浅谈超硬材料浅谈超硬材料）摘摘 要：要：本文回顾了超硬材料的发展过程,概述了当前超硬材料在生产、研究和应用方面的现状此外,还探讨了今后的发展方向关键词：关键词：超硬材料；金刚石；立方氮化硼；工具前言前言：：随着工业发展的需要以及材料科学的不断突破和创新，各种高强度、高硬度、抗腐蚀和耐高温的新型材料应运而生其中那些具有高强度、 超硬度、 脆性大等特点，通常含有一些多组元、活性能大的合金元素 （如 Ni ， Cr ， V， Mo ，Co， Al， Ti 等）或同时含有金属和非金属的复合材料被称为超硬材料一般超硬材料指的是人造金刚石、人造 CBN 等，维氏硬度 HV≥40GPa 它以无与伦比的耐磨等优异性能,广泛地应用在机械加工 、石材加工、建材 、航空航天 、新材料加工 、汽车等领域这些应用主要是利用它的力学物理性能作为结构材料使用近年来 ,随着超硬材料薄膜和超硬材料纳米技术的开发 ,超硬材料的应用逐步拓展到它的热学、光学 、电学等功能方面 ,有关器件的开发已具雏型通过世界各国几十年来的努力，超硬材料不断取得新的成果，表 1 反映了超硬材料的发展，同时也显示了超硬材料产品正在不断丰富， 除天然金刚石外，还有人造金刚石、 立方氮化硼、 PCD ， PCBN 、 人造单晶金刚石、 人造单晶 CBN 、类金刚石膜、 金刚石薄膜等。
表 1 超硬材料的发展史时间时间超硬材料超硬材料公司公司方法方法用途用途19541954人造金刚石GE高温高压磨料19571957立方氮化硼GE高温高压磨料19771977PCD，PCBNGE高温高压刀具19881988纳米金刚石爆炸法刀具19951995人造单晶金刚刀具人造单晶 CBN刀具类金刚石膜刀具金刚石薄膜ＣＶＤ刀具金刚石厚膜ＣＶＤ刀具１．超硬材料的研究与开发１．超硬材料的研究与开发人造金刚石投产后， 一些单位开始转向新品种、新方法、新材料和新技术装备等方面的研究与开发１．１１．１金刚石大单晶的研制 ：工业生产的金刚石属磨料级、粒度小,不能完全满足工业需要６０年代末期一些研究单位和工厂开始了大颗粒单晶的探索１９７４年在上海召开的大颗粒金刚石现场经验交流会是多年大颗粒研究的一次交流和检阅上海硅所采用金属薄膜法曾得到２．７ｍｍ的完整单晶由于生长条件十分严格,且需长时间稳定生长从当时的装备状况看 ,大多数单位条件不具备此后,一些单位陆续停止只有上海硅所还坚持研究１９７７年该所用同一方法曾得到３~４ｍｍ单晶１９７８年采用晶种法,大约６０ｋｂ，１４５０℃条件下,生长８~２４小时获得了最大２．４ｍｍ单晶,晶体呈黄色,清彻透明,重复性达７０％。
具有较高水平１．２１．２爆炸法合成金刚石的研制：中国科学院力学所、物理所和北京砂轮厂在７０年代初开展爆炸法合成金刚石的研究,并获得成功最早采用的方法是“斜四面打”装置用黑索金和ＴＮＴ混合炸药，石墨作原料获得的金刚石粒度１~ ３０µｍ，转化率０．７~１．８％．１９７５年小批量投产每 ＂炮＂可得金刚石２０克拉此后为扩展产品的工业用途,将得到的微粉级金刚石进行第二次爆炸合成聚晶,也取得成功１．３１．３亚稳态生长金刚石的研制：１９７３年上海砂轮厂进行了亚稳态合成金刚石的尝试以玻璃态炭,炭黑为原料加入硼、铅、锡等元素,在常压 ,１８００~２１００℃，２万大气压，２０００℃曾得到过一些金刚石晶体１．４１．４人造金、刚石新品种的研制：为提高磨料级金刚石强度、粒度和品种、北京人工晶体所、郑州三磨所、吉林大学和生产触媒、石墨等单位从理论到实践做 了大量工作,提出了一系列优选原则这对于指导生产实践起到积极的作用 ７０年代初北京人工晶体所首先在石墨中掺元素硼制得了黑色含硼金刚石此后与吉林２０１厂,沈阳８１４厂合作分别将硼砂和元素硼掺入石墨和触媒中,制得的金刚石也具有同样的效果含硼金刚石在高温下碳化起始温度比一般人造金刚石 高２５０~３００℃。
