金刚石及金刚石复合片用途与制造
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58 Al2O3
金刚石的硬度和耐磨 性远远高于其它硬质
材料，是目前加工高
耐磨工件不可或缺的 材料。见图：磨料的物
理性质
相对耐磨性
50
43
40
37
莫氏硬度
30
20
10
ห้องสมุดไป่ตู้
0
金刚石
CBN
14 9
SiC
Al2O3
江钻新材料事业部
Kg/mm2
三、耐磨材料之冠（二）
工业天然金刚石
人造金刚石单晶
江钻新材料事业部
江钻新材料事业部
二、人造金刚石的合成（续一）
两面顶压机是国际上进行高温高压合成的主体设备。 采用两个硬质合金顶锤，和压缸配合形成体积较大的 高压区。当前世界上使用的最大压机的压力为1.8万吨。 单次可生产金刚石上千克拉。
压缸通常用硬质合金制造，但压缸本身的强度不足以 承受几万大气压的拉力，因此需要在外围另加几层高 强度的过盈配合的钢环，使压缸受压到接近其抗压强 度。工作时，顶锤上下加压，压缸胀回到接近其抗拉 强度。此时压缸内组装块的压力可达到5万大气压以上。
江钻新材料事业部
三、耐磨材料之冠（一）
Kg/mm2
8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000
0
Knoop硬度 7000
4700
金刚石
CBN
2450 SiC
1200 1000
800
抗压强度 1065
720
600
400
300
200
0
金刚石
CBN
SiC
2100 Al2O3
江钻新材料事业部
宝石之王——钻石（天然金刚石）（续）
天然金刚石多产自从地球深 处冒出地表的金伯利岩矿脉。 金伯利岩原埋在地下130公 里以下，其中所含的碳在5 万大气压以上的压力下逐渐 转化为金刚石。
金伯利岩在接近地表时因压 力降低而形成喇叭口状的矿 脉，每10吨矿石才产出钻石 1克左右，其中宝石级更只 占1/10。
金刚石复合片用途与制造
江钻股份新材料事业部 2002年7月23日
第一章 金刚石的世界
一、宝石之王——钻石（天然金刚石）
金刚石是最硬的物质，而 且对光的折射能力最强， 因此大粒的天然金刚石早 成了“宝石之王”
最大的钻石为1905年南非 出产的钻石原石Cullinan， 重达3106克拉，切割和琢 磨成九颗宝石。其中有世 界第一大钻石Cullinan I （530克拉）及第三大钻石 Cullinan II（317克拉）。
一、金刚石的制造历史
由于天然金刚石产于地底深处，1953年起，从 高压技术着手，以铁等金属为催化剂，在高温 高压下将石墨转化为金刚石颗粒，大小40 m －1mm。目前全球市值约为15亿美元。
1960年起，美国杜邦公司利用爆炸所产生的高 温高压，把石墨在瞬间转化为金刚石微粒(＜ 10 m)
1971年起，在高温常压下，由氢分子分解的原 子将甲烷分解的碳催化成为金刚石，形成了低 压气相沉积的金刚石薄膜（厚度＜1mm），揭 开了金刚石发展暂新的一页。
PDC在制成工具时常承受高温条件，而且在使 用时，切削点也会摩擦生热。PDC在700℃ 以 上的高温时，由于金属钴、铁等的催化作用， 金刚石转化为石墨，其硬度和耐磨性会急剧降 低。
由于PDC内的金刚石颗粒是本体相连，并且排 列没有方向，PDC耐磨性接近于单晶金刚石， 但抗冲击性却远远超出。
PDC内的粘结金属钴源于硬质合金基体，并促 使与基体紧密相连，更提高了PDC的韧性。
改进粘结剂含量和金刚石粒度配比，PDC的耐 磨性和抗冲击性都会有一定程度的改变。
江钻新材料事业部
二、聚晶金刚石的热性能
江钻新材料事业部
二、人造金刚石的合成（续二）
江钻新材料事业部
第三章 聚晶金刚石
一、聚晶金刚石的制造
大型的金刚石单晶合成时间往往达到几十个小 时，并且金刚石的机械性能具有极强的方向性， 随着方向的不同，硬度和耐磨性有极大的差异， 这往往导致金刚石寿命降低或工件精度变差。
通过高温高压方式，将小颗粒的金刚石烧结成 块（PCD），时间大约半小时，制造成本大大 降低。
金刚石层
硬质合金基体
江钻新材料事业部
一、聚晶金刚石的制造（续二）
