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            技術文檔
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            超硬材料基礎知識大全

            日期:2019-07-23 09:13點擊:
            超硬材料分為單晶超硬材料和聚晶超硬材料(也稱為“復合超硬材料”)及金剛石薄膜三類。
            概念對于超硬材料的含義至今沒有一個公認為滿意的解釋。1981年國際硬物質科學會議認為,硬度大于1000HV的物質均可稱為硬物質,這就自然包括了金剛石和立方碳化硼。后來對這個定義進行了補充,認為能加工諸如硬質合金(硬度1600—1800HV)、剛玉(—2000HV)、碳化硅(—2200HV)等這一類物質的材料稱為超硬材料。目前由于金剛石和立方氮化硼等材料有其極高的硬度,所以統稱為超硬材,具有硬度高、耐磨和熱傳導性能好、熱膨脹系數低等優異性能。超硬材料的分類
            分為單晶超硬材料和聚晶超硬材料(也稱為“復合超硬材料”)及金剛石薄膜三類。
            單晶超硬材料和聚晶超硬材料的主要區別為:單晶金剛石/立方氮化硼材料的特點為硬度更高、耐熱性更好,但尺寸較小,多用于制造鋸片等切割工具;聚晶金剛石/立方氮化硼是指以金剛石和立方氮化硼微粉等單晶超硬材料為主要原料,添加金屬或非金屬粘結劑通過超高壓高溫燒結工藝制成的聚晶復合材料。它的特點是硬度、耐熱性略遜于單晶材料,但是由于聚晶超硬材料是內部結構緊密的金剛石致密體,可以增加工具的切割面積,同時克服了單晶超硬材料由于粘結面積小造成的輕易從鋸片表面脫落的弊端,具有更高的耐磨性。
            金剛石薄膜是用化學氣相沉積(CVD)法或其它方法在非金剛石襯底上制備出的超硬薄膜。它不僅可用于制作各種金剛石刀具,還可作為功能材料用于制作聲傳感器、揚聲器振動膜、紅外窗口、X光檢測窗口等,應用領域十分廣泛。國際上從七十年代初開始進行金剛石薄膜的試制并迅速掀起金剛石薄膜研究開發熱潮。我國從八十年代中期開始此項研究,并已列入國家“863計劃”,現已能制備出80mm、厚2mm的金剛石薄膜,并在應用研究方面取得了不少成果,但目前總體上仍處于研制階段,尚未達到工業化應用階段。有人預計,金剛石薄膜將是21世紀金剛石工業的主要材料,各國科學家都在為使金剛石薄膜產業化而不懈努力。
            金剛石按用途分為兩類:質優粒大可用作裝飾品的稱寶石級金剛石,質差粒細用于工業的稱工業用金剛石。寶石級金剛石,又稱鉆石,光澤燦爛,晶瑩剔透,被譽為“寶石之王”,價值昂貴,是世界公認的第一貨品,其占有程度和消費水平往往被視為是衡量個人和國家經濟富裕程度的標志。達不到寶石級的金剛石(工業用金剛石),以其超硬性廣泛用于機電、光學、建筑、交通、冶金、地勘、國防等工業領域和現代高、新技術領域。
            總的來說,復合超硬材料相對于傳統合金材料具有強大的替代性,市場潛力更大,廣泛應用于機械、冶金、地質、石油、煤炭、石材、建筑等傳統領域,電子信息、航天航空、國防等高技術領域以及汽車、家電等新興產業。
            復合超硬材料的主要產品用途
            當前,復合超硬材料的產品主要分為四類:石油天然氣鉆頭用聚晶金剛石復合片、煤田礦山用聚晶金剛石復合片、聚晶金剛石高品級拉絲模坯和刀具用聚晶金剛石/聚晶立方氮化硼復合片。
            (1)石油天然氣鉆頭用聚晶金剛石復合片
            石油天然氣聚晶金剛石復合片是由無數微小金剛石顆粒和粘結劑混合組成的切削層和硬質合金襯底層在高溫高壓下燒結合成的,具有很高強度、硬度、耐磨性、抗沖擊性以及良好的自銳性,這些優良特性使其能夠應用在巖石的鉆探領域。該產品主要作為石油天然氣鉆頭的切削齒,是鉆頭上起到切削和掘進的核心部件。
            (2)煤田礦山鉆頭用聚晶金剛石復合片
            由于具有硬度高、耐磨性強、抗沖擊韌性良好等特點,復合超硬材料除了可用于制作石油天然氣用鉆頭外,還可用于制作煤田礦山鉆頭用PCD復合片,其用途并不局限制造于煤田和礦山作業用的鉆進和切割工具,還可廣泛應用于制造建筑建造、水電工程施工、鑿巖破碎、公路修補等眾多領域的鉆進工具。
             