对于铁族元素有较好的化学惰性、强度高 制作的工具在实际使用中取得了较好的技术经济效益１９７９年人工晶体所在触媒中掺Ｓｉ等其它杂质元素制得了名为.ＪＲ－ＢＬ和ＪＲ－ｙＬ的长条形金刚石此后一些单位也开始在生产中采用１．５１．５立方氮化硼的研制：立方氮化硼是继人造金刚石成功之后研制的又一种 超硬材料１９７３年至１９７４年郑州三磨所首先研制成功不久 ,四川成立立方氮化硼协作组,在磨料所的基础上对立方氮化硼的触媒,添加剂和工艺条件作了深入研究曾得到１ｍｍ单晶由于应用开发工作跟不上,生产发展缓慢目前产量十几万克拉 １．６１．６多晶烧结体及其复合材料的研制：多晶金刚石和多晶立方氮化硼的出现是超硬材料深入开发的重要标志由于多晶晶粒的自由取向和晶界的存在 ,从性质上多晶比单晶具有更多的优异性能例如：无方向性 、无介理面 ,韧性高 、硬度高和耐磨 因此多晶在许多工业领域取代了天然大颗粒金刚石,收到了很好的技术经济效益６０年代末郑州三磨所科学院物理所上海砂轮厂等单位先后开展多晶金刚石的研究７０年代中后期开始应用于工业领域作为石油、地质钻头、拉丝模、车刀 、修正工具等取得了很好的效果科学院物理所对烧结多晶的工艺和机制作了广泛研究。
中国科学院勘探所与四川大学研制成爆炸法烧结多晶体稍晚一些时候 ,四川新都机械厂、四川大学和成都工具所协作,着重研究立方氮化硼烧结体 ,１９７５年获得成功 该烧结体制成车刀 、加工轴承钢ＧＣｒ１５等高淬硬钢和黑色金属效果很好７０年代后期,一些单位先后开展多晶复合材料的研究北京人工晶体研究所用高压法一次合成的多晶复合片用于制作车刀 、对大型高硅氧玻璃钢件加工、切削效果满意 ,曾获得国防科委四等奖 最近该所采用高压合成多晶,在常压真空下,与硬质合金钎焊复合又取得成功,在刀具和钻头 上使用取得满意的效果,已通过鉴定,评价较高,已具有大规模工业生产条件１．７１．７超高压容器和测量控制技术的研究：超高压技术的研究我国有较长的历史科学院物理所早在５０年代就研制成功了实验用四面体,活塞缸式,Ｂｅｌｔ型和Ｂｒｉｄｇｍａｎ对顶砧等一系列超高压装置对于传压介质和高压测量也作过广泛的研究一机部通用所研制的“６１”型两面顶和先由通用所初步设计,后来由济南铸锻所完成的铰链六面顶对于金刚石的研制和生产作出了贡献科学院上海硅所６２年研制的３００Ｔ紧装六面体,机械同步性好,高压腔均压区大,以后又相继研制成１０００Ｔ和２５００Ｔ同类型装置,这类设备特别适合实验室使用。
１９７６年人工晶体研究所将多环压配予应力结构的Ｂｅｌｔ型模具改用钢丝缠绕获得成功为两面顶模具大型化开辟了新的途径 １９７８年该所还研制成功 凹型对顶砧,适用于制造多晶烧结体２．超硬材料在工业中的应用２．超硬材料在工业中的应用我国金刚石制品的推广应用由研究、生产和使用部门密切配合下进行的发挥了各方面的积极性,发展迅速 目前超硬材料的应用主要利用它的高硬度、高耐磨和高的机械强度等特性 用作工具材料推广面已遍及机械、冶金、地质、建材、石油、煤炭、电子、轻纺和军工等各个行业已被千万家企业所采用与过去传统工具相比,超硬材料工具使生产效率提高了几倍、几十倍、甚至更多同时改善了被加工工件质量,解决了一些过去无法加工的材料劳动条件也得到相应的改善超硬材料的推广应用大大促进了工具革命的进程,给工业领域带来 了巨大的经济效益我国工业金刚石消耗主要来源于人造金刚石，人造金刚石制品的应用大致可划分三个方面：金金属属材材料料加加工工：为解决硬质合金刀具刃磨问题金刚石制品首先在机械行业中推广例如采用金刚石砂轮刃磨较炭化硅砂轮提高生产效率２~４倍,刀 具光洁度提高两级,刀具寿命也大大提高又如加工硬质合金精密游丝轧辊 ,过去用碳化硅砂轮磨削后还须进行长达９６小时手工研磨,光洁度仅达▽１２。
