超硬刀具材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用VIP

1、超硬刀具材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用單位：哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院作者：張慧萍發(fā)布時(shí)間：2015-4-14 14:56:26硬材料是一種重要的工程材料，通常是指硬度達(dá)到莫氏硬度最高值10 或接近10 的材料， 主要應(yīng)用于復(fù)合材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、硬質(zhì)合金的加工1-2 。此外，某些超硬材料在光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)方面也具有一些特殊性能，而成為一種重要的功能材料。目前常見(jiàn)的超硬材料有金剛石（天然金剛石和人造金剛石）、立方氮化硼等。超硬材料通常由超硬材料顆粒與結(jié)合劑組成。超硬材料的性能與結(jié)合劑的性能緊密相關(guān)，選擇或者合成高性能的結(jié)合劑，對(duì)于超硬材料的制備與應(yīng)用具有重大意義。超硬材料盡管物質(zhì)成分、構(gòu)成較少，但

2、制品種類(lèi)繁多，用途非常廣泛3 。我國(guó)超硬材料發(fā)展到今天已經(jīng)走過(guò)近50 年歷史。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)超硬材料制品無(wú)論在產(chǎn)品還是技術(shù)的層面，都取得了巨大的進(jìn)步，并且呈現(xiàn)出傳統(tǒng)產(chǎn)品穩(wěn)步發(fā)展不淘汰，新一代高附加值產(chǎn)品不斷突破的局面。典型超硬材料研究現(xiàn)狀1 天然金剛石天然金剛石是在地殼深處結(jié)晶形成的，存在于地表下深度為100300km的金伯利巖中。最適宜的結(jié)晶條件是壓力57GPa，溫度12001800 。天然金剛石完全按結(jié)晶學(xué)定律生長(zhǎng)，巖漿在深部時(shí)，溫度、壓力皆高。此時(shí)，天然金剛石完全按結(jié)晶學(xué)定律生長(zhǎng)，以硅為結(jié)晶基底,活化碳沉積形成晶胞,逐漸擴(kuò)大,為反核晶 ,有時(shí)可長(zhǎng)成厚板狀。天然金剛石分為寶石級(jí)（鉆石

3、）和工業(yè)級(jí)。天然金剛石最早在印度發(fā)現(xiàn)，后來(lái)主要產(chǎn)地是南非和俄羅斯的西伯利亞。我國(guó)是天然金剛石極為匱乏的國(guó)家，僅在山東(含蘇北 )、遼寧發(fā)現(xiàn)了小型天然金剛石原生礦，在湖南發(fā)現(xiàn)了小型河流沖積型金剛石礦床，但這些遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了高速發(fā)展的工業(yè)需要。圖 1 所示為我國(guó)發(fā)現(xiàn)的最大天然金剛石。圖 1天然金剛石天然金剛石晶體是各向異性特征明顯的材料，用X 射線從不同角度照射晶體表面會(huì)出現(xiàn)不同的衍射圖案，而根據(jù)不同晶面的特征圖案即可選擇合適的晶面。許多學(xué)者對(duì)晶面的預(yù)選法進(jìn)行了研究：Decker 等提出了 X 射線預(yù)選晶面的方法，并采用掃描和透射電子顯微鏡對(duì)刀具質(zhì)量和使用進(jìn)行跟蹤、對(duì)比4 。袁哲俊等亦提出了近似原理

4、的天然金剛石晶體的激光晶面定向方法2。Ikawa 等提出基于赫茲壓痕試驗(yàn)并結(jié)合紅外吸收（ infrared absorption ， IRA ）和電子自旋共振技術(shù)（electron spinesonance， ESR）來(lái)篩選天然金剛石晶體，他們認(rèn)為 IRA 和 ESR 值越小，金剛石晶體表面的壓痕微硬度越高，刀具耐磨損性能也越佳5-6 。利用上述晶面預(yù)選法， 有學(xué)者又進(jìn)一步提出了基于摩擦系數(shù)的晶面優(yōu)選法7 和基于切削試驗(yàn)的逆向優(yōu)選晶面方法 8-10 。宗文俊等提出了基于天然金剛石晶體動(dòng)態(tài)微觀抗拉強(qiáng)度的晶面篩選方法，并建立了刀具耐磨損性能的各向異性評(píng)價(jià)因子11。宗文俊等首次提出了基于納米氧化銅的

