5超硬材料

金刚石与金属间的作用



金刚石与金属间的界面能高，不容易形成牢固结合 700℃以上与铁接触，石墨化、溶解于铁 第三周期元素镁、铝与金刚石与较好的黏结，镁不 会腐蚀金刚石，但铝在800 ℃以上会腐蚀金刚石， 并反应生成Al4C3。 第四周期元素从硒到镍容易与碳反应生成相应的碳 化物，对金刚石有较强的腐蚀作用。 第五周期元素锆、钼等与碳反应生成碳化物，但对 金刚石没有腐蚀作用。 第六周期元素钽、钨与碳原子发生反应，在较低温 度下不严重侵蚀金刚石表面。
主要国家发现金刚石的年代
洲别 亚洲 澳洲 南美洲 国别 印度 澳大利亚 巴西 圭亚那 委内瑞拉 发现年代 公元前 1851 1695 1887 1912
非洲
南非 纳米比亚 安哥拉 扎伊尔 坦桑尼亚 加纳 中非刚果 尼日尔
1867 1908 1907 1913 1913 1919 1931 1934
绳锯英文名称：Wire Saw 绳锯定义：利用绳锯木断的原理设计出来的一种对脆硬材料进行切割的一种锯。 绳锯的组成：绳锯驱动、飞轮、导向轮、绳锯链条（金刚石材料制作而成）。
其他名称：绳锯、线锯、金刚石绳锯机、钻石线锯机
绳 锯
金刚石串珠绳锯切割大理石矿--可以提高荒料和矿山的经济价值， 由于其切割面光滑，易于观察荒料质量、花色、条纹和其他特征， 以最佳的方式来观察荒料的质量，方便了矿主与客户共同确定最佳 的切割方向。而且，所出荒料高质量大规格（5-6立方米），可以 满足出口的要求，提高了荒料的价值。

3） 传质介质
作用：传压、密封、保温、绝缘 要求 具备传递压力的流体动力学特征 可压缩性尽量低 热传导性尽量低 导电性尽量低 熔点尽量高，且随压力的增加而增高 具有化学惰性 具有热稳定性

传质介质——叶蜡石




从叶蜡石、食盐、软金属、六方氮化硼、 大理石等中选择了叶蜡石 分子式：Al2O3· 2· 2O SiO H 结构：四面体连续层状 传压性、绝缘性、密封性好 结晶水需要去除 去除结晶水的方法：焙烧
冷压-烧结法
冷压-浸渍法
无压浸渍法
普通热压烧结法
真空热压烧结法
电火花烧结法
金刚石工具的种类
金刚石锯切工具
金刚石钻头
金刚石磨具
金刚石聚晶及复合片
金 刚 石 锯 片
世界最大 直径 （Φ5200 毫米）金 刚石圆锯 片基体
金刚石锯片，主要用于切割花岗岩、大理石、混凝土制品、 沥青道面、玻璃钢、耐火砖等硬脆质非金属材料。

模具：研磨、抛光（硬质合金、陶瓷、耐火材 料、玻璃、宝石、有色金属） 刀具：金属的车、铣、镗、钻，玻璃钢，硬塑 料 钻具：地质、石油、煤田等勘探，采掘 锯切工具：石材、建筑材料、陶瓷、耐火材料 等的切割 拔丝工具：钨、钼、铜、铝、不锈钢等 其它：模具、量具、刀具等的加工，玻璃刀， 医用等




目前主要有下述几种学说： 溶剂学说认为所用金属(合金)起着碳的溶剂作用； 催化学说则认为是一种催化剂； 固相转变学说则强调石墨晶体无需断键解体，经过简 单形变就形成金刚石晶体。 但这三种典型学说所提出模型往往同一些主要实验现 象和规律相矛盾。因此,近十年来，出现了溶剂-催化 剂、催化剂-溶剂、熔（溶）剂-触媒（简称为熔媒） 等学说进一步探讨所用金属（合金）的作用。总的说 来，人造金刚石的形成机制目前尚是一个仍在探讨中 的复杂问题。
居世界第一位，它的产量占全世界产量的1/3，而所有非洲的产量加在
一起约占全世界产量的1/2，仍超过澳大利亚，而且澳大利亚所产金刚 石的品位较低，大多适用于工业使用，可用于首饰的所占比例较低，
而非洲所产金刚石中用于首饰的比例较高，在南部地区所产的金刚石
中的85%可用于首饰，于是，消费者中凡论及钻石，言必称南非了。
金刚石