改用金刚石砂轮后从粗磨到成品仅需２４小时,光洁度可达▽１３此外金刚石工具加工硬质合金挤丝冲、样板块、量具测头、标准件模具、琦磨汽车发动机汽缸套,加工油泵油咀、微型轴承套、剃胡刀 、淬火合金工具钢等均收到程度不同的技术经济效益 过去由于没有国产金刚石工具致使许多领域不能合理的选用硬质合金金刚石工具的推广同时还收到间接的经济效益地地质质勘勘探探 ：为加速我国地质资源勘探和矿山建设 ,１９６９年冶金部北京地质所发起组织有首钢勘探队,东城区人造金刚石厂,北京粉末所,中南冶金勘探公司、北京人工晶体所和物理所等九个单位参加的 “人造金刚石钻头试验小组经过短时间的 研 制,于１９７０年首批人造金刚石钻头在某矿区开钻试验钻透了六级千枚岩直到１２级最坚硬的碧玉层钻进指标超过了钢粒这一成果的取得大大鼓舞了煤田勘探 、石油、地质等部门对改革传统钻头的信心 嗣后 ,冶金 、地质,二机系统纷纷筹建本系统 的金刚石厂经过十几年的总结提高和机具配套,全国形成了有２３２厂、６０２厂和燕郊金刚石厂等专 门生产金刚石和钻头的骨干企业 据估计全国人造金刚石地质钻头产量超过６万只 其推广深度在国际同行业中也有较高水平 ７０年代中期,多晶金刚石钻头开始在油田和地质勘探中试用。
胜利油田首先将多晶金刚石制作刮刀钻头,以取代硬质合金 一些单位也有用于地质表镶钻头 经过一段时间的实践认识,多晶刮刀 钻头在大庆油田中取得了较好的经济效益,而在地质钻头中目前则主要用于保径非非金金属属脆脆硬硬材材料料加加工工：人造金刚石工具用于加工脆硬非金属材料国外 早已广泛使用用于该领域的金刚石消耗量占工业总消耗的３５％（不包括地质钻头） 目前消耗比例仍有上升趋势北京人工晶体所十几年前首先开展了该领域的研究与开发经过全国有关行业的共同努力,人造金刚石、切、磨、钻、铣工具已成龙配套基本立足国内用于非金属材料加工的一些实例为：金刚石框锯切割中软大理石,与旧工艺相比效率提高２~３倍, 产品平正,可省去粗磨工序 金刚石圆锯切割软质大理石,从１９７７年起在综合技术经济指标上优于旧工艺金刚石碟形铣盘加工电闸用大理石, 成本由原来的２元／Ｍ２降至０．５８元／Ｍ２ 在玻璃纤维行业中，金刚石光学倒角磨具比旧工艺提高效率５~２０倍薄壁钻在玻璃上打孔速度较金刚砂快５倍压边式锯片切割玻璃阀门座每片可切 ５~６万支在砌建各类窑炉中金刚石园锯用于加工白泡石代替砂子锯效率提高５~７倍,成本降低３０％加工刚玉砖工效提高４５倍。
此外对其它耐火材料如白铁砖 、黑铁砖、粘土砖、石英砖、硅砖等加工均收到多快好省的效果 金刚石薄壁钻对酚醛玻璃钢板加工效率提高 ２ 倍圆锯切割环氧酚醛玻璃钢和高硅氧玻璃钢提高工效１２~５７倍对脆硬的陶瓷材料来说 ，金刚石工具是一种理想的加工工具,切割高压电瓷绝缘子成本下降５５．５％ 铸石代钢是国家大力推广的， 但过去无法 “冷加工” ,阻碍了它的推广应用采用了金刚石工具后局面大为改观如用金刚石薄壁钻打孔,铸石成本从１６８０元／吨下降到３３４．１元／吨有了金刚石工具,铸石管材, 板材可以现场施工,可使工程保质保量快速完成近年来金刚石工具在建筑材料和土建工程中逐步得到推广应用如用圆锯片切割石棉水泥板,混凝土予制构件,加气混凝土,水泥刨花板和石膏板等,金刚石薄壁钻则用于土建安装钻孔,房屋改建翻修,工程地质勘测等都收到了很好的经济效益北京人工晶体所的金刚石工具在加工毛主席纪念堂周围的汉白玉栏杆、壁饰、铺地和台阶大理石板,特别是四周的４４根花岗石柱贴面板收到了极好的效果贵重脆硬非金属材料加工要求切缝小平正、精细, 人工晶体所最新研制的 ＲＰ型金刚石外圆锯片加工宝石、半导体材料、光学晶体特别适用内圆电镀锯片早在７０年代初就广泛用于加工单晶硅,锗半导体、石英宝石、陶瓷磁性材料等。
立方氮化硼复合片与其功能性材料发展立方氮化硼复合片与其功能性材料发展立方氮化硼的应用７０年代中期才开始的由于它对铁系金属化学惰性好,恰能弥补金刚石的不足比金刚石砂轮耐用度高３~５倍 ,工件不烧伤,精度高,为硬韧难加工金属提供了新的手段 目前国内研究。