5、天然金剛石晶體真空熱化學(xué)腐蝕原創(chuàng)工藝 12 。天然金剛石晶體以硬度高、耐磨損、化學(xué)惰性良好等特性而廣泛用作超精密切削加工的刀具材料。因此天然金剛石刀具的刃磨技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多年的研究，已有很多種刃磨方法被提出12 。孫濤等在突破機(jī)械研磨技術(shù) 7080nm 的精度極限方面，對(duì)天然金剛石刀具的機(jī)械研磨技術(shù)進(jìn)行了深入研究 13 ；日本學(xué)者 Miyamoto 等于 1990 年提出了離子束拋光加工天然金剛石刀具的方法 10 ，不僅提高了天然金剛石刀具的刃磨精度，而且將其用于超精密車(chē)削軟材料，同時(shí)利用 SEM （ Scanning Electron Microscope ，掃描 1415本學(xué)者

6、 Haisma 提出了無(wú)損傷機(jī)械化學(xué)拋光法；德國(guó)學(xué)者Khnle 和 Weis 提出了化學(xué)輔助機(jī)械拋光加工方法 16 ； Zaitsev等提出用熱化學(xué)方法拋光加工金剛石晶體17 ，隨后該方法被Weima等用于金剛石刀具的刃磨 18 ；另外Malshe等提出的激光刻蝕等加工方法19 ，但是激光刻蝕精度不高，目前在業(yè)內(nèi)用于金剛石刀具粗加工。我國(guó)當(dāng)前廣泛采用機(jī)械刃磨技術(shù)來(lái)制造天然金剛石刀具。為了給天然金剛石刀具的使用壽命延長(zhǎng)提供一種全新的技術(shù)方法，真空熱化學(xué)腐蝕新工藝，用于后處理機(jī)械刃磨工藝加工的天然金剛石晶體。目前已經(jīng)提出了基于納米氧化銅的2 人造金剛石人造金剛石的很多研究工作始于天然金剛石。人造金

7、剛石產(chǎn)品可按照晶形、顏色、粒度、沖擊強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)。晶形完整、色淺透明、粒徑較大、強(qiáng)度較高者，稱(chēng)為高品級(jí)產(chǎn)品。人造金剛石包括：寶石級(jí)大單晶、工業(yè)用單晶金剛石、燒結(jié)體、復(fù)合體、人造卡邦、金剛石微粉、金剛石薄膜、納米級(jí)金剛石。工業(yè)生產(chǎn)金剛石的主要方法是利用石墨為原料，鎳鈷等觸媒金屬為催化劑，在大約 5GPa 和 1700K高溫高壓條件下將石墨轉(zhuǎn)化生成金剛石，如圖2 所示。 SDA 和 DSN 系列產(chǎn)品是馳名中外的人造金剛石高品級(jí)產(chǎn)品的代表。的圖 2人造金剛石產(chǎn)品2011 年中國(guó)人造金剛石產(chǎn)量為 110 億 ct，占全球總產(chǎn)量的石強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。 1963 年 11 月，我國(guó)第一顆人造金

8、剛石誕生；美國(guó)90%，已是金剛石大國(guó)，并且正在向金剛G. E. Co 公司在全球來(lái)說(shuō)都是一個(gè)生產(chǎn)人造金剛石實(shí)力極強(qiáng)的大公司，而且擁有金剛石發(fā)明權(quán)，但在2003 年 12 月已被 Littlejohn & Co （LLC ）股份投資公司所收購(gòu)（新公司Diamond Innovations 簡(jiǎn)稱(chēng)為 D. I. Co. ）。英 -南非 De Beers 的建立和發(fā)展起源于在南非開(kāi)采出天然金剛石，而后成為全球的一霸。后來(lái)由于美國(guó)發(fā)明了人造金剛石，為了鞏固其金剛石行業(yè)的壟斷地位則大量發(fā)展了人造金剛石，在前幾年已曾經(jīng)進(jìn)行了資產(chǎn)改組，現(xiàn)簡(jiǎn)稱(chēng)為六元素公司。業(yè)內(nèi)權(quán)威人士多數(shù)認(rèn)為20032004 年中國(guó)人造金剛石

