国内外超硬材料制品的新发展_王秦生

图 ７ 金刚石制品专用设备
由中原工学院和郑州金海威科技实业有限公司等 单位联合开发的规则 植 砂 高 效 自 动 成 型 机 ， 新近在国 内问世并逐渐完善 ， 可以解决有序排列金刚石工具生 产效率低的瓶颈问题 ， 将会对有序排列工具新技术的 推广应用起到巨大的促进作用 ． ２． ３ 焊接设备 自动 高 频 焊 机 得 到 普 遍 应 用 ； 在 此 基 础 上， 功率 图 ８） 成功应用于焊接中型和小型 ２ｋＷ的激光焊 机 （ 规格的金刚石锯片 ． ３ ０ ０ｍｍ 以下的锯片可以单面一 次焊成 ； 由于目前激 光 ３ ０ ０ ｍｍ～ ５ ０ ０ ｍｍ 的锯片 ， 焊机的功率不够大 ， 需要两面焊接才能完成 ． ２． ４ 后处理设备 、 自动磨孤机 、 自动开刃机（ 图 ９） 应 力 检 测 仪、 应 力校正仪 （ 张力调整 机 ） 等， 这些金刚石工具后加工设 备和产品质量检测专 用 仪 器 设 备 ， 国内产品已经成功
第２ ４ 卷第 ６ 期 ２ ０ １ ３年２月
中原工学院学报 Ｊ ＯＵＲ ＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ Ｚ ＨＯＮＧ ＹＵＡＮ ＵＮ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ Ｏ Ｆ Ｔ Ｅ ＣＨＮＯ Ｌ Ｏ Ｇ Ｙ
ｏ ． １ Ｖ ｏ ｌ ． ２ ４ Ｎ ， Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０ １ ３
（ ） １ ６ ７ １－６ ９ ０ ６ ２ ０ １ ３ ０ １－０ ０ ４ ２－０ ５ 文章编号 ：
图 ６ Ｃ Ｖ Ｄ 金刚石膜射频元件
机械 类 薄 膜 制 品 ： 薄 膜 刀 具、 薄 膜 修 整 器、 耐磨器 件等 ．
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王秦生 ， 等： 国内外超硬材料制品的新发展
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取代进口 ， 在全行业推广应用 ．
２ 设备的发展
２． １ 原料处理设备 自动称料机 （ 电子 称 ） 代 替 人 工 称 料， 应用于自动 提高效率１ 生产线上 ；三 维 高 效 涡 流 混 料 机 ， ０倍以 上； 自动制粒机的应用 ， 使得造粒技术得以成功推广 ． ２． ２ 压制成型烧结设备 自动投料机、 自动冷压机、 自动烧结热压机、 真空热 ） 连续热压烧结炉等先进设备 （ 图７ 的投入使 压烧结炉、 用， 为金刚石工具自动化生产线提供了成套装备． 郑州金 海威科技实业有限公司等单位生产的设备， 基本满足国 成功替代进口， 而且出口到十多个国家和地区． 内需要，
１ 产品的发展
超硬材料工具半 个 多 世 纪 的 发 展 历 程 ， 大体可划 ： 分为 ５ 个阶段 （ ５ 次浪潮 ） — — — 磨具热 １． １ 第一次浪潮 （ ２ ０ 世纪 ６ ０ 年代起 ） ） 磨削工具 （ 图 １、 图２ 包括 ： 通用磨具 （ 砂轮 、 砂瓦 、 ； 磨石 、 磨头等 ） 专用石 材 磨 具 （ 盘磨 辊等） 和光学玻璃 ； 磨具 （ 精磨丸片 、 磨边砂轮等 ） 特殊磨具 （ 电解磨轮 ， 柔 性磨具等 ） ． 超硬材料 （ 金 刚 石、 磨具与普通磨料（ 碳化 Ｃ Ｂ Ｎ） 硅、 刚玉 ） 相比 ， 具有 巨 大 的 优 越 性 ： 加 工 精 度 高、 加工