天然资源极为稀少 难以加工 大颗粒金刚石异常少见 外表美观，经琢磨后光彩夺目
长期被统治阶级所独占
神秘化
性能的来源

钻石为等轴晶系，晶体结构为立方面心格子，晶 胞参数a°=3.56A(1A=1mm/1千万。每两个相邻C 原子之间的距离都相等(1.54A)。这种结构C原子 间形成极其牢固的共价键， 要分开这种化学健必 须给以很大的能量。这就决定了金刚石具有一些 特殊的性质，如极高的硬度和化学稳定性。 钻石的晶形最常见的是八面体，其次是菱形十二 面体，较少见的是立方体。此外，可长成各种复 杂形态的聚形或歪晶。
5.2 金刚石的性能




5.2.1 天然金刚石 公元前8世纪在印度发现 18世纪在巴西、澳洲、南非发现 1965年在我国发现 18世纪末研究，法国拉瓦西发现金刚石燃烧 后变为气体 1797年英国滕南格研究证实金刚石是碳的同 素异形体
这块鸡蛋大小的钻石重达235克拉，4月19日从南非一个矿井出土。至于它 将被镶嵌在什么饰品上，令时尚界人士十分期待。
花岗岩荒料切割
大理石异形切割串珠绳
花岗岩矿山开采串珠绳
混凝土切割
利用串珠绳进行大荒料切割具有如下特点： 1、可锯切更厚的荒料。 2、锯缝更小，锯切更精确。 3、锯切可靠，可根据石种的不同采用不同的切割工艺。 4、噪音低，环保，绳锯切割较锯片切割噪音更低。
5.3.1 基本原理

石墨 → 金刚 石
“点石成金”

Δ G=G金刚石 －G石墨<0
金刚石合成

温度与压力不同，碳的状态不同 直接合成法：下限压力为13~15GPa，相当 于13~15个100kg/mm2 间接法（有特殊物质参与）可使温度与压 力降低 外延法


人造金刚石的形成机制

5. 超硬材料
5.1 概述





定义：以金刚石或立方氮化硼单晶为原料制取的 磨料、聚晶、及与其它材料结合而成的复合材料 及制品。 分类 金刚石粉———研磨粉、研磨膏 金刚石聚晶———钻头、拔丝模 金刚石制品（结合剂）———钻具、石材加工、 磨具 金刚石薄膜———刀具、模具表面涂层
超硬材料的用途

5.3.2 原料

1）. 石墨 碳的三种形式：金刚石、石墨、无定形碳 晶体结构 石墨化程度：高有利于形核，低有利于长 大 导热、导电性能 物理、力学性能：气孔率、强度等


2） 触媒材料
作用：促进金刚石合成（降低温度与压力） 选择原则 结构匹配、低熔点 对非金刚石碳有较高的溶解度和活化能力 分类 单体：Fe、Co、Ni等 二元或多元：Ni-Cr、Ni-Fe、Ni-Mo等
5.3.3 合成设备

1） 压机（两面顶、六面顶）
2） 顶锤
由硬质合金制成 更高的要求 负荷更大 保持温度与压力的时间更长 所需要的压力更大 措施 采用细的原材料 防止晶粒长大

5.4 金刚石工具
5.4.1 粉末冶金法的优点

能够与复杂的形状相对应，无需加工 可调节胎体成分，使工具具有不同的性能， 胎体出来可选择范围宽 只有粉末冶金法才能使金刚石与金属结合
沥 青 等 材 料 。
于 切 割 大 理 石 、 花 岗 石 、 混 凝 土 、 钢 筋 混 凝 土 、
承 受 能 力 强 ,
切 割 安 全 性 好 等 优 点 。 特 别 适 高 用 温 ,
激 光 焊 接 金 刚 石 圆 锯 片 具 有 焊 接 强 度 高
超厚金刚石圆锯片,也称宽水槽锯片、开槽锯片；主 要用于切割混凝土伸缩缝、宽缝和特殊需加宽的涨缝.
金刚石刻字笔产品采用优质天然金刚石精制 而成,使用它来雕刻文字花纹,具有高效率,质 量好,使用方便等特点. 广泛适用于化工、医 疗、仪器、国防科技等单位.在玻璃、陶瓷等 非金属材料刻花写字,化验品上记数字等.
天然金刚石工具
利用天然金刚石的硬度 及自然尖角来修整砂轮
金刚石砂轮刀
PCD刀具由于其极高的硬度，在
金 刚
石
磨
盘
金刚石玻璃打孔钻头用于各 种玻璃打孔使用，耐磨不崩 边、效率高、寿命长。
金刚石倒角套用于各种玻璃打孔使用，耐磨不崩边、锋锐有力、效 率高、寿命长、起到产品质量档次上的提高。
金刚石异形磨轮
树脂磨轮
金刚石钻头、磨头，用于玻璃，石材 钻孔，铣槽打磨等。
金刚石钻头
软 磨 片
金 刚 石 布 拉 磨 具
主要产地

