张相法、位星、王永凯、王大鹏郑州中南杰特超硬材料有限公司

王光祖郑州磨料磨具磨削研究所/文

纳米多晶CBN晶粒呈随机排布，不存在解理面，整体表现为各向同性——即硬度、耐磨性、耐热性、抗冲击性在各个方向均一致，具有更优异的工业应用价值。

本文对国内外无结合剂多晶CBN的制备与性能进行了对比分析。以hBN（六方氮化硼）为初始材料，采用直接转化法，在15 GPa、1500–2000 °C的条件下合成了纳米多晶cBN，并对其块体材料的微观结构与力学性能进行了表征。所合成的纳米多晶块体具有力学性能各向同性、硬度高等优点，可在超硬磨料及精密加工领域广泛应用。

目前，纯相的纳米多晶cBN主要分为两类：

以hBN为初始粉末，在高温高压条件下通过纯相转变直接转化为多晶立方氮化硼；

以cBN微粉为初始原料，在高温高压下直接烧结成多晶立方氮化硼。

1.直接转化法

cBN是hBN的高密度相，通常在高温高压条件下通过触媒溶解-沉淀机制形成，所需压力和温度约为4–5 GPa、1300–1500 °C。在无触媒条件下，若施加更高压力，hBN到cBN的转化可在固相中进行。严格来说，hBN在压缩过程中经历一个无扩散的相变，首先转变为纤锌矿结构的BN（wBN），随后在高温下通过固相扩散转变为闪锌矿结构的cBN。这一现象最早由美国通用电气公司发现。

随后，日本研究人员以高纯度hBN为原料，在特定温压条件下合成出一种透明、高纯、不含结合剂的cBN烧结体。该无结合剂纯相烧结体的硬度比传统含结合剂烧结体高出约30%，并表现出优异的切削性能。

以脱氧处理的高纯hBN为起始材料，在7.7 GPa、2000 °C条件下采用固相反应烧结，可实现BN从低压相向高压相的转变，成功合成高纯无结合剂cBN烧结体。研究发现：

在约1800 °C的合成温度下，部分hBN可转化为cBN，但由于残留低压相，烧结体强度不足；

在2000 °C或更高温度下，可获得透明致密的cBN烧结体；

当烧结温度进一步升高时，因晶粒长大，cBN烧结体的强度反而下降。

此外，在最佳合成条件下获得的cBN烧结体晶粒尺寸处于亚微米量级，作为黑色金属加工刀具材料，表现出良好的耐磨性能。

图1显示了在不同压力条件下，cBN转化率和晶粒尺寸与烧结温度的关系。

当以hBN为起始原料时：

在7 GPa或更低压力下，任何温度下均无法实现100%cBN转化；

在8.2 GPa条件下，可获得晶粒尺寸约500 nm的单相cBN烧结体。

为在保持单相成分的同时，将晶粒尺寸进一步减小至100 nm以下，直接转化法合成多晶cBN通常采用10 GPa、1700–1900 °C的压力与温度条件。

图1：不同合成压力下，hBN转化率与cBN晶粒尺寸随烧结温度的变化关系

2.微粉合成无黏结剂法

直接转化法合成的多晶CBN性能优异，晶粒可达超细水平，但其合成条件苛刻，对于大规模工具材料生产而言成本过高、工艺复杂。一些实验表明，聚晶CBN的性能高度依赖于初始材料的特殊结构，而高质量原始粉体制备昂贵且难以规模化。

因此，在较低温度与压力条件下实现性能相近的无黏结剂烧结体，成为当前重要研究方向。为此，研究人员开始探索以cBN微粉为初始原料，在相对温和的高温高压条件下直接烧结多晶CBN。

在8 GPa、2000 °C条件下，采用cBN颗粒代替hBN作为原料进行固相直接烧结，同样可获得无添加剂的透明cBN烧结体，且展现出优异的力学性能。对于高纯度烧结体，可通过调控初始cBN粉体的晶粒尺寸来控制最终烧结体的晶粒尺寸。

采用该方法，可制得晶粒尺寸在0.5–10.0μm范围内的高纯透明cBN烧结体。随着初始粉体粒度减小，烧结可在更低温度区间进行，最佳烧结温度约为2200 °C；而在高温区，由于晶粒异常长大，烧结体强度迅速下降。

图2展示了在7.7 GPa下，使用不同初始晶粒尺寸的cBN粉体所制得无黏结剂cBN烧结体的维氏硬度与烧结温度的关系（压痕载荷为39.2 N）。

图2：7.7 GPa下，不同初始cBN粒径所得烧结体的维氏硬度与烧结温度关系（载荷39.2 N）

由于初始晶粒尺寸和烧结温度共同影响最终性能，每种初始粒度均存在一个最佳烧结条件，如图3所示。

图3：7.7 GPa下，采用2–4μm与8–12μm cBN颗粒合成的烧结体杨氏模量对比

3.纳米多晶立方氮化硼合成研究

本研究采用初始原料为hBN，纯度大于99.9%，由丹东日进科技有限公司提供。hBN原始晶粒尺寸分布为20–50μm，平均粒径约35μm，石墨化指数（GI）为1.18。

将hBN在1000 °C、10⁻⁴Pa高温真空炉中处理2小时以去除杂质；随后在10 GPa压力下压制成尺寸为7 mm×7 mm的柱体，成型密度约为2.0 g/cm³。压坯再于1000 °C、10⁻³Pa条件下处理1小时以去除吸附水等挥发物，真空封装后备用。

图4显示了在15 GPa压力下，不同合成温度所制得纳米多晶cBN样品的维氏硬度变化。

图4：15 GPa压力下，不同温度合成的纳米多晶立方氮化硼样品的维氏硬度（GPa）

从图4可见，在相同压力条件下，随着合成温度升高，样品硬度下降；最高硬度可达64.45 GPa。我们认为，此现象符合Hall-Petch关系——晶粒越细，硬度越高。

4.总结与展望

纳米多晶cBN具有高硬度、各向同性等优异特性，在精密机械、航空航天等领域具有广阔应用前景。面向钢铁材料机械加工行业对高速、高精密、高效、绿色加工的迫切需求，开发新一代高性能、国产自主可控的超硬刀具材料势在必行。因此，研制高质量、大尺寸的纳米多晶块体材料将成为未来研究热点。

郑州中南杰特超硬材料有限公司在15 GPa、1500–2100 °C条件下，以hBN为初始材料，采用直接转化法成功制备了纳米多晶立方氮化硼，并对其微观结构与力学性能进行了表征。在适宜的温压条件下，获得了纯相、半透明的纳米多晶cBN块材。该材料由颗粒状晶粒（尺寸约70–130 nm）和片状晶粒（尺寸约2μm）共同组成。

在相同压力下，纳米多晶cBN块材的晶粒尺寸随合成温度升高而增大，硬度则随之下降，最高硬度达64.45 GPa，断裂韧性达10.47 MPa·m¹/²。

尽管纳米多晶立方氮化硼块材性能优异，但其合成所需压力与温度极高，且块体成型性差，严重制约了工业化生产。未来应加大对高温高压装备技术及高压合成工艺的研究投入，为纳米多晶立方氮化硼实现规模化、产业化应用奠定基础。