            (3)聚晶金剛石高品級拉絲模坯
            拉絲模是各種金屬線材生產廠家(如電線電纜廠、鋼絲廠、焊條焊絲廠等)拉制線材的一種非常重要的易消耗性模具。拉絲模的適用范圍十分廣泛,主要用于拉拔棒材、線材、絲材、管材等直線型難加工物體,適用于鋼鐵、銅、鎢、鉬等金屬和合金材料的拉拔加工。復合超硬材料是制造高品級拉絲模最為理想的材料。
            (4)刀具用復合片
            使用PCD/PCBN刀具復合片制造的刀具可以替代幾乎所有傳統硬質合金材質的刀具,用途十分廣泛,包括制造汽車零部件、加工木材、開采石材、數控機床刀頭等?;谄湎掠涡袠I規模龐大,市場對于刀具用復合片的需求量也十分巨大。
            復合超硬材料行業技術現狀剖析
            復合超硬材料生產的核心環節在于對單晶超硬材料和粘結劑的原材料配方處理;核心技術在于對單晶超硬材料和相應粘結劑通過高溫高壓進行燒結的工藝。市場上產品質量過硬,具有明顯競爭優勢的廠家無不具有獨特的配方和先進的生產工藝,上述兩點構成了復合超硬材料行業的核心競爭力。在我國行業發展初期,我國復合超硬材料產品與國際先進產品相比在耐磨度、硬度、復合片均勻度和復合片尺寸等技術指標方面均存在一定的差距。但隨著我國業內企業和科研人員不斷鉆研,充分發揮了六面頂壓機的性能優勢、克服了劣勢,我國復合超硬行業技術水平已經形成了自身特點,并且在總體技術指標上接近或達到了國際先進水平。
            外國生產廠商以二面頂壓機為主(如E6,DI、住友、日進為兩面頂,USSynthetic,MegaDiamond、Novatek等為六面頂),我國生產復合超硬材料的壓機以六面頂壓機為主(如四方達、新亞、海明潤為六面頂、江鉆為兩面頂)。兩種設備各有特點,兩面頂壓機每組壓缸、頂錘的造價較高,高壓腔尺寸相對較大,適合生產尺寸較大的產品;六面頂壓機每組頂錘的造價較低,操作方便,高壓腔尺寸相對較小,適合生產尺寸較小的產品。但是隨著近年來六面頂壓機的大型化,其能生產的產品尺寸也越來越大,與兩面的的差異越來越小,我國四方達公司已經可以生產直徑46毫米的PCD復合片,預計在不遠的將來,直徑2英寸的復合片也可以在六面頂壓機上生產出來。
            金剛石為什么不適合加工鐵基金屬材料
            由于金剛石在磨削高溫下能與Fe基金屬材料發生化學作用,金剛石中的碳與這些元素發生作用,生成碳化物,產生粘刀顯現,使用壽命縮短,加工質量下降,因此,金剛石不適合加工鋼材,包括普通鋼和各種韌性合金鋼。此類材料一般使用cBN工具加工。
            超硬材料今后的主要發展方向
            單晶合成(采用不同原料、不同的高溫高壓合成設備和不同工藝,合成不同的單晶產品);
            單晶分選(合成的單晶產品,按照顆粒形狀、粒度、堆積密度、雜質含量以及強度、韌度、耐熱性等性能指標的不同進行分選,從而分為不同的單晶晶種);
            表面鍍覆(經過分選的不同品種的單晶,利用化學鍍、電鍍、真空鍍等表面鍍覆);
            聚晶制造(利用金剛石單晶粉末或石墨粉以及適當的金屬粉和非金屬粉等原材料,按照適當的配方,采用相應的工藝方法(高壓高溫燒結法或直接生長法),制造具有不同的形狀、規格、性能和用途的聚晶);
            薄膜生長(采用在低壓條件下的各種氣相沉積生長法,制造具有特殊性能和較大尺寸的金剛石薄膜或類金剛石薄膜)。
            超硬材料的用處
            (1)磨具
            金剛石磨具主要用于下列材料的研磨、拋光或切割:硬質合金、陶瓷及耐火材料、玻璃、石墨、寶石、有色金屬材料及非金屬材料等。
            CBN磨具主要用作各種高速鋼、軸承鋼、鑄鐵、不銹鋼、耐磨涂層、高溫合金等難磨材料的磨加工和拋光。
            (2)刀具(包括薄膜涂層刀具)
            金剛石刀具主要用于各種非金屬材料及有色金屬材料的車、銑、鏜、鉆等工序,如玻璃鋼、硬塑料、橡膠、建筑材料、碳纖維、陶瓷、耐火材料、銅、鋁基復合材料及合金等。
            CBN刀具主要用于淬火鋼、冷硬鑄鐵、不銹鋼、高溫合金、耐磨涂層等材料的加工。
            (3)鉆具
            用于地質、石油、煤田、工程施工等的勘探和采掘。
            (4)鋸切工具
            主要用于石材、建筑材料、陶瓷、耐火材料、電碳制品、半導體、寶石、木材等的切割;也用于馬路、機場跑道、建筑構件的切槽和切斷。
            (5)拉拔工具
            用于拉拔下列金屬材料的絲材及線材,鎢、鉬、銅、鋁、不銹鋼、鍍鋅鋼、鋼以及合金等。
            (6)修整工具
            用于普通磨具的成型修整、整形、修銳等。
            (7)其它工具
            用于硬質合金模具、量具刃具加工的手工工具,還有玻璃刀、醫用工具、壓砧及壓頭等。
             

             

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