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 　　摘　要：介紹了我國超硬材料的發展及在機械加工中的應用情況。說明了人造金剛石、立方氮化硼的性能特點、適用范圍及應用于機械加工的實例，指出了進一步加強超硬材料制品研究開發及推廣應用的重要性。
　　
　　關鍵詞：超硬材料　人造金剛石　立方氮化硼　刀具　磨具　磨削
　　
　　Development and Applications in Machining Industry
　　of Superhard Materials in China
　　
　　Li Zhihong et al
　　
　　Abstract：The development and applications in machining industry of superhard materials in China are introduced．The excellent properties and application fields of the synthetic diamond and cubic boron nitride（CBN） are indicated，and some practical examples in machining are also described．The importance of further researching，developing and extending the applying fields of superhard materials is pointed out．
　　
　　Keywords：superhard material　synthetic diamond　CBN　cutting tool abrasive　grinding
　　
　　一、概　述
　　
　　人造金剛石和立方氮化硼（CBN）統稱超硬材料。1963年鄭州磨料磨具磨削研究所在兄弟院所的通力協作下，研制成功我國第一顆人造金剛石，1966年完成中間試驗并投入批量生產，當年生產人造金剛石10000克拉。同年，該所又研制成功我國第一顆立方氮化硼（CBN）。從此我國具有了批量生產超硬材料的能力。
　　我國超硬材料從誕生到八十年代末，產量增加緩慢，經歷了一個從無到有，不斷完善生產工藝和逐步提高產品質量的階段。八十年代末，隨著中國石材加工業需求的急劇增長，超硬材料進入了高速發展階段，1997年年產量達到5億克拉左右，已躍居世界超硬材料生產大國之首。
　　金剛石是世界上已知的最硬物質，并具有高導熱性、高絕緣性、高化學穩定性、高溫半導體特性等多種優良性能，可用于高效優質加工鋁、銅等有色金屬，特別適合于加工硬脆非金屬材料。立方氮化硼是硬度僅次于金剛石的超硬材料，具有高硬度、高熱穩定性、高化學穩定性等優異性能，特別適合于加工硬、韌、難加工的金屬材料。金剛石和立方氮化硼還具有良好的紅外透過性和較寬的禁帶寬度，近年來已作為功能材料制作透明窗口、高溫半導體等高技術產品，廣泛用于電子、航天等尖端工業領域。
　　超硬材料除少部分直接用于研磨、拋光、涂層等工藝外，絕大部分制成各種工具用于不同的工業領域（見表1）。  

　二、我國超硬材料的發展
　　
　　1．人造金剛石
　　我國第一個人造金剛石及其制品的專業生產廠——第六砂輪廠于1969年投產，標志著我國人造金剛石進入了工業化生產階段。1970年我國人造金剛石產量為46萬克拉，1980年產量達到450萬克拉，10年間增長了近10倍；1990年產量為3500萬克拉，比1980年又增長了約8倍。進入九十年代后，我國金剛石生產進入了迅猛發展時期（見圖1）。這種發展勢頭主要受石材加工行業蓬勃發展的帶動，此外，鉆探及切削用PCD復合片和磨削用金剛石砂輪的大量使用也起到了較大推動作用。我國1990～1997年間人造金剛石產量增加了14倍，成為世界人造金剛石生產大國，也推動了石材、玻璃、耐火材料、地質鉆探等行業的發展，為中國經濟建設作出了重要貢獻。
 

　　我國人造金剛石產量雖居世界首位，但產品質量與發達國家還存在較大差距，主要表現為產品的沖擊強度和高溫沖擊強度較低，雜質、缺陷較多，能夠用于制造鋸片的高強度金剛石僅占產品總量的20％左右，而RVD、MBD級產品約占80％。
　　
　　2．立方氮化硼
　　立方氮化硼（CBN）具有高硬度、高耐磨性、高熱傳導率及耐熱性、低摩擦系數等優良的物理、化學和機械性能，特別適合用于鐵族金屬材料的加工，是提高生產率和加工質量的優良材料，在工業發達國家已得到廣泛應用。我國的CBN產品誕生至今已32年，但在1966年至1989年的20多年間發展比較緩慢。進入九十年代后，我國汽車、摩托車工業的高速發展為CBN的發展提供了強大動力，產量大幅度增加（見圖2）。
 

　　從1990年至今，我國CBN產量的年平均增長率為25％，大大超過了發達國家CBN年耗用量15％的增長率，但在應用領域和應用水平上與發達國家差距很大，主要表現為磨具制造工藝和裝備不完善，磨具質量及性能不穩定，專用磨床和磨削工藝不配套等。
　　
　　3．金剛石薄膜
　　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。
　　
　　三、超硬材料制品在機械加工中的應用
　　
　　1．金剛石制品的應用
　　金剛石磨料及其制品主要用于加工非鐵族金屬的各種難加工材料，如石材、玻璃、水泥制品、耐火材料、陶瓷、木材以及硬質合金、硅鐵合金等。我國金剛石磨料及其制品在各領域的應用比例見圖3。
 

　　金剛石制品在機械加工領域的應用量只占10％，主要用于車削加工和磨削加工。金剛石刀具有車刀、銑刀、鏜刀等品種，80％以上用于汽車和摩托車行業，其它則用于家用電器、燃氣、普通機械等領域。
　　（1）金剛石刀具
　　金剛石刀具在汽車和摩托車行業中主要用于加工發動機活塞的裙部、銷孔、汽缸體、變速箱、化油器等。由于這些部件材料含硅量較高（10％以上），并且大多采用流水線方式大批量生產，對刀具的使用壽命要求較高，硬質合金刀具難以勝任，而金剛石刀具的耐用度是硬質合金刀具的10～50倍，可保證零件的尺寸穩定性，并可大大提高切削速度、加工效率和工件的表面質量。表2、表3分別為金剛石鏜刀和金剛石銑刀與硬質合金刀具的實際應用效果比較。
　　
 

　　我國超硬材料的科研和生產發展迅猛，超硬材料在機械加工中的應用也取得了良好效果，應用前景十分廣闊。目前存在的主要問題是產品質量有待提高，推廣應用工作力度不夠。今后，一方面應加大對超硬材料的宣傳和推廣應用力度；另一方面要加強研究開發工作，提高超硬材料質量，增加制品種類，加強售后服務，盡快縮小與發達國家的差距，充分發揮超硬材料在機械加工中的重要作用。