Кубический нитрид бора

Кубический нитрид бора (c-BN, боразон, эльбор) — это сверхтвёрдый неорганический материал, химическое соединение бора и азота с кубической кристаллической решёткой, аналогичной решётке алмаза. По твёрдости уступает только алмазу, однако превосходит его по термической и химической стойкости. Относится к классу алмазоподобных материалов и широко применяется в промышленности для обработки чёрных металлов и сплавов.

История

Впервые кубический нитрид бора был синтезирован в 1957 году американским физиком Робертом Венторфом (компания General Electric). Венторф использовал метод высоких давлений и температур (HPHT), аналогичный процессу синтеза искусственных алмазов. В 1960-х годах в СССР были разработаны собственные технологии получения c-BN, и материал получил название «эльбор» (эльбор — эльбор, от «эль» — электрический, «бор» — элемент). Советские учёные, в частности сотрудники Института сверхтвёрдых материалов АН УССР, внесли значительный вклад в изучение свойств и промышленное внедрение кубического нитрида бора.

В 1970-х годах были разработаны методы получения поликристаллических форм c-BN (композиты, спечённые с металлическими или керамическими связками), что позволило создавать режущие инструменты для высокоскоростной обработки. В 1980-х годах началось промышленное производство кубического нитрида бора в виде порошков и паст для абразивной обработки.

Структура и свойства

Кристаллическая структура

Кубический нитрид бора имеет кристаллическую решётку типа сфалерита (цинковой обманки). Атомы бора и азота образуют тетраэдрические связи, аналогичные связям углерода в алмазе. Длина связи B–N составляет 0,157 нм, что близко к длине связи C–C в алмазе (0,154 нм). Параметр элементарной ячейки — 0,3615 нм.

Физико-химические свойства

• Твёрдость: по шкале Мооса — 9,8–9,9 (алмаз — 10). Микротвёрдость по Виккерсу составляет 45–55 ГПа (у алмаза — 60–100 ГПа в зависимости от кристаллографического направления).
• Термическая стойкость: на воздухе c-BN устойчив до 1300–1400 °C, тогда как алмаз начинает окисляться при 600–800 °C. В инертной атмосфере или вакууме c-BN сохраняет стабильность до 2000 °C.
• Химическая инертность: кубический нитрид бора не взаимодействует с чёрными металлами (железо, никель, кобальт) и их сплавами при высоких температурах, что делает его незаменимым для обработки сталей. В отличие от алмаза, который растворяется в железе при нагреве, c-BN химически инертен к этим материалам.
• Теплопроводность: высокая — 600–1300 Вт/(м·К) (у алмаза — 1000–2600 Вт/(м·К)).
• Электрические свойства: широкозонный полупроводник с шириной запрещённой зоны 6,2–6,4 эВ. При легировании (например, бериллием или серой) может проявлять полупроводниковые свойства p- и n-типа.
• Плотность: 3,48 г/см³.

Разновидности и классификация

Кубический нитрид бора выпускается в нескольких формах, различающихся по размеру зёрен, структуре и способу получения:

1. Монокристаллический порошок — отдельные кристаллы размером от 1 до 500 мкм. Используется в абразивных инструментах (шлифовальные круги, пасты, суспензии).
2. Поликристаллический c-BN (PCBN) — композитный материал, состоящий из зёрен c-BN, спечённых с керамической или металлической связкой (например, кобальт, титан, нитрид кремния). Выпускается в виде пластин, стержней и наконечников для режущих инструментов.
3. Плёнки и покрытия — тонкие слои c-BN (толщиной 0,1–10 мкм), наносимые методами химического или физического осаждения из газовой фазы (CVD, PVD). Применяются для упрочнения поверхностей.
4. Нано- и ультрадисперсные порошки — частицы размером менее 100 нм, используемые в полировке и композиционных материалах.

Получение

Синтез при высоких давлениях и температурах (HPHT)

Основной промышленный метод. Смесь гексагонального нитрида бора (h-BN) с катализаторами (например, щелочные и щёлочноземельные металлы, их нитриды или бориды) помещают в камеру высокого давления. Условия синтеза: давление 4–7 ГПа, температура 1300–1800 °C. Катализаторы ускоряют фазовый переход из гексагональной в кубическую модификацию. Выход c-BN составляет 50–95% в зависимости от режима.

