超硬材料及制品的基本知識

1、超硬材料及制品基本知識一、超硬材料概念：對于超硬材料的含義至今沒有一個公認(rèn)為滿意的解釋。1981年國際硬物質(zhì)科學(xué)會議認(rèn)為，硬度大于1000HV的物質(zhì)均可稱為硬物質(zhì)，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(rèn)為能加工諸如硬質(zhì)合金（硬度16001800HV）、剛玉（2000HS、碳化硅（一2200HS等這一類物質(zhì)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(tǒng)稱為超硬材，具有硬度高、耐磨和熱傳導(dǎo)性能好、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)異性能。二、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(fù)合超硬材料”）及3金剛石薄膜三類。單晶超硬材料和聚晶超硬材料的主要

2、區(qū)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(jié)劑通過超高壓高溫?zé)Y(jié)工藝制成的聚晶復(fù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)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(xué)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

3、、紅外窗口、X光檢測窗口等，應(yīng)用領(lǐng)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(fā)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(xiàn)已能制備出80mm、厚2mm的金剛石薄膜，并在應(yīng)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(yè)化應(yīng)用階段。有人預(yù)計，金剛石薄膜將是21世紀(jì)金剛石工業(yè)的主要材料，各國科學(xué)家都在為使金剛石薄膜產(chǎn)業(yè)化而不懈努力。三、金剛石按用途分為兩類：質(zhì)優(yōu)粒大可用作裝飾品的稱寶石級金剛石，質(zhì)差粒細(xì)用于工業(yè)的稱工業(yè)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(rèn)的第一貨

4、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(jīng)濟富裕程度的標(biāo)志。達不到寶石級的金剛石（工業(yè)用金剛石），以其超硬性廣泛用于機電、光學(xué)、建筑、交通、冶金、地勘、國防等工業(yè)領(lǐng)域和現(xiàn)代高、新技術(shù)領(lǐng)域?？偟膩碚f，復(fù)合超硬材料相對于傳統(tǒng)合金材料具有強大的替代性，市場潛力更大，廣泛應(yīng)用于機械、冶金、地質(zhì)、石油、煤炭、石材、建筑等傳統(tǒng)領(lǐng)域，電子信息、航天航空、國防等高技術(shù)領(lǐng)域以及汽車、家電等新興產(chǎn)業(yè)。1.1復(fù)合超硬材料的主要產(chǎn)品用途當(dāng)前，復(fù)合超硬材料的產(chǎn)品主要分為四類：石油天然氣鉆頭用聚晶金剛石復(fù)合片、煤田礦山用聚晶金剛石復(fù)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(fù)合片。（1）石

5、油天然氣鉆頭用聚晶金剛石復(fù)合片石油天然氣聚晶金剛石復(fù)合片是由無數(shù)微小金剛石顆粒和粘結(jié)劑混合組成的切削層和硬質(zhì)合金襯底層在高溫高壓下燒結(jié)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(yōu)良特性使其能夠應(yīng)用在巖石的鉆探領(lǐng)域。該產(chǎn)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(fù)合片由于具有硬度高、耐磨性強、抗沖擊韌性良好等特點，復(fù)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(fù)合片，其用途并不局限制造于煤田和礦山作業(yè)用的鉆進和切割工具，還可廣泛應(yīng)用于制造建筑建造、水電工程施工、鑿巖破碎、公路修補等眾

6、多領(lǐng)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(chǎn)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(fù)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(fù)合片使用PCD/PCBN刀具復(fù)合片制造的刀具可以替代幾乎所有傳統(tǒng)硬質(zhì)合金材質(zhì)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(shù)控機床刀頭等?；谄湎掠涡袠I(yè)規(guī)模龐大，市場對于刀具用復(fù)合片的需求量也十分巨大。（ .3復(fù)合超硬材料行業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀剖析

7、復(fù)合超硬材料生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)在于對單晶超硬材料和粘結(jié)劑的原材料配方處理；核心技術(shù)在于對單晶超硬材料和相應(yīng)粘結(jié)劑通過高溫高壓進行燒結(jié)的工藝。市場上產(chǎn)品質(zhì)量過硬，具有明顯競爭優(yōu)勢的廠家無不具有獨特的配方和先進的生產(chǎn)工藝，上述兩點構(gòu)成了復(fù)合超硬材料行業(yè)的核心競爭力。在我國行業(yè)發(fā)展初期，我國復(fù)合超硬材料產(chǎn)品與國際先進產(chǎn)品相比在耐磨度、硬度、復(fù)合片均勻度和復(fù)合片尺寸等技術(shù)指標(biāo)方面均存在一定的差距。但隨著我國業(yè)內(nèi)企業(yè)和科研人員不斷鉆研，充分發(fā)揮了六面頂壓機的性能優(yōu)勢、克服了劣勢，我國復(fù)合超硬行業(yè)技術(shù)水平已經(jīng)形成了自身特點，并且在總體技術(shù)指標(biāo)上接近或達到了國際先進水平。外國生產(chǎn)廠商以二面頂壓機為主（如E6，D

8、I、住友、日進為兩面頂，USSynthetic，MegaDiamond、Novatek等為六面頂），我國生產(chǎn)復(fù)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(shè)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(chǎn)尺寸較大的產(chǎn)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(chǎn)尺寸較小的產(chǎn)品。但是隨著近年來六面頂壓機的大型化，其能生產(chǎn)的產(chǎn)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(jīng)可以生產(chǎn)直徑46毫米的PCD復(fù)合片，預(yù)計在不遠(yuǎn)的將來，直徑2英寸的復(fù)合片也可以在六面頂壓機上生產(chǎn)出來。2復(fù)合超硬材料的行

9、業(yè)市場分析2.1 復(fù)合超硬材料行業(yè)市場規(guī)?，F(xiàn)狀根據(jù)市場調(diào)研和對下游市場需求、境外主流復(fù)合超硬材料制造商銷售數(shù)據(jù)的分析，按照主要產(chǎn)品分類估算2009年主要復(fù)合超硬材料的市場容量如下：石油用PDC全球市場容量約為97億元人民幣，其中國內(nèi)市場容量約為6億元人民幣；煤田礦山用PDC復(fù)合片由于下游產(chǎn)業(yè)礦山工具市場極其廣闊，其全球市場容量超過200億元人民幣；PCD高品級拉絲模坯目前的全球市場容量約為5億元人民幣，但隨著其性價比優(yōu)勢逐漸得到下游客戶的認(rèn)可未來幾年內(nèi)市場容量將增長至10億元人民幣以上；刀具用PCD復(fù)合片的市場容量也達到100億元人民幣以上?？梢?，復(fù)合超硬材料的市場容量巨大，且行業(yè)前景極其廣闊。2.2 復(fù)合超硬材料行業(yè)競爭格局分析總體而言，來自美國、日本、愛爾蘭等國的老牌復(fù)合超硬材料制造商在科研積累、行業(yè)經(jīng)驗、技術(shù)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量上保有一定程度的領(lǐng)先優(yōu)