9、生產(chǎn)能力已可達(dá)4050 億 ct 且生產(chǎn)量約為35 億 ct 左右。制造中國(guó)的高品質(zhì)人造金剛石是很多超硬材料專(zhuān)家為之奮斗一生的事業(yè)，特別是在探礦工程界，從20 世紀(jì) 6070 年代開(kāi)始就為“粗顆粒高強(qiáng)度 ”而拼搏著。經(jīng)過(guò)幾代人的努力，到了21 世紀(jì)初，已經(jīng)有了快速發(fā)展。我國(guó)利用國(guó)產(chǎn)六面頂壓機(jī)生產(chǎn)高檔金剛石的技術(shù)難關(guān)已經(jīng)突破，金剛石單晶產(chǎn)品達(dá)到了國(guó)外高檔產(chǎn)品水平 (指高品質(zhì)生產(chǎn)工藝的指標(biāo)，從 2003 年不足 10%提高到 2004 年的 40%以上或更高 )，因此今后將會(huì)是對(duì)其技術(shù)的提高和完善以及普及和應(yīng)用階段。所以說(shuō)近期是金剛石單晶技術(shù)全面提升的新時(shí)期。3 立方氮化硼很長(zhǎng)一段時(shí)間里， 立方氮

10、化硼被認(rèn)為在自然界不存在，直至2009 年，美國(guó)加州大學(xué)河濱分校勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家和來(lái)自中國(guó)、德國(guó)科研機(jī)構(gòu)的同行一起，在中國(guó)青藏高原南部山區(qū)地下約306km深處古海洋地殼的富鉻巖內(nèi)找到了這種礦物，其在大約1300高溫、 118430 個(gè)大氣壓的高壓條件下形成了晶體。該團(tuán)隊(duì)以中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所教授方青松的名字將新礦物命名為qingsongite（后綴ite表示礦物）。國(guó)際礦物學(xué)協(xié)會(huì)在2013 年 8 月正式承認(rèn)了這是一種新的礦物 立方氮化硼。 其原子結(jié)構(gòu)與金剛石中的碳原子結(jié)構(gòu)類(lèi)似，因此它具有高密度的特性,硬度可媲美鉆石，常被用作磨料和刀具材料。立方氮化硼的優(yōu)越性能20 主要體

11、現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（ 1）化學(xué)惰性?xún)?yōu)于金剛石：立方氮化硼的硬度僅次于金剛石，但其化學(xué)惰性更優(yōu)于金剛石，它不與鐵族金屬及其合金反應(yīng)，而且抗氧化性能比金剛石好得多。（ 2）更耐高溫。（ 3）轉(zhuǎn)化率更高，成本更低，性能更優(yōu)。（ 4）更不受面積、形狀和尺寸影響。針對(duì)立方氮化硼的這一優(yōu)越特性，目前已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。梁寶巖等21 采用 Al/C/TiO2/CBN （各組粉體中，CBN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為10%）粉體為原料，通過(guò)原位反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)，制備Al/TiC/Al2O3金屬陶瓷復(fù)合結(jié)合劑立方氮化硼（CBN ）材料。 2004 年 Benko 等以磨料級(jí)立方氮化硼（ ABN-300 ）和 Ti3Si

12、C2 為原料，在 7GPa 的高壓下制備 Ti3SiC2- 立方氮化硼（ CBN ）復(fù)合材料，并且研究這種新型超硬復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能2 。目前立方氮化硼磨具21 廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、石材、機(jī)械、汽車(chē)及國(guó)防工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，產(chǎn)品已形成系列化，品種規(guī)格比較齊全。立方氮化硼磨具的磨削性能十分優(yōu)異，不僅能勝任難磨材料的加工，提高生產(chǎn)率，且有利于嚴(yán)格控制工件的形狀和尺寸精度，還能有效地提高工件的磨削質(zhì)量，顯著提高磨后工件的表面完整性，因而提高了零件的疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)了使用壽命，增加了可靠性，再加上立方氮化硼磨料生產(chǎn)過(guò)程在能源消耗和環(huán)境污染方面比普通磨料生產(chǎn)更少，所以，擴(kuò)大立方氮化硼磨具的生產(chǎn)和應(yīng)用是機(jī)

