立方氮化硼合成
多晶立方氮化硼复合材料的制备
多晶立方氮化硼复合材料的制备及其应用
多晶立方氮化硼复合材料是一种新型的高性能复合材料，它由立方氮化硼(BN)和多晶碳(MG)组成，以达到有效的结构强度和耐磨性。
主要应用于精密机械零件、航空航天件、高性能运动装备等。
1. 制备工艺：多晶立方氮化硼复合材料的制备工艺主要分为两步：首先将特定尺寸和形状的立方氮化硼微粉和多晶碳微粉混合在一起，然后将混合物经过压制、热处理和热处理等工艺步骤制备出多晶立方氮化硼复合材料。
2. 使用：多晶立方氮化硼复合材料可用于制作精密机械零件、航空航天件、高性能运动装备等，具有良好的结构强度和耐磨性。
例如，精密机械零件采用多晶立方氮化硼复合材料可以提高零件的强度和精度，而航空航天件则可以提高件的耐磨性和耐腐蚀性；在高性能运动装备上，多晶立方氮化硼复合材料可以提高装备的耐磨性和稳定性。
立方氮化硼合成
立方氮化硼的性质与应用氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体。
化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮，具有4种不同的变体：六方氮化硼(HBN )、菱方氮化硼(RBN)、立方氮化硼(CBN)和纤锌矿型氮化硼(WBN)。
第一节氮化硼的结构氮、硼原子采取不同杂化方式互相作用，可形成不同结构的氮化硼晶体。
当氮、硼原子以SP2方式杂化后，由于键角为120°，成键后形成与石墨类似的平面六角网状结构分子，这种大的平面网状分子采取不同的空间堆垛方式后，又可形成不同的结构—六方氮化硼(HBN)和菱方氮化硼(RBN)。
一、六方氮化硼六方氮化硼具有与石墨类似的结构，外观为白色，因而有时也称该种氮化硼为类石墨氮化硼或白石墨。
六方氮化硼的结构如图14-1所示，层状排列为AA'AA '…类型，晶格常数a=0.251nm，c=0.670 ±0.04 nm，密度ρ为2.25g/cm3。
六方氮化硼在空气中非常稳定，能耐2270K高温；在3270K时升华。
氮化硼具有良好的绝缘性、导热性和化学稳定性，不溶于冷水，水煮沸时水解非常缓慢并产生少量的硼酸和氢。
与弱酸和强碱在室温下均不反应，微溶于热酸，用熔融的氢氧化钠、氢氧化钾处理才能分解，利用这一性质，可以将立方氮化硼从六方氮化硼中分解出来。
二、菱方氮化硼菱方氮化硼的结构如图14-2所示，层状排列为ABCABC…类型。
晶格常数a= 0.2256nm，c=0.4175nm，密度ρ为2.25g/cm3。
菱方氮化硼具有与六方氮化硼相同的性质，不能用物理方法将其分开。
菱方氮化硼层间的ABCABC…排列更有利于向立方氮化硼转变，因而有人用菱面体氮化硼在冲击压缩中直接得到了立方氮化硼。
三、立方氮化硼氮化硼晶体除有六方氮化硼和菱方氮化硼两种结构外，还有两种采取SP3杂化后形成的类似金刚石结构的氮化硼，它们是具有闪锌矿结构的立方氮化硼和具有纤锌矿结构的六方氮化硼(WBN)。
第5章 立方氮化硼
5.3.2 CBN聚晶
产品的尺寸：微晶一般＜0.5mm,至多2-3mm 聚晶尺寸可大，＞8mm
聚晶和微晶的区别 用途不同
聚晶经破碎、造粒可制备微晶
CBN聚晶用结合剂：
金属或合金：Ni,Co,Ti,Al,Fe,Cu及其合金 金属和陶瓷组成的金属陶瓷：如碳化物、硅化物等 非金属及B、N化物：
✓高温高压下一次烧结： CBN细粒直接在高温高压下烧结
在衬底上
酸处理 水洗 烘干 整形 筛分 检测 包装 镜检
2. 提纯
➢提纯工艺流程 合成棒破碎 泡料 球磨 碱处理 水洗 烘干 ➢酸处理 ➢碱处理
3. 检测
摇床分选
➢粒度 ➢抗压强度 ➢冲击强度
酸处理
整形
5.2 CBN薄膜性质及制备技术(略) 5.2 CBN聚晶制造
解决了单晶CBN的尺寸问题
