发展。

目前，我国生产cBN的多个企业开发了多种类型的产品，并且可以根据客户需要定制产品[6]。cBN磨料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，基本品种和数量已多于国外公司。同时国产cBN磨料质量有了很大提升。以河南富耐克超硬材料股份有限公司生产的cBN880、cBN980为例[7]，cBN880为黑色块体，其热稳定性好，破碎强度高，兼顾了磨削效率和寿命，通常应用于汽车行业零部件的精加工；cBN980为截断四面体形貌，具有特殊锋利锐角，自锐性优异，适用性强，使用寿命长，被广泛应用于航空航天材料的超精加工。

我国cBN磨料产业经过近50年的发展，取得长足进步，目前cBN单晶磨料无论从合成技术、产品品种、生产能力还是在生产量诸方面，都已成为cBN的生产大国和生产强国。

2.2 我国PcBN刀具的发展现状

PcBN刀具材料是将cBN微粉和粘结剂按照一定比例混合后在高温高压下烧结而成的聚晶体。PcBN克服了单晶立方氮化硼各向异性的缺点，使cBN获得了更为广阔的工业应用空间。随着我国立方氮化硼技术的不断完善及立方氮化硼刀具产品的性价比不断提升，满足高速、高效和高精切削加工的PcBN刀具替代硬质合金等普通刀具的发展趋势已不可逆转，2014年国内PcBN刀具产量达到13亿元，成为历史新高，迎来了一个迅速发展的阶段。

国内高端超硬刀具仍然依赖进口。图1是2011～2014年国内刀具市场规模及进口和国产刀具所占份额图[8]。从图中可以看出，近三年受到国内经济形势整体发展放缓的影响，刀具市场发展缓慢，较之2011年国内刀具市场规模400亿有了明显的下降，但是根据中国机床工具工业协会超硬材料分会最新统计数据显示，超硬刀具2014年总产值约13亿元，仅占我国刀具总消费额的3.8%，但刀具进口份额所占比例却没有下降，反而有上升趋势。因此，我国超硬刀具行业发展任重而道远。

图1 2012-2014年国内刀具市场规模及进口和国产刀具所占份额(亿元)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磨料与刀具企业发展状况

经过了几年的发展，国内大部分cBN磨料及刀具企业在关键技术方面取得了一定程度的突破，在产品性能、品牌、技术研发方面与国际大公司的差距在不断缩小，但在PcBN的制造生产方面，其磨耗比、冲击韧性和热稳定性，尤其是在产品质量一致性方面，与国外知名企业相比还有较大的差距。郑州钻石精密制造有限公司采用进口PcBN制造的超硬刀具在汽车、航空航天等领域得到广泛应用，有些产品达到国际先进水平。国内有的企业有完整的产品链，包括cBN合成、cBN微粉加工、PcBN合成和PcBN刀具产品，目前为止国内这样的企业有河南富耐克超硬材料股份有限公司、郑州中南杰特超硬材料有限公司、郑州博特硬质材料有限公司等。其中河南富耐克超硬材料股份有限公司是国内最大的立方氮化硼磨料和刀具生产企业，拥有从“原材料—辅助材料—超硬磨料—超硬刀具”产品链，其生产的部分磨料和刀具质量达到国际先进水平。

3 cBN行业发展方向

3.1 cBN磨料高端镀覆

cBN磨料表面镀覆的优越性在于镀层与cBN形成化学键合，在制品中与结合剂形成化学/冶金结合提高结合剂对cBN的把持力，使用过程中cBN的脱落率大为降低，还可以增加磨料的出韧高度，在相同寿命情况下，切削效率也能得到提高。

3.2 PcBN产品系列化

国内PcBN产品的系列化对于满足刀具制造的个性化需求非常重要。由于国内该项工作的应用基础研究不够深入系统，研究院所、大专院校的应用基础研究与生产企业的技术应用对接不尽顺畅，国内PcBN产品的系列化工作成效甚微，必须加强PcBN产品的系列化基础研究工作，加速PcBN产品系列化进程，满足国内不同材料的加工要求[10]。

3.3 cBN功能材料

cBN单晶拥有很宽的带隙(禁带宽度6.4ev)，热稳定性较高，是制备高温半导体器件的理想材料；cBN具有优良的导热性能，同时还具有良好的紫外特性等，是一种拥有极大发展前景的光电材料。

3.4 cBN多晶涂层

cBN除了以微纳米粉体和聚晶形态存在之外，还可以通过气相沉积法来制备薄膜[11]。cBN薄膜涂层可以适应任何复杂形状的硬质合金刀具基体，实现工业化生产后预期成本比PcBN低得多，能够成为具有较高性价比的高性能刀具；在高温高频大功率电子器件、超大规模集成电路和器件保护膜等方面也有着广泛的应用前景。

4 结论

近年来cBN行业发展稳中有升，磨料产能、种类、品质已达世界领先水平；PcBN刀具也不断实现技术突破，取得了快速发展，在未来几年会不断缩短与先进国家间的差距。在cBN行业发展过程中，以富耐克、中南杰特、郑州钻石为首的行业领军企业在不断完善企业产品链，提高自身创新实力，这将会促进我国cBN行业快速发展。cBN磨料应加快发展高端镀覆产品，PcBN刀具应加速产品系列化进程，满足国内不同材料的加工要求；结合cBN材料特殊的性能开发不同用途的功能材料将会带来cBN领域的爆发式发展。

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

[2] 王光祖.超硬材料制造与应用技术[M].郑州：郑州大学出版社，2013.282-343.

[3] 李志宏，赵博，孙兆达.2014年超硬材料行业经济运行情况简析[J].金刚石磨料磨具工程，2015,6(35).

[4] 王秦生.超硬材料及制品[M].郑州：郑州大学出版社，2006,203-214.

[5] 中国机床工具工业协会超硬材料分会，中国磨料磨具工业年鉴[M].2015

[6] 张相法，张奎，位星，赵勇智.中国立方氮化硼产品及应用新进展[C].第六届郑州国际超硬材料及制品研讨会论文集，2013.

[7] 吴建中，陈富田，国内外cBN产品特性及使用性能对比分析[C].中国超硬材料与制品50周年精选文集，2014.

[8] 沈壮行，我国工具行业2015年中期形式分析报告[C].2015年第七届国际先进制造工艺与刀具技术研讨会，2015.

[9] 林峰，蒋燕麟，苏钰，程煜，国外超硬材料产业发展趋势[J].超硬材料工程，2015,2(27).

[10] 吕智，林峰，等，国内PcBN技术进展及需要解决的瓶颈问题[J].工具技术，2013,47(4).

[11] 刘钧锴，高质量立方氮化硼薄膜的制备和光电特性研究[D].北京工业大学，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

国家自然科学基金项目(50572032)

孔帅斐(1992)，男，河南工业大学材料科学与工程学院在读研究生，主要是从事cBN的制备及钛合金磨削研究。E-mail: 2432191848@qq.com

孔帅斐,栗正新.国内立方氮化硼产业发展现状简述[J].超硬材料工程，2016，28(5)：54-56.

TQ164

A

1673-1433(2016)05-0054-03