13、械工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。超硬材料的應(yīng)用范圍金剛石的硬度更高，其他性能也較為優(yōu)異。它可以加工各種難加工材料和非難加工材料，因?yàn)榻饎偸毒叩那邢魅锌梢约庸さ煤茕h利 ,切削刃鈍圓半徑能達(dá)納米級(jí) ,因此特別適用于對(duì)有色金屬進(jìn)行超精密切削加工。金剛石刀具能切削純鎢、工程陶瓷、硬質(zhì)合金、工業(yè)玻璃、石墨與各種塑料以及各種復(fù)合材料。金剛石還可用于制作牙科、骨科所用醫(yī)療器械工具，以及用于木材、石材加工的刀具和工具。金剛石和立方氮化硼單晶粉大量用于制作磨料、磨具、磨膏、砂布、砂紙等。金剛石還大量用于制作拉絲模、砂輪修正器和石油、地礦部門(mén)的鉆探鉆頭 ,還可用于制作各種耐磨件。立方氮化硼有著高硬度、高熱穩(wěn)定性的特點(diǎn) ,

14、最適合切削各種淬硬鋼 ,包括合金工具鋼、碳素工具鋼、高速鋼、軸承鋼、模具鋼等和各種冷硬鑄鐵還有耐磨鑄鐵，以及各種鐵基、鎳基、鈷基和其他熱噴涂零件。大部分能用金剛石刀具切削的難加工材料，如硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃、復(fù)合材料等，用立方氮化硼刀具也可加工，但立方氮化硼刀具的使用壽命低于金剛石刀具。立方氮化硼刀具熱穩(wěn)定性高，高速切削硬質(zhì)材料時(shí)金屬有軟化效應(yīng)，適合高速干式切削。典型超硬材料制品由金剛石的自身特性決定，金剛石刀具的主要特點(diǎn)有高硬度、耐磨損、低膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱率、大彈性模量、低摩擦因數(shù)、極小刀刃鈍圓半徑和平滑刃口等。高精度天然金剛石刀具主要包括金剛石車(chē)刀和金剛石銑刀，廣泛用于毫米級(jí)、微米到亞微米

15、、甚至納米級(jí)的超精密加工。聚晶金剛石（ PCD）是由微米尺寸的人造金剛石微粉在高溫高壓條件下燒結(jié)而成。自人造金剛石研制成功以來(lái)，對(duì)聚晶金剛石（PCD）刀具切削性能的研究取得了大量成果，PCD 刀具的應(yīng)用范圍及使用量迅速擴(kuò)大。目前，國(guó)際上知名的人造金剛石復(fù)合片生產(chǎn)商主要有英國(guó)De Beers 公司、美國(guó) GE 公司、日本住友電工株式會(huì)社等。據(jù)報(bào)道，1995 年一季度僅日本的 PCD 刀具產(chǎn)量即達(dá)10.7 萬(wàn)把。 PCD 刀具的應(yīng)用范圍已由初期的車(chē)削加工向鉆削、銑削加工擴(kuò)展。 日本一家組織進(jìn)行的關(guān)于超硬刀具的調(diào)查表明：人們選用 PCD刀具的主要考慮因素是基于PCD 刀具加工后的表面精度、 尺寸精度

16、及刀具壽命等優(yōu)勢(shì)。金剛石復(fù)合片合成技術(shù)也得到了較大發(fā)展， De Beers 公司已推出了直徑 74mm、層厚 0.3mm 的聚晶金剛石復(fù)合片。 圖 3 為 PCD 刀具及 PCD 復(fù)合刀片。圖 3 PCD 刀具及 PCD 復(fù)合刀片通過(guò)對(duì)近年來(lái)PCD 刀具應(yīng)用的分析可見(jiàn)，PCD 刀具主要應(yīng)用于以下2 方面 1 。（ 1）難加工有色金屬材料的加工：用普通刀具加工難加工有色金屬材料時(shí)，往往產(chǎn)生刀具易磨損、加工效率低等缺陷，而 PCD 刀具則可表現(xiàn)出良好的加工性能。如用 PCD 刀具可有效加工新型發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料 過(guò)共晶硅鋁合金（對(duì)該材料加工機(jī)理的研究已取得突破）。（ 2）難加工非金屬材料的加工： PC

17、D 刀具非常適合對(duì)石材、硬質(zhì)碳、碳纖維增強(qiáng)塑料（ CFRP）、人造板材等難加工非金屬材料的加工。如華中理工大學(xué) 1990 年實(shí)現(xiàn)了用 PCD 刀具加工玻璃；目前強(qiáng)化復(fù)合地板及其他木基板材（如 MDF ）的應(yīng)用日趨廣泛，用 PCD 刀具加工這些材料可有效避免刀具易磨損等缺陷。人造金剛石滾輪 22 的研制成功推動(dòng)了緩進(jìn)給磨削的發(fā)展?？荡好返?22 研究了天然金剛石滾輪制造與修整問(wèn)題。然而，就其人造金剛石滾輪的應(yīng)用范圍、使用壽命、生產(chǎn)效率而言，它有很多不足之處。而天然金剛石滾輪是成型修整工具的發(fā)展方向，在許多方面都優(yōu)于人造金剛石滾輪。目前國(guó)內(nèi)外采用 3 種制造金剛石滾輪的方法，即外鍍法、粉末冶金燒結(jié)