CBN聚晶的问世
2.CBN微晶的制造 HBN原料，在有(无)触媒下，高温超高压直接合成
Two ways
有粘结剂条件下，CBN细粒单晶经高温高压聚合 成大颗粒多晶体(质量不高)，通过粉碎后筛分获得 所需粒度的微晶产品
参考工艺：
HBN+添加剂 混合
合成 制粒 清洗 筛分 检验
添加剂常用的是氮化物：Mg3N2,Ca3N2,Li3N,AlN等。 (用量一般为3-10%(wt%))
超硬材料与硬质合金
第5章 立方氮化硼(CBN)的合成
立方氮化硼(cubic boron nitride)
立方结构的氮化硼,分子式为BN,其晶体结构类似金 刚石,硬度略低于金刚石，为HV72000-98000兆帕,常用作 磨料和刀具材料。1957年,美国的R.H.温托夫首先研制成 立方氮化硼。
立方氮化硼材料的制备、性能及应用
立方氮化硼材料的制备、性能及应用摘要：介绍了立方氮化硼单晶、聚晶立方氮化硼、氮化硼纤维材料的制备、性能及应用，对聚晶立方氮化硼的特殊性能和其作为刀具材料的应用进行了特别的分析，并指出了氮化硼的发展趋势。
金刚石是世界上最硬的材料，立方氮化硼（CBN）的硬度仅次于金刚石。
CBN晶体中氮原子与硼原子以SP3方式杂化形成CBN，类似金刚石结构。
金刚石和CBN统称为超硬材料。
超硬材料广泛应用于锯切工具、磨削工具、钻进工具和切削刀具。
金刚石高温容易氧化，特别是与铁系元素亲和性好，不适合用于铁系元素黑色金属加工。
CBN 是20世纪50年代最先由美国通用电气（GE）公司人工合成得到，70年代初制成聚晶PCBN刀具。
我国20世纪70年代首次合成出CBN 后，经历了20多年的徘徊发展，到20世纪90年代，CBN的生产及应用进入快速发展时期，特别是近几年发展更为迅速。
我国生产的CBN单晶除满足快速发展的内市场外，还大量出口国外。
聚晶立方氮化硼（Polycryst-allinecubic Boron Nitride，PCBN）是由CBN单晶添加黏结剂或不加任何黏结剂，经高温高压烧结制得的。
基于聚晶立方氮化硼材料和刀具在现代制造业中的重要作用，于2010年设立的“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项中明确提出：要研究超硬材料刀具系列产品结构设计和制造技术；进行高精度成形刀具研发；建立切削试验装置，针对用户材料及加工工艺需求，开展切削试验，建立切削数据库等，最终研制开发出适用于加工航空航天钛合金、高温合金材料的高效切削用超硬材料刀具系列产品。
本文主要介绍了CBN和PCBN的合成制备、性能和应用。
1立方氮化硼的合成与性能目前，CBN单晶的合成主要是由静态高压触媒法合成，通常以六方氮化硼（hBN）和不同的触媒为原料，在高温（1400～1800℃）和高压（4～8GPa）下合成CBN单晶粉，颜色多为黑色或琥珀色。
国内最早合成的CBN采用金属镁作为触媒，后来主要采用金属氮硼化物。
立方氮化硼的合成
• 式中：G. I—类石墨结构的BN样品的结晶 化程度—三维有序程度。S—X射线衍射图 上各个特征反射峰(100)、(101)、(102)的 面积。
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• 图14-9为以硼砂和尿素为原料等离子技术 制备BN的X射线衍射图；表14-3中晶粒度 Lc表示六方平面层沿c轴方向的堆积厚度。
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六方氮化硼对合成的影响
如果触媒为可溶性触媒，如硼氮化物、氮化物，则提 纯工艺有所不同。
首先将试料粉碎，然后将粉碎的试料放入热水中浸泡， 并不时搅动。这样对使用上述触媒时，可将试料化开。由 于立方氮化硼比重较六方氮化硼大，立方氮化硼会在溶液 中沉淀，留在容器的最下部。当沉淀一定时间后，可将上 部不含立方氮化硼的溶液倒掉。将剩余的料加水煮沸，重 复上述过程，这样可以去掉大部分六方氮化硼粉。