制造PCD及WC的复合体（PDC）时，先将细粒的金刚石 或微粉与已成型的WC基体（含钴13-16%）组装在金属杯 中。为使压力均匀，金属杯外需套较软的传压介质如叶蜡 石、食盐等。由于传压介质不导电，不能直接通电加热， 因此组装块需要另加导电管进行加热。
江钻新材料事业部
二、材料极品——金刚石的特性
性能 硬度最大 弹性模量最大 抗压强度最大 摩擦系数最小 声速最高 折射率最大 透光性最好 热膨胀系数最小 热传导率最强 化学惰性最好 能隙最大
用途 耐磨工具 高弹性弹簧 高压压头 高速轴承 喇叭振动膜 钻石饰品 X光观察窗 硅晶垫片 散热薄片 表面防护，化学品器具 下一代半导体材料
组装块放入高压装置，加压到5万大气压后通电加热，温 度超过1300℃ 时钴开始熔化并渗入到金刚石颗粒之间。碳 熔融再结晶形成结合力极强的金刚石-金刚石（D-D）键。
江钻新材料事业部
二、聚晶金刚石的机械性能
在PDC内，原始的金刚石晶粒的边界已经消失， 所有的颗粒基本上连为一体，形成以D-D键结 合的多晶体
三、耐磨材料之冠（三）
金刚石砂轮
石材切割锯片
江钻新材料事业部
三、耐磨材料之冠（四）
聚晶金刚石复合片
聚晶金刚石拉丝模
江钻新材料事业部
三、耐磨材料之冠（五）
聚晶金刚石刀具
油井钻进PDC钻头
江钻新材料事业部
三、耐磨材料之冠（六）
聚晶金刚石轴承
金刚石手术刀 （刀刃放大图）
江钻新材料事业部
第二章 金刚石的制造
聚晶金刚石（PCD）通过结合剂或自身粘结， 晶粒之间的结晶面方向是随机的，在使用时各 方向的磨损是均匀的，与磨损方向差异极大的 金刚石单晶不同。
江钻新材料事业部
一、聚晶金刚石的制造（续一）
从1970年代起，PCD开始大量生产。大部分PCD 烧结时以钴作为烧结助熔剂。有的PCD以硬质合 金为基体，形成金刚石-硬质合金复合片(PDC)。 这种产品兼有PCD的硬度和硬质合金的韧性，堪 称两种材料的完美组合。
江钻新材料事业部
二、人造金刚石的合成
主要设备是大吨位油压机，在装置中心产生几万个 大气压的高压。压机通常为两面顶和六面顶结构。
六面顶压机采用六个对向 压的硬质合金顶锤，向位 于中心的立方体合成块施 压。该压机制造成本不高， 易于投资，目前在中国大 约有4000台，但金刚石单 产只有10-20克拉，品级 也不高。
金刚石的硬度和耐磨 性远远高于其它硬质
材料，是目前加工高
耐磨工件不可或缺的 材料。见图：磨料的物
理性质
相对耐磨性
50
43
40
37
莫氏硬度
30
20
10
ห้องสมุดไป่ตู้
0
金刚石
CBN
14 9
SiC
Al2O3
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Kg/mm2
三、耐磨材料之冠（二）
工业天然金刚石
人造金刚石单晶
江钻新材料事业部
江钻新材料事业部
二、人造金刚石的合成（续一）
两面顶压机是国际上进行高温高压合成的主体设备。 采用两个硬质合金顶锤，和压缸配合形成体积较大的 高压区。当前世界上使用的最大压机的压力为1.8万吨。 单次可生产金刚石上千克拉。
压缸通常用硬质合金制造，但压缸本身的强度不足以 承受几万大气压的拉力，因此需要在外围另加几层高 强度的过盈配合的钢环，使压缸受压到接近其抗压强 度。工作时，顶锤上下加压，压缸胀回到接近其抗拉 强度。此时压缸内组装块的压力可达到5万大气压以上。
江钻新材料事业部
三、耐磨材料之冠（一）
Kg/mm2
8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000
0
Knoop硬度 7000
4700
金刚石
CBN
2450 SiC
1200 1000
800
抗压强度 1065
720
600
400
300
200
0
金刚石
CBN
SiC
2100 Al2O3
江钻新材料事业部
宝石之王——钻石（天然金刚石）（续）
天然金刚石多产自从地球深 处冒出地表的金伯利岩矿脉。 金伯利岩原埋在地下130公 里以下，其中所含的碳在5 万大气压以上的压力下逐渐 转化为金刚石。
金伯利岩在接近地表时因压 力降低而形成喇叭口状的矿 脉，每10吨矿石才产出钻石 1克左右，其中宝石级更只 占1/10。
金刚石复合片用途与制造
江钻股份新材料事业部 2002年7月23日
第一章 金刚石的世界
一、宝石之王——钻石（天然金刚石）
