金刚石及金刚石复合片用途与制造
人造金刚石硬质合金复合片项目
人造金刚石硬质合金复合片项目简介一、项目概述金刚石具有极其优异的力学、电学、热学、声学和光学等性质。
其优异的力学性能突出地表现在其硬度在已发现的材料中最高的，可达到1000kg/mm2，加之其磨擦系数非常小（约0.05），因而可用作切削刀具、钻头、轴承、压模、拉丝模、精密量具的涂层等，不仅提高使用寿命，还可提高加工精度。
从而大大提高机械加工效率。
在硬质合金基体上利用高温高压烧结一层厚度为0.5-0.7mm的金刚石微粉形成硬质合金-金刚石复合材料，称之为聚晶金刚石复合片（Polycrystalline Diamond Compacts，简称PDC）刀具材料。
由于它既具有金刚石的高硬度和强度同时又具有硬质合金韧性，被广泛应用于石油地质钻头、拉丝模具、以及有色金属及其合金、木工材料、陶瓷材料、复合材料的精密及半精密的连续或断续切削加工，已经或正在全面取代天然或人造大颗粒金刚石单晶刀具和传统硬质刀具（如硬质合金刀具、涂层刀具、陶瓷刀具等）。
随着现代制造业尤其是汽车制造业的快速发展，PDC超硬刀具材料的生产及应用也在超常速增长。
据有关资料报导，八十年代末期PDC刀具全球销售额仅为50万美元，至1997年PDC刀具销售额已达2.3亿美元。
其中大部分（约60%）用于汽车零件的切削加工，其次，PCD刀具近30%用于木工刀具。
国内PDC刀具市场已超过1亿元人民币，其厂家主要分布在上海、北京、深圳、西安、郑州、长沙、廊坊等地。
这些厂家一般采用国外G·E公司、Beer's公司复合片原材料，目前自主开发PDC超硬刀具材料的国内厂家很少。
随着我国国内机床工业面临着升级换代，新的加工技术如CNC及数控机床将得到普遍广泛使用。
可以预言，可实现高效率、高稳定性、高精度，长寿命的PDC超硬刀具的应用也会日益普及，PDC超硬刀具材料的市场发展前景十分看好。
本项目属于国家技术经济政策鼓励重点发展的两个高新技术产业领域：其一是新材料产业，本项目的原材料超硬材料属于新材料；其二是现代先进制造业，本项目产品是现代制造业必不可少的新型先进加工工具。
金刚石材料刀具简介
金刚石材料刀具简介可以制成切削刀具的金刚石材料有天然单晶金刚石、人造单晶金刚石、化学气相沉积法(CVD)金刚石厚膜、人造聚晶金刚石复合片等。
1、天然单晶金刚石天然单晶金刚石是一种各向异性的单晶体。
硬度达HV9000-10000，是自然界中最硬的物质。
这种材料耐磨性极好，制成刀具在切削中可长时间保持尺寸的稳定，故而有很长的刀具寿命。
天然金刚石刀具刃口可以加工到极其锋利。
可用于制作眼科和神经外科手术刀；可用于加工隐形眼镜的曲面；可用于切割光导玻璃纤维；用于加工黄金、白金首饰的花纹；最重要的用途在于高速超精加工有色金属及其合金。
如铝、黄金、巴氏合金、铍铜、紫铜等。
用天然金刚石制作的超精加工刀具其刀尖圆弧部分在400倍显微镜下观察无缺陷，用于加工铝合金多面体反射镜、无氧铜激光反射镜、陀螺仪、录像机磁鼓等。
表现粗糙度可达到Ra(0.01-0.025)μm。
天然金刚石材料韧性很差，抗弯强度很低，仅为(0.2-0.5)Gpa。
热稳定性差，温度达到700℃-800℃时就会失去硬度。
温度再高就会碳化。
另外，它与铁的亲和力很强，一般不适于加工钢铁。
2、人造单晶金刚石人造单晶金刚石作为刀具材料，市场上能买到的目前有戴比尔斯(DE-BEERS)生产的工业级单晶金刚石材料。
这种材料硬度略逊于天然金刚石。
其它性能都与天然金刚石不相上下。
由于经过人工制造，其解理方向和尺寸变得可控和统一。
随着高温高压技术的发展，人造单晶金刚石最大尺寸已经可以做到8mm。
由于这种材料有相对较好的一致性和较低的价格，所以受到广泛的注意。
作为替代天然金刚石的新材料，人造单晶金刚石的应用将会有大的发展。
3、人造聚晶金刚石人造聚晶金刚石(PCD)是在高温高压下将金刚石微粉加溶剂聚合而成的多晶体材料。
一般情况下制成以硬质合金为基体的整体圆形片，称为聚晶金刚石复合片。
根据金刚石基体的厚度不同，复合片有1.6mm、3.2mm、4.8mm等不同规格。
而聚晶金刚石的厚度一般在0.5mm左右。
金刚石复合片的现状及新的应用范围
金刚石复合片的现状及新的应用范围赵尔信【摘要】国产金刚石复合片的水平已有大幅度提高，但与国外复合片相比，仍有差距，主要是复合片热性能较差，为此采用有效技术措施，进行脱钴技术的研究。
为充分发挥复合片的性能，研究一种复合片与牙轮的组合式钻头，已在页岩气钻进中发挥了显著的作用。
%The standard of domestic diamond compact has been substantially improved. But it is still not as good as that of the other countries.The main weakness of our product is the poor thermal properties.In order to solve this problem,the research of cobalt-elim-ination technology has been conducted through effective technical measures.To bring the performance of the diamond compact into full play,a type of integral drill bit which com-bines diamond compact and roller cone has been under research and it has been playing a remarkable role in shale gas drilling.【期刊名称】《超硬材料工程》【年(卷),期】2016(028)002【总页数】4页(P50-53)【关键词】金刚石复合片;组合式钻头;齿状复合片【作者】赵尔信【作者单位】北京探矿工程研究所，北京 100083【正文语种】中文【中图分类】TQ164我国金刚石复合片产业取得了突飞猛进的发展,可以说是世界上的生产大国,基本上能满足国内油气田和地质勘探的需求,但尚存在一些问题,特别是对金刚石复合片的热性能仍研究不深,致使复合片仅限用于软——中硬地层,要扩大其应用范围,应研究提高复合片的抗热性能以及改变复合片的结构,更为有效的是研究复合片和牙轮钻头的组合,可使复合片应用于复杂地层,拓展复合片的应用领域。