• 混料设备，混料设备的作用是将六方氮化硼和其 他原料充分混合均匀。
• 压料设备，压料设备的目的是将粉体形状的原材 料压制成生产上所需要尺寸的棒料，同时保障棒 料的密度，以利于传压。
• 后处理设备，后处理设备是将立方氮化硼从合成 后的棒料提纯出来。
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• 主要原材料：六方氮化硼和触媒
氮硼化合物
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六方氮化硼
碱处理与酸处形。整形后要进行 筛分、选形等处理，从而得到不同型号的 立方氮化硼晶体。
• 同学们，本堂课讲到这里，下课！
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如果触媒为金属或合金，则应先除金属、然后再除六方氮化硼等杂质。去 除金属镁:盐酸与料比为1:1，煮沸半小时，金属Mg溶解
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去除六方利用比重不同，采用选矿的方法。 碱处理HBN和叶蜡石：低温熔融态的K、Na等金属的氢 氧化物可以溶解HBN，而对CBN没有影响。
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为防止温度高时腐蚀CBN，可用混合碱以降低熔点。 NaOH:KOH =1:2质量比混合碱，它们各自的熔点分别为 360℃和320℃，混合后熔点300℃，碱处理后用水洗去溶 解物，并酸洗至中性，即得CBN。
低含量立方氮化硼复合片(PcBN)的高压合成
低含量立方氮化硼复合片（PcBN）的高压合成立方氮化硼( cBN)是继人造金刚石之后,于1957 年由美国G. E公司Wentorf首次研制成功的一种新型超硬材料。
由于它具有高硬度、高的热稳定性和良好的化学惰性等优异性能, 为硬、韧难加工金属材料的加工开拓了广阔的前景。
聚晶立方氮化硼( PcBN Polycrystalline cubic Boron Nitride) 是1970年出现的新型高性能超硬刀具材料, 用它制作的刀具, 常用来切削各种硬化钢件。
首先,PcBN作为新一代超硬刀具材料,使切削技术发生了革命性的变化,它为淬火材料提供了一种经济而高效的切削手段。
在发达囯家已将其作为提高机加工水平和经济效益 (节能、高效、精密、自动化 ) 的重要工具材料而加以发展。
在军工、宇航等工业中对难加工材料的加工更是必不可少,也是数控加工技术发展的必备的长寿命刀具材料。
PcBN 刀具可对各种硬的或具有耐磨性的材料进行高速车、镗、端面铣、切槽、螺纹加工 ,且粗、半精、精加工皆宜。
其次,高速高效精密磨削技术是先进制造技术的研究热点和发展方向之一,随着我国汽车、电子、工具一个很大的差距,也是一个很大的空间。
作为该技术系统的重要组成之一高速高效精密超硬材料磨具,是实现该项技术目标不可或缺的重要工具。
可以预见,随着新型难加工材料的不断出现,加工要求的不断提高,加工技术的不断发展,高速高效精密超硬材料磨具的优势将得到进一步发挥,新产品和新技术会不断涌现有关立方氮化硼( cBN) 掺杂高温高压烧结合成聚晶立方氮化硼( PcBN)烧结体的烧结过程等问题一直受到国内外学者的关注。
2. 1 Al 及Al 的化合物作为粘结剂Walmsley J C[5]分析了Amborite刀片之后得出结论, Al 系掺杂合成的PcBN是Al 与cBN 在高温高压烧结过程中反应形成AlN、AlB2, 由此组成的粘结相将cBN 颗粒结合在一起。