Синтез при низких давлениях (CVD/PVD)

Методы химического или физического осаждения из газовой фазы позволяют получать тонкие плёнки c-BN на подложках (кремний, сапфир, карбид кремния). Используются газовые смеси (BCl₃ + NH₃, B₂H₆ + NH₃) и ионно-лучевое распыление мишеней из бора. Для образования кубической фазы требуется интенсивная ионная бомбардировка подложки. Этот метод менее распространён в промышленности из-за сложности контроля и низкой скорости роста.

Применение

Обработка металлов

Основная область применения — режущие и абразивные инструменты для обработки чёрных металлов и сплавов:

• Точение и фрезерование закалённых сталей (HRC 45–68), чугунов, быстрорежущих сталей. Инструменты из PCBN обеспечивают высокую стойкость и точность обработки.
• Шлифование — круги на керамической или органической связке с зёрнами c-BN используются для чистовой обработки деталей из высокопрочных сталей, жаропрочных сплавов и титановых сплавов.
• Хонингование и суперфиниширование — абразивные бруски и пасты на основе c-BN применяются для финишной обработки цилиндров двигателей, подшипников и других прецизионных деталей.

Производство инструментов

PCBN-пластины (вставки) крепятся на державки токарных резцов, фрез, свёрл. Инструменты с c-BN работают на высоких скоростях резания (до 500 м/мин) и подачах, обеспечивая шероховатость поверхности до Ra 0,2 мкм.

Электроника и оптика

Благодаря широкой запрещённой зоне и высокой теплопроводности c-BN рассматривается как перспективный материал для силовой электроники, светодиодов и детекторов ультрафиолетового излучения. Однако практическое применение ограничено сложностью получения крупных монокристаллов и плёнок высокого качества.

Абразивные материалы

Порошки c-BN используются в полировальных пастах, суспензиях и абразивных лентах для обработки твёрдых материалов (стекло, керамика, карбиды).

Преимущества и ограничения

Преимущества

• Высокая твёрдость, близкая к алмазной.
• Термическая стойкость до 1300–1400 °C на воздухе.
• Химическая инертность к чёрным металлам и сплавам.
• Низкий коэффициент трения при обработке сталей.

Ограничения

• Более высокая стоимость по сравнению с алмазом (из-за сложности синтеза).
• Меньшая твёрдость, чем у алмаза, что ограничивает применение для обработки твёрдых неметаллических материалов (стекло, керамика, карбиды).
• Сложность получения крупных монокристаллов (размером более 1 мм).

Интересные факты

• Кубический нитрид бора является вторым по твёрдости известным материалом после алмаза. В 2009 году был синтезирован лонсдейлит (гексагональный алмаз), который теоретически может быть твёрже, но его практическое получение затруднено.
• В СССР и России c-BN получил название «эльбор» (эльбор — эльбор, от «эль» — электрический, «бор» — элемент). За рубежом распространены торговые марки Borazon (США), CBN (Cubic Boron Nitride).
• Поликристаллический c-BN (PCBN) используется в инструментах для обработки бронеплит и деталей военной техники.
• В 2020 году российские учёные из Института физики твёрдого тела РАН разработали метод получения c-BN наночастиц с рекордной твёрдостью, близкой к алмазной.

Источники

• Венторф Р. Синтез кубического нитрида бора // Journal of Chemical Physics. — 1957. — Т. 26, № 4. — С. 956.
• Шульман Л. А., Григорьев О. Н. Сверхтвёрдые материалы на основе кубического нитрида бора. — Киев: Наукова думка, 1985. — 240 с.
• Институт сверхтвёрдых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины. Технология синтеза и применения кубического нитрида бора. — Киев, 2003.
• Кубический нитрид бора: свойства, получение, применение // Сборник научных трудов / Под ред. В. И. Трефилова. — М.: Машиностроение, 1990. — 320 с.
• ГОСТ Р 52763-2007. Материалы абразивные. Кубический нитрид бора. Технические условия.