超硬材料網(wǎng)

       自古以來(lái)，金剛石就一直引起人們的關(guān)注。這種極其稀有的天然礦物，大約在公元前三千年就在印度被發(fā)現(xiàn)。“金剛石”一詞源于阿拉伯語(yǔ)和希臘文，說(shuō)明金剛石極高的硬度早在古代就為人們所認(rèn)識(shí)。然而在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期里，人們僅把開(kāi)采的天然金剛石當(dāng)作“寶石”，主要用來(lái)制作華麗漂亮的高級(jí)裝飾品，如價(jià)值連城的鉆石項(xiàng)鏈和鉆戒等。

       人類(lèi)最早利用天然金剛石制作金剛石刀具，是利用天然金剛石自然棱角做切削刀刃進(jìn)行切割加工的，如砂輪整形刀、玻璃刻刀，珠寶、玉石雕刻刀等。后來(lái)，隨著鉆石首飾研磨拋光技術(shù)的發(fā)展，具有人工精磨而成切削刃的天然金剛石刀具應(yīng)運(yùn)而生。

▲ 精密金剛石砂輪整形刀

       二次世界大戰(zhàn)期間，為了滿(mǎn)足軍事裝備的精密切削加工的需要，以及二戰(zhàn)后為滿(mǎn)足手表精密零件，裝飾件和首飾雕花等的加工需要，天然金剛石刀具應(yīng)用市場(chǎng)逐漸發(fā)展起來(lái)。20世紀(jì)70年代，現(xiàn)代尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的許多產(chǎn)品，如用于航空工業(yè)的陀螺儀、激光器中的金屬反射鏡，雷達(dá)的波導(dǎo)管內(nèi)腔，激光打印機(jī)中的多面棱鏡，錄像機(jī)磁頭、復(fù)印機(jī)硒鼓、計(jì)算機(jī)磁盤(pán)基片以及太空望遠(yuǎn)鏡中的大型反射鏡、紅外反射鏡、紅外透鏡、菲尼爾透鏡等，都要求得到超光滑的加工表面和高的加工精度，用傳統(tǒng)的研磨拋光加工方法，不僅加工時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)用高，操作難度大，而且不易達(dá)到要求的精度。因此，亟需開(kāi)發(fā)新的加工方法。在現(xiàn)實(shí)需求的推動(dòng)下，在已有的金剛石車(chē)削技術(shù)基礎(chǔ)上，天然金剛石刀具超精密鏡面切削技術(shù)得到迅速發(fā)展。不僅作為超精密鏡面切削的關(guān)鍵技術(shù)之一的天然金剛石刀具技術(shù)在理論和實(shí)踐方面取得了創(chuàng)新和發(fā)展，而且天然金剛石超精密刀具應(yīng)用市場(chǎng)迅速擴(kuò)大，天然金剛石需求量也隨之迅速增加。然而，世界上天然金剛石中適合制作切削刀具的比例非常之小，不僅價(jià)格昂貴，而且貨源奇缺，這嚴(yán)重地影響了天然金剛石刀具的應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)充。

▲ 天然金剛石超精密車(chē)刀

       隨之出現(xiàn)的高溫高壓人工合成金剛石的研究始于1940年，瑞典和美國(guó)通用電氣公司分別于1953 年和1954年相繼研制成功。于1962年和1957年分別投人工業(yè)生產(chǎn)；之后，南非、日本、前蘇聯(lián)等國(guó)家也相繼宣布研究成功并投入生產(chǎn)。我國(guó)也于1963年成功制得第一顆金剛石。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前世界上有近20個(gè)多國(guó)家和地區(qū)生產(chǎn)人造金剛石。隨著世界工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，世界上人造金剛石工業(yè)不僅在產(chǎn)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)天然金剛石，而且在某些性能上（如抗沖擊韌性、抗磨均勻性、耐熱性、導(dǎo)熱性、透光性等）已超過(guò)天然金剛石。

       聚晶金剛石(簡(jiǎn)稱(chēng)PCD)刀具材料的發(fā)展始于對(duì)天然聚晶金剛石的研究。在自然界存在的聚晶金剛石中，其中有兩種命名為卡博納多（Carbonado）和巴拉斯（ballas）。卡博納多是一種由許多細(xì)小金剛石與少量其他物質(zhì)聚結(jié)而成的塊狀多晶體，晶粒呈無(wú)序排列故無(wú)解理面。巴拉斯的外形似球或者橄欖形，其堅(jiān)固的外殼由輻射狀的金剛石構(gòu)成。此兩種天然聚晶金剛石具有硬度高、耐磨、無(wú)解理面、抗沖擊性好等優(yōu)良特性。20世紀(jì)60年代初，為解決金剛石制造和加工使用過(guò)程中產(chǎn)生的金剛石微粉的利用問(wèn)題，人們提出能否將金剛石微粉副產(chǎn)品加工制造成人造卡博納多的發(fā)展思想。之后制造卡博納多的嘗試和方案如雨后春筍般不斷出現(xiàn)。1967 年前蘇聯(lián)的科學(xué)家宣布了人工合成由石墨相變聚結(jié)的人造巴拉斯和人造卡博納多。之后，美國(guó)、日本相繼完成了高壓高溫?zé)Y(jié)聚晶金剛石的試驗(yàn)。英國(guó)DeBeers公司早期的PCD產(chǎn)品就是先將金剛石微粉燒結(jié)成聚晶金剛石塊，然后通過(guò)高溫釬焊或二次高壓燒結(jié)的辦法，將PCD與硬質(zhì)合金或其他基體材料焊接在一起。之后又研究出超高壓高溫一次燒結(jié)成型。