18、法、內(nèi)鍍法。為了發(fā)展金剛石滾輪的科研成果和進(jìn)一步增加經(jīng)濟(jì)效益，提出研制天然金剛石滾輪課題。超硬材料發(fā)展前景超硬材料是一門(mén)高新技術(shù)，而且它的研制成功對(duì)整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，是一項(xiàng)新的產(chǎn)業(yè)化革命，被廣泛應(yīng)用于諸多行業(yè)。超硬材料制品將朝系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、專(zhuān)業(yè)化、高品質(zhì)、多元化方向發(fā)展，各生產(chǎn)企業(yè)將形成自己的產(chǎn)品特色和市場(chǎng)定位。我國(guó)是超硬材料生產(chǎn)大國(guó)，而不是強(qiáng)國(guó)，怎樣把超硬材料產(chǎn)業(yè)大國(guó)構(gòu)建為強(qiáng)國(guó)，乃是全行業(yè)今后奮斗的目標(biāo)和方向。近年來(lái)， 超硬材料行業(yè)得到了政策的大力支持，是 “十二五 ”規(guī)劃中被列為重點(diǎn)發(fā)展的行業(yè)。目前全國(guó)金剛石行業(yè)已形成了以深入研究新工藝為特征的新高潮，專(zhuān)業(yè)化、精細(xì)化生產(chǎn)特殊產(chǎn)

19、品的企業(yè)比例明顯增加，因此金剛石行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)將更為激烈，需全面迎接挑戰(zhàn)并且走自主創(chuàng)新與跨越式發(fā)展之路?？v觀國(guó)外高精度金剛石刀具制造的成功案例， 首選技術(shù)方案是機(jī)械刃磨技術(shù)。 但是以我國(guó)目前現(xiàn)有的機(jī)械刃磨技術(shù)來(lái)制造高精度金剛石刀具，仍存在一些技術(shù)難題。參考文獻(xiàn)1 趙秀香 ,曹唯飛 ,郭衛(wèi)華 .超硬材料刀具的特性及應(yīng)用 .金剛石與磨料磨具工程 , 2005(4):65-67.2 Yuan Z J, He J C,Yao Y X. The optimum crystal plane of natural diamond tool forprecision machining. Annals of th

20、e CIRP,1992,41(1):605-6083 羅錫裕 .超硬材料的發(fā)展.新材料產(chǎn)業(yè) , 2000(9):35-38.4 韓躍新 .礦石預(yù)處理及預(yù)選關(guān)鍵技術(shù)研究/中國(guó)冶金礦山企業(yè)協(xié)會(huì). 2013 中國(guó)冶金礦山科技大會(huì)會(huì)刊 .中國(guó)冶金礦山企業(yè)協(xié)會(huì) , 2013:25-28.5 萬(wàn)建松 ,岳珠峰 . 采用壓痕實(shí)驗(yàn)獲得材料性能的研究現(xiàn)狀.實(shí)驗(yàn)力學(xué) , 2002(2):131-139.6 趙鳳行 .電子自旋共振信號(hào)捕獲技術(shù)的研究D. 西寧 :青海師范大學(xué), 2010.7 劉岳 . 天然金剛石刀具的真空熱化學(xué)腐蝕處理技術(shù)D. 哈爾濱 :哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.8 宗文俊 ,李增強(qiáng) ,胡振江 ,等 .天然金剛石晶體的真空熱化學(xué)腐蝕工藝.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) , 2013(3):31-34.9 檀財(cái)旺 .鎂/鋼激光熔釬焊接特性及界面合金調(diào)控技術(shù)研究D. 哈爾濱 :哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2014.10 董軍 . 陽(yáng)離子聚合物和雙季銨鹽粘土穩(wěn)定劑的合成及性能研究D. 青島 :中國(guó)海洋大學(xué), 2009.11 宗文俊 . 高精度金剛石刀具的機(jī)械刃磨技術(shù)及其切削性能優(yōu)化研究D. 哈爾濱 :哈爾濱工業(yè)大學(xué)