立方氮化硼
分类
立方氮化硼有单晶体和多晶烧结体两种。单晶体是把六方氮化硼和触媒在压力为3000～8000兆帕、温度为 800～1900℃范围内制得。典型的触媒材料选自碱金属、碱土金属、锡、铅、锑和它们的氮化物。立方氮化硼的 晶形有四面体的截锥、八面体、歪晶和双晶等。工业生产的立方氮化硼有黑色、琥珀色和表面镀金属的，颗粒尺 寸通常在1毫米以下。它具有优于金刚石的热稳定性和对铁族金属的化学惰性，用以制造的磨具，适于加工既硬又 韧的材料，如高速钢、工具钢、模具钢、轴承钢、镍和钴基合金、冷硬铸铁等。用立方氮化硼磨具磨削钢材时， 大多可获得高的磨削比和加工表面质量。
制作方法
立方氮化硼立方氮化硼多晶烧结体的主要制法有：①用立方氮化硼微粉和少量结合剂（如钴、铝、钛和氮化 钛等），在压力4000～8000兆帕、温度为1300～1900℃下烧结而成；②以立方氮化硼微粉和结合剂为一层，以硬 质合金（片或粉）为一层，在上述压力、温度下把两者烧结在一起，制得带硬质合金衬底的多晶烧结体，这种烧 结体具有高的强度，同时保持立方氮化硼的原有理化性能，可制成直径达16毫米的圆片，切割加工成适当形状后， 作为车刀和镗刀的刀头，适于切削淬火钢、铸铁和镍合金等 。
立方氮化硼是20世纪50年代首先由美国通用电气（GE）公司利用人工方法在高温高压条件下合成的，其硬度 仅次于金刚石而远远高于其它材料，因此它与金刚石统称为超硬材料。
性质简介
立方氮化硼立方氮化硼是由六方氮化硼和触媒在高温高压下合成的，是继人造金刚石问世后出现的又一种新 型产品。它具有很高的硬度、热稳定性和化学惰性，以及良好的透红外性和较宽的禁带宽度等优异性能，它的硬 度仅次于金钢石，但热稳定性远高于金钢石，对铁系金属元素有较大的化学稳定性。立方氮化硼磨具的磨削性能 十分优异，不仅能胜任难磨材料的加工，提高生产率，还能有效地提高工件的磨削质量。立方氮化硼的使用是对 金属加工的一大贡献，导致磨削发生革命性变化，是磨削技优异，不仅能胜任难磨材料的加工，提高生产率，且有利于严格控制工件的 形状和尺寸精度，还能有效地提高工件的磨削质量，显著提高磨后工件的表面完整性，因而提高了零件的疲劳强 度，延长了使用寿命，增加了可靠性，再加上立方氮化硼磨料生产过程在能源消耗和环境污染方面比普通磨料生 产为好，所以，扩大立方氮化硼磨具的生产和应用是机械应用是机械工业发展的必然趋势。
立方氮化硼生产工艺
立方氮化硼生产工艺
立方氮化硼（cubic boron nitride，CBN）是一种晶体形态与金
刚石相似的氮化硼。
它具有硬度高、热稳定性好、化学惰性等优良性能，被广泛应用于超硬材料制备、磨削与切削工具制造等领域。
立方氮化硼的生产工艺主要包括以下几个步骤：
1. 原料准备：使用均质粒度的氮化硼和铝作为主要原料。
氮化硼的纯度要求较高，一般达到99%以上。
2. 混合：按照一定比例将氮化硼和铝混合均匀，一般将氮化硼与粉末铝的重量比控制在1:1左右。
3. 热压烧结：将混合好的粉末放入石墨模具中，并进行加热压制。
通常采用高温高压烧结工艺，温度达到1800℃以上，压
力达到10GPa以上。
4. 晶化处理：进行热处理，使烧结体中的氮化硼和铝发生反应，生成立方相的氮化硼晶体。
温度和时间的控制非常重要，一般在1700～2100℃的温度范围内进行晶化处理。
5. 制备成品：通过切割、磨削等加工工艺将晶化后的立方氮化硼块体制备成所需形状的CBN刀具、磨料等产品。
需要注意的是，立方氮化硼的生产工艺可能因生产商不同而略有差异，以上为一般的生产工艺流程。
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矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。