立方氮化硼單晶小顆粒的硬度探析

立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，簡稱CBN）是一種人工合成的超硬材料，自1957年首次由美國GE公司研究人員合成以來，便在材料加工領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性能，尤其是高硬度，使得立方氮化硼單晶小顆粒在磨削、切削等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

立方氮化硼單晶的基本特性

立方氮化硼是由氮原子和硼原子以sp3方式雜化形成的化合物，其原子結(jié)構(gòu)與金剛石中的碳原子結(jié)構(gòu)高度相似。這種結(jié)構(gòu)賦予了立方氮化硼高密度和極高的硬度。從晶體結(jié)構(gòu)上看，立方氮化硼由B原子組成的面心立方晶格和N原子組成的面心立方晶格沿對角線錯開1/4組成，使得其晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相近，晶格系數(shù)也相當(dāng)接近。

立方氮化硼單晶小顆粒的硬度

立方氮化硼的硬度是僅次于金剛石的自然界中第二硬的物質(zhì)。其莫氏硬度為9.7，維氏硬度則高達(dá)7000～9000HV，甚至有報道指出，某些納米等級的立方氮化硼硬度已超越鉆石，維氏硬度達(dá)到108GPa。這一硬度數(shù)值遠(yuǎn)超過其他常見的磨料材料，如碳化硅（顯微硬度25.48～35.28GPa）和氧化鋁（顯微硬度17.64～27.44GPa）。

值得注意的是，立方氮化硼的硬度是各向異性的。利用努氏硬度計測定，CBN單晶在[100]方向的硬度為4600kg/mm2，而在[110]方向的硬度為3200kg/mm2，盡管這兩個方向的硬度都低于金剛石（分別為10000kg/mm2和7000kg/mm2），但已經(jīng)足以應(yīng)對大多數(shù)高硬度材料的加工需求。

小顆粒立方氮化硼單晶的應(yīng)用優(yōu)勢

小顆粒的立方氮化硼單晶主要用作磨具材料。通過結(jié)合劑的作用，將CBN磨粒粘結(jié)成具有一定幾何形狀的制品，如砂輪、磨石等。這些磨具在金屬加工領(lǐng)域，特別是黑色金屬（如鐵、鋼等）的加工中表現(xiàn)出色。由于立方氮化硼單晶小顆粒具有極高的硬度，它們能夠高效地去除金屬材料，同時保持較長的使用壽命和較高的磨削精度。

此外，立方氮化硼單晶小顆粒還具有良好的導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性。其導(dǎo)熱系數(shù)雖然低于金剛石，但遠(yuǎn)高于高速鋼和硬質(zhì)合金等材料，有助于在高速切削過程中保持刀具的穩(wěn)定性。同時，立方氮化硼可承受1200℃以上的切削溫度，這一特性使其在高溫加工環(huán)境中表現(xiàn)出色。