金刚石复合片[实用新型专利]
![金刚石复合片[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/069a35f5c5da50e2534d7fb2.png)
专利名称：金刚石复合片
专利类型：实用新型专利
发明人：胡朝辉,李杰,杨世珍,陈刚,罗志祥,蒋文峰申请号：CN201120440413.3
申请日：20111109
公开号：CN202325249U
公开日：
20120711
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种金刚石复合片，包括硬质合金衬体以及连接于硬质合金衬体顶部的金刚石层，金刚石层呈冠状，金刚石层中间的冠顶处厚度最大且厚度向两侧逐渐减小。
本实用新型具有结构简单紧凑、具有高硬度、高抗冲击韧性、高耐磨性、破岩效率高、使用寿命长以及高性价比等优点。
申请人：湖南飞碟新材料有限责任公司
地址：410007 湖南省长沙市雨花区曙光中路232号
国籍：CN
代理机构：湖南兆弘专利事务所
代理人：周长清
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金刚石的用途初中化学物质
金刚石的用途初中化学物质金刚石是一种由纯碳元素构成的硬度极高的矿物，它具有许多重要的用途。
以下是金刚石的一些主要用途：1. 钻石饰品：金刚石是一种非常珍贵的宝石材料，被用于制作各种珠宝首饰，如戒指、项链、耳环等。
其极高的硬度和闪耀的外观使钻石成为最受欢迎的饰品之一。
2. 工业用途：金刚石的硬度和耐磨性使其成为许多工业应用的理想选择。
它被广泛用作切割工具，特别是用于切削和磨削非金属材料，如陶瓷、玻璃和混凝土。
金刚石也用于制作益智玩具，如魔方，以及许多其他工业用途。
3. 电子领域：由于金刚石的导热性和电绝缘性，它被用于制造高功率电子设备的散热器。
金刚石散热器能够有效地将热量传输到周围环境中，提高设备的效率和寿命。
4. 石油和矿物勘探：金刚石钻头用于石油和矿物勘探，因为它们能够在地下非常高压和高温的环境下进行钻探。
金刚石钻头能够切削各种硬质岩石，使得石油和矿产资源的开采更为容易。
5. 医疗领域：金刚石被用于医疗器械和手术刀片，因为它的硬度能够提供更长的使用寿命和更好的切割能力。
金刚石刀片用于进行手术切割和植发手术等精细操作。
6. 光学领域：金刚石具有优异的光学特性，被用于制造高质量的光学透镜和窗口。
金刚石的硬度和光学透明性使其成为许多科学仪器的关键部件。
7. 超硬刀具：金刚石刀具由于其极高的硬度和热稳定性，被广泛应用于材料加工行业。
金刚石刀具能够切削各种硬质材料，如合金钢、陶瓷和复合材料，具有较长的使用寿命和高加工效率。
8. 电子磁盘：金刚石被用于制造硬盘驱动器的读写头部分。
金刚石的硬度和耐磨性使得读写头能够在高速旋转的硬盘上精确地读取和写入数据。
9. 信号传输：金刚石纳米线是一种被用于更高速率的信号传输的新型材料。
这种纳米线具有高导电性和稳定性，可用于制造高频率电子器件和传感器。
综上所述，金刚石具有非常广泛的应用领域，包括珠宝制作、工业用途、电子领域、石油和矿物勘探、医疗器械、光学领域、刀具制造以及信号传输等。
金刚石复合片
金刚石复合片(polycrystalline diamondcompact PDC)作为一种新型复合材料，其发展历史仅有十几年，但其应用范围已发展到各行各业，广泛地应用于地质钻探、非铁金属及合金、硬质合金、石墨、塑料、橡胶、陶瓷和木材等材料的切削加工等领域。
它的表层为金刚石粒度不同的粉末烧结而成的多晶金刚石，具有极高的硬度、耐磨性和较长的工作寿命;底层一般为钨钴类硬质合金，它具有较好的韧性，为表层聚晶金刚石提供良好的支撑，且容易通过钎焊焊接到各种工具上。
目前国内外一般都采用超高压高温烧结的方法制造聚晶金刚石-硬质合金复合片。
由于它的使用范围扩大，对其性能的要求提高，因而相应的性能检测方法也经过了一个快速的发展过程，在检测的准确性和有效性方面都趋于成熟。
1金刚石复合片的性能金刚石复合片之所以应用如此广泛，主要是因为其具有其他材料无与伦比的优越的性能。
(1)高的硬度和耐磨性(磨耗比)。
复合片的硬度高达10 000 HV左右，是目前世界上人造物质中最硬的材料，比硬质合金及工程陶瓷的硬度高得多。
由于硬度极高，并且各向同性，因而具有极佳的耐磨性。
一般通过磨耗比来反映复合片的耐磨性，在20世纪80~90年代中期，复合片磨耗比为4~6万(国外为8~12万); 20世纪90年代中期至现在，复合片的磨耗比为8~30万(国外10~50万)。
(2)热稳定性。
复合片的热稳定性确定了其使用范围，复合片的热稳定性[2]即为耐热性，与其强度和磨耗比一样，是衡量PDC质量的重要性能指标之一。
耐热稳定性是指在大气环境(有氧气存在)下加热到一定的温度，冷却以后聚晶层化学性能的稳定性(金刚石墨化的程度)、宏观力学性能的变化和对复合层界面结合牢固程度的影响。
热稳定性的变化在750℃烧结以后，国内部分厂家产品表现为磨耗比上升5% ~20%，抗冲击韧性变化不大，部分厂家产品磨耗比下降，抗冲击性能下降，这与各个单位所采用的配方和工艺不同有关，国外复合片的磨耗比和抗冲击韧性烧结前后变化不大。
金刚石先进复合材料的研究及应用