在十八世纪之前，印度是世界上最主要的金钢石供应国，后来在一七
二五年巴西发现了大型金矿石矿藏，巴西成了世界上第一大供应国， 印度退居第二位供应国，又经过150年的大量开采，巴西、印度相继出
现矿源枯竭的趋势，这时在非洲南部又发现了大量的金刚石矿，开采
的锋芒转向南部非洲，直至今日非洲的产量一直居世界领先地位，但 从一九八O年，澳大利亚发现大型钻石矿后，澳大利亚的金钢石产量跃


采用特殊的工艺（热压、电火花烧结等） 能够制备出形状复杂、性能优异的制品
改善金刚石与金属结合能力的方法
金刚石表面金属化 真空沉积或等离子体喷涂钛 低温电镀Co、W、P 镀衣金刚石 化学镀铜 电镀镍 热处理使金刚石表面粗化

含硼金刚石
镀镍金刚石
镀铜金刚石
5.4.2 热固结及设备
金刚石
8857
WC
3520
B4C2070源自刚玉2500钢1270
热稳定性
温度
993
与介质有关、与杂质有关 周围介质
氧气
状态
开始氧化
1123
1023~1073
空气
铁或铁基合金
开始氧化
溶解于铁
1773~1873
2373
真空和惰性气体
真空和惰性气体
石墨化
全部转变为石墨
性能归纳

1、 化学成份：碳，“C” 2、 晶系：等轴晶体，均质体， 3、 颜色：无色，通常略带黄色，也有蓝、红、紫、褐、绿、黑等色 4、 硬度：10度 5、 相对密度：3.52 6、 光泽：金刚光泽 7、 透明度：透明 8、 折射率：2.42 9、 色散：0.044 10、 发光性：在紫外线光或X光照射后常呈可见荧光和磷光 11、 热导性：钻石是热导性最佳的物质 12、 化学性能：耐酸耐碱，化学性质稳定 13、 在X光照射下呈全穿透性 14、 亲油性和疏水性 15、 经辐射后可改色，金黄、粉红、玫瑰、天蓝、绿色等。
加工铝制工件及其他有色金属及 其合金时使用寿命极高，近年来
随着汽车制造业大量应用轻型材
料（如铝合金、复合材料、塑料 等），PCD刀具的应用也大量增
加。现在汽车发动机的汽缸体、
汽缸盖、变速箱的壳体、阀体、 槽体、侧盖等零件很多都采用铝
件，这些零件的加工中就大量采
用了PCD刀具，取得很好的效果， 一般每把刀的寿命都在加工几千 件工件左右，长的可达1.5至2万 件。
金刚石与石墨的结构
5.2.2 性能

硬度 物质
1GPa=109N/m2
金刚 石
CBN B4C 45
WC
刚玉
黄玉
石英 0.82
Knoop 70
硬度
（GPa）
27.5 18.8 16~20 －
莫氏硬 10 度 6：长石 2：石膏
－
－
－
9
8 3：方解石
7
5：磷灰石 1：滑石
4：萤石
强度
物质
抗压强度 （MPa）
金刚石的形成

只有在金伯利岩管处才有金刚石矿，金伯利岩管的形成是一种复杂的地球 变化过程的产物，地球由三大部分组成，地球的表面有一层厚厚的地壳， 地球中心有一个结构非常紧密的核心，要地核与地壳中间地幔（俗称岩 浆），地球不是一个整体，而是由六大板块组合而成，必然地，板块与板 块之间岩浆在地壳板块的压力下必然会沿着缝隙上升，如果某处的缝隙在 地球表面，就形成了火山的爆发，而当这种缝隙在地球表面被坚硬的岩石 堵住时，上升的岩浆承受了巨大的压力，在无法冲破岩石的情况下，这股 岩浆也就只能逐渐冷却，最后成为管状的矿体嵌在地壳的缝隙中间，这管 状的矿体由高温的岩浆逐渐冷却的过程中，必然有很长一段时间是处于 1100~1657°C范围内，岩浆处于这种温度范围时，岩浆中的碳分子就被挤 压而形成了金刚石。平均每挖四吨土才能找到一克拉金刚石矿石，富矿的 钻石得盖率是二千万分之一，即使在金伯利岩管的矿体内开采金刚石，尚 且如此之稀少，那么它的价值的昂贵也就能充分理解了。
5.3 金刚石的合成




1954年，美国通用电气公司，高温、高压、 金属触媒，合成了金刚石，开创了工业规模 生产人造金刚石磨料的先河，现在年产量在 20吨左右； 不久，杜邦公司利用瞬时爆炸产生的高压和 急剧升温，也获得了几毫米大小的人造金刚 石。 我国：1961年开始研究，63年合成，65年工业 生产 1994年，我国有合成压机4000台，单晶年产 8000万克