▲ 聚晶金剛石PCD

       聚晶金剛石復(fù)合片(簡(jiǎn)稱(chēng)PDC)刀具材料的研究是在PCD研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。硬質(zhì)合金作為PCD的基體材料，既有好的韌性和一定的硬度，同時(shí)又具有可焊性以及與PCD的某種兼容性。因此，1973年美國(guó)GE公司首批商品供應(yīng)的Compax產(chǎn)品就是沿著這一認(rèn)識(shí)而設(shè)計(jì)的。它是將金剛石微粉在超高壓高溫下一次性燒結(jié)在硬質(zhì)合金基體上，從而將PCD與硬質(zhì)合金復(fù)合成一個(gè)整體。由于它既具有金剛石硬度和耐磨性又具有硬質(zhì)合金的韌性和可焊性之優(yōu)點(diǎn)，因此，它的出現(xiàn)具有劃時(shí)代的意義。之后，英國(guó)DeBeers公司于1977年推出了與Compax相似的產(chǎn)品Syndite系列；日本住友電氣公司推出了DA系列；瑞典桑得維克公司推出了CD系列。我國(guó)成都工具研究所1975年研制成功金剛石復(fù)合刀片F(xiàn)J系列；人工晶體研究所1979年初步制成? (12.5X4)mm和?(10X3)mm圓片狀復(fù)合刀片JYF型；1981年貴州第六砂輪廠(chǎng)研制出了JRS-F聚晶金剛石復(fù)合刀片，并成功地應(yīng)用于車(chē)刀、鏜刀、切刀、銑刀和寬刃光刀(刃長(zhǎng)20mm)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)外約有20多家生產(chǎn)和研究單位組織過(guò)60多個(gè)專(zhuān)家小組直接從事PCD、PDC材料的研究生產(chǎn)開(kāi)發(fā)。

▲ 聚晶金剛石復(fù)合片PDC

       低溫低壓化學(xué)氣相沉積(CVD)法制備金剛石是一種神奇的制備技術(shù)，起始于1970年前蘇聯(lián)的成功實(shí)驗(yàn)。約在1980年前后，日本人重復(fù)了前蘇聯(lián)人先前的工作，用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在低溫低壓下非金剛石襯底上氣相沉積生長(zhǎng)金剛石晶體是可行的。1986年2月，美國(guó)公開(kāi)宣布也用CVD方法低溫低壓生長(zhǎng)金剛石晶體取得成功。這項(xiàng)新技術(shù)立即引起了世界科技界極大的興趣和各國(guó)政府的密切關(guān)注。這股研究熱潮，不僅使發(fā)達(dá)國(guó)家如日本、美國(guó)、德國(guó)等投入了大量的人力物力，而且使發(fā)展中國(guó)家也相繼卷入。

▲ 獨(dú)立式CVD金剛石晶片

       自然界不存在立方氮化硼，立方氮化硼(CBN)是繼人造金剛石問(wèn)世以后，人工合成的硬度僅次于金剛石的第二種超硬材料。1957年美國(guó)GE公司首次成功合成CBN單晶，我國(guó)于1966年試制成功立方氮化硼。由于立方氮化硼的特殊性能和用途，作為磨料級(jí)的CBN單晶發(fā)展速度非常快，產(chǎn)量和年耗用量的增長(zhǎng)率都在迅速增長(zhǎng)。

▲ 立方氮化硼CBN

       聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具材料是借助于聚晶金剛石合成工藝過(guò)程發(fā)展起來(lái)的。由于PCBN刀具材料具有高硬度，高的熱穩(wěn)定性和與鐵族元素的惰性，它不僅可以廣泛應(yīng)用于普通鋼鐵材料的切削加工，而且還可加工淬硬鋼代替?zhèn)鹘y(tǒng)的磨削加工工藝。因此，近年來(lái)其應(yīng)用市場(chǎng)迅速發(fā)展。廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造業(yè)、重型設(shè)備的高耐磨部件如軋輥等的加工、宇航、軍工、噴涂焊等加工工業(yè)。

▲ 聚晶立方氮化硼（PCBN）

參考文獻(xiàn)：《PDC超硬復(fù)合刀具材料及其應(yīng)用》鄧福銘，陳啟武著

       以上是超硬刀具的發(fā)展簡(jiǎn)史，如果想進(jìn)一步了解國(guó)內(nèi)最新的研究進(jìn)展及前沿技術(shù)成果，敬請(qǐng)關(guān)注2022年11月15-17日由DT新材料&中國(guó)超硬材料網(wǎng)聯(lián)合舉辦的第六屆國(guó)際碳材料大會(huì)暨產(chǎn)業(yè)展覽會(huì)（Carbontech 2022），將于深圳國(guó)際會(huì)展中心（寶安新館）14號(hào)館盛大啟幕！

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