金刚石先进复合材料的研究及应用张旺玺;穆云超;梁宝岩;卢金斌【摘要】金刚石的应用主要分为两类,一类是用于制作金刚石工具,如磨具、刀具等;另一类是用于制备金刚石功能材料,如导热材料.文章主要介绍了金刚石与金属、碳化硅或树脂等新型先进复合材料的研究现状、制备方法及主要应用前景.金刚石/金属复合材料与金刚石/碳化硅复合材料主要采用气相沉积法和烧结法来制备,烧结可以采用高压高温、脉冲电流烧结、微波、等离子体和反应渗透烧结等多种方式和热源,所制备的复合材料是热管理应用的理想材料,也可以用作耐磨材料.金刚石/树脂复合材料主要把金刚石共混到树脂基体中,可以提高树脂的导热率,或用作精密抛光材料.【期刊名称】《超硬材料工程》【年(卷),期】2014(026)003【总页数】4页(P10-13)【关键词】金刚石;复合材料;耐磨;导热【作者】张旺玺;穆云超;梁宝岩;卢金斌【作者单位】中原工学院材料与化工学院,郑州451191;中原工学院材料与化工学院,郑州451191;中原工学院材料与化工学院,郑州451191;中原工学院材料与化工学院,郑州451191【正文语种】中文【中图分类】TG146.642在现代工业技术中,为了提高材料的伺服寿命、满足苛刻条件下或新领域的应用,对提高材料耐磨性的要求越来越高[1]。
尽管耐磨材料需要足够的耐化学性能、热性能和力学性能,但是一般还需要很高的硬度和断裂韧性,因此金刚石超硬复合材料是比较理想的选择。
由于金刚石硬度高、导热性好,具有许多优异的性能,除用于首饰、光学材料外,在许多工业领域得到了广泛应用,如切削工具、钻探工具或高导热基体材料。
金刚石超硬复合材料不仅需要良好的机械性能(如,耐磨性能、使用寿命长等),还要具有良好的导热性[2,3],以便有效冷却,避免工具及加工件产生过高温损害。
一般意义上说,金刚石工具制品,如磨具、刀具、锯切刀头等,都是金刚石或其他超硬材料与金属、陶瓷或树脂组成的复合材料。
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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。
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）。
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
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
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。
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。
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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。
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。
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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
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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
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。
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二、聚晶金刚石的热性能
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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
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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。
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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。
三、耐磨材料之冠（三）来自金刚石砂轮石材切割锯片
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三、耐磨材料之冠（四）
聚晶金刚石复合片
聚晶金刚石拉丝模
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三、耐磨材料之冠（五）
聚晶金刚石刀具
油井钻进PDC钻头
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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）
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第二章 金刚石的制造
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。
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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。
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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。