金刚石是最硬的物质，而 且对光的折射能力最强， 因此大粒的天然金刚石早 成了“宝石之王”
最大的钻石为1905年南非 出产的钻石原石Cullinan， 重达3106克拉，切割和琢 磨成九颗宝石。其中有世 界第一大钻石Cullinan I （530克拉）及第三大钻石 Cullinan II（317克拉）。
一、金刚石的制造历史
由于天然金刚石产于地底深处，1953年起，从 高压技术着手，以铁等金属为催化剂，在高温 高压下将石墨转化为金刚石颗粒，大小40 m －1mm。目前全球市值约为15亿美元。
1960年起，美国杜邦公司利用爆炸所产生的高 温高压，把石墨在瞬间转化为金刚石微粒(＜ 10 m)
1971年起，在高温常压下，由氢分子分解的原 子将甲烷分解的碳催化成为金刚石，形成了低 压气相沉积的金刚石薄膜（厚度＜1mm），揭 开了金刚石发展暂新的一页。
PDC在制成工具时常承受高温条件，而且在使 用时，切削点也会摩擦生热。PDC在700℃ 以 上的高温时，由于金属钴、铁等的催化作用， 金刚石转化为石墨，其硬度和耐磨性会急剧降 低。
由于PDC内的金刚石颗粒是本体相连，并且排 列没有方向，PDC耐磨性接近于单晶金刚石， 但抗冲击性却远远超出。
PDC内的粘结金属钴源于硬质合金基体，并促 使与基体紧密相连，更提高了PDC的韧性。
改进粘结剂含量和金刚石粒度配比，PDC的耐 磨性和抗冲击性都会有一定程度的改变。
江钻新材料事业部
二、聚晶金刚石的热性能
江钻新材料事业部
二、人造金刚石的合成（续二）
江钻新材料事业部
第三章 聚晶金刚石
一、聚晶金刚石的制造
大型的金刚石单晶合成时间往往达到几十个小 时，并且金刚石的机械性能具有极强的方向性， 随着方向的不同，硬度和耐磨性有极大的差异， 这往往导致金刚石寿命降低或工件精度变差。
通过高温高压方式，将小颗粒的金刚石烧结成 块（PCD），时间大约半小时，制造成本大大 降低。
金刚石层
硬质合金基体
江钻新材料事业部
一、聚晶金刚石的制造（续二）
制造PCD及WC的复合体（PDC）时，先将细粒的金刚石 或微粉与已成型的WC基体（含钴13-16%）组装在金属杯 中。为使压力均匀，金属杯外需套较软的传压介质如叶蜡 石、食盐等。由于传压介质不导电，不能直接通电加热， 因此组装块需要另加导电管进行加热。
江钻新材料事业部
二、材料极品——金刚石的特性
性能 硬度最大 弹性模量最大 抗压强度最大 摩擦系数最小 声速最高 折射率最大 透光性最好 热膨胀系数最小 热传导率最强 化学惰性最好 能隙最大
用途 耐磨工具 高弹性弹簧 高压压头 高速轴承 喇叭振动膜 钻石饰品 X光观察窗 硅晶垫片 散热薄片 表面防护，化学品器具 下一代半导体材料
组装块放入高压装置，加压到5万大气压后通电加热，温 度超过1300℃ 时钴开始熔化并渗入到金刚石颗粒之间。碳 熔融再结晶形成结合力极强的金刚石-金刚石（D-D）键。
江钻新材料事业部
二、聚晶金刚石的机械性能
在PDC内，原始的金刚石晶粒的边界已经消失， 所有的颗粒基本上连为一体，形成以D-D键结 合的多晶体
三、耐磨材料之冠（三）
金刚石砂轮
石材切割锯片
江钻新材料事业部
三、耐磨材料之冠（四）
聚晶金刚石复合片
聚晶金刚石拉丝模
江钻新材料事业部
三、耐磨材料之冠（五）
聚晶金刚石刀具
油井钻进PDC钻头
江钻新材料事业部
三、耐磨材料之冠（六）
聚晶金刚石轴承
金刚石手术刀 （刀刃放大图）
江钻新材料事业部
第二章 金刚石的制造
聚晶金刚石（PCD）通过结合剂或自身粘结， 晶粒之间的结晶面方向是随机的，在使用时各 方向的磨损是均匀的，与磨损方向差异极大的 金刚石单晶不同。
江钻新材料事业部
一、聚晶金刚石的制造（续一）
从1970年代起，PCD开始大量生产。大部分PCD 烧结时以钴作为烧结助熔剂。有的PCD以硬质合 金为基体，形成金刚石-硬质合金复合片(PDC)。 这种产品兼有PCD的硬度和硬质合金的韧性，堪 称两种材料的完美组合。
江钻新材料事业部
二、人造金刚石的合成
主要设备是大吨位油压机，在装置中心产生几万个 大气压的高压。压机通常为两面顶和六面顶结构。
六面顶压机采用六个对向 压的硬质合金顶锤，向位 于中心的立方体合成块施 压。该压机制造成本不高， 易于投资，目前在中国大 约有4000台，但金刚石单 产只有10-20克拉，品级 也不高。