功能元件 、 耐磨器 超硬材料制品可分为加工工具 、 ［ １］ 件等几大类 ． 加工工具 ： 精密 、 高效 、 节能 、 降耗 、 绿色 、 先进加工 工具 ， 主要有 磨 削 工 具 、 锯 切 工 具、 钻 进 工 具、 切削刀 修正工具 、 拉丝模具等 ． 具、 功能元件 ： 具有特殊的声 、 光、 电、 热等物理性能的 功能元件 ． 耐磨 器 件 ： 机 床 导 轨、 硬 度 计 压 头、 制 动 器 件、 轴 承、 粗糙度测定仪等 ． 这些产品广泛应 用 于 国 民 经 济 的 各 行 各 业 ， 并在 国防和科研中扮演越来越重要的角色 ． 例如 ， 用于加工 加工长二捆火箭 ， 加工导弹 原子反应堆的中子控制棒 ， 防流罩 ， 用作激光器的发射窗口 ， 用作 Ｌ Ｅ Ｄ 光源等 ．
２ ０ １ ２－０ ７－３ ０ 收稿日期 ： ， 王秦生 （ 男， 河南叶县人 ， 教授 ． １ ９ ４ ２－ ） 作者简介 ： 图 １ Ａ Ｄ Ｉ系列产品
效率高 、 使用寿命延 长 数 十 至 数 百 倍 ． 例 如， 用金刚石 砂轮加工硬质合金 ， 其寿命是碳化硅砂轮的 ２ ０ ０ 多倍 ． 又如 ， 用立方氮化硼 砂 轮 可 以 解 决 刚 玉 砂 轮 不 能 解 决 — —对 飞 机 发 动 机 的 喷 油 嘴 进 行 精 密 磨 削 加 的 问 题— 工， 以保证其足够长的使用寿命 ， 从而延长飞机的远程 巡航时间 ． 精密加工用金刚 石 磨 具 和 立 方 氮 化 硼 磨 具 ， 是现
图 ５ 绳锯
修整工具 ： 从常规 修 整 器 （ 单 点 式、 多点式的修正 笔、 修正快 ） 向成型修 整 器 （ 修整滚轮） 的 转 变， 是修整 工具发展的历史性进步 ． 复杂型面高精度滚轮 ， 其尺寸 可实现超精密修正和超精密加工 ． 精度达到 ±２μ ｍ， 拉丝模具 ： 人造金 刚 石 聚 晶 拉 丝 模 寿 命 比 天 然 金 刚石拉丝模高 ５ 倍 ， 比硬质合金高 ２ 能够胜任拉 ５ ０倍， 制特硬 、 特细的各种金属丝 ． 其他 工 具 ： 粗 糙 度 测 定 仪 触 头， 硬 度 计 压 头， 牙医 磨头 ， 发动机气缸珩磨油石 ， 什锦锉 ， 指甲锉等 ． 功能元件 ： 化学气 相 沉 积 （ 金刚石薄膜可以 Ｃ Ｖ Ｄ） 制成各种具有特殊 声 光 电 热 性 能 的 功 能 元 件 和 器 件 ． 按照用途分为功能薄和机械膜 ２ 类 ． 、 功能类薄膜制品 ： 热沉元件 （ 热学级薄膜 ） 激光窗 、 口（ 光学 级 薄 膜 ） 介电射频元件（ 电 子 级 薄 膜， 图 ６） 等．
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图 ３ 钻头 图 ２ Ｎ Ｉ Ｃ Ｏ Ｌ Ａ Ｉ系列磨具
劳动强度低 ． 在全世 界 地 质 钻 头 和 石 油 钻 头 钻 探 总 量 中， 金刚石钻头工作量已经占 ８ ０％ 以上 ． — — — 锯片热 １． ３ 第三次浪潮 （ ２ ０ 世纪 ８ ０ 年代起 ） 、 锯切工 具 包 括 金 刚 石 圆 锯 （ 图 ４） 排 锯、 绳锯（ 图 ） 、 半导体线锯 、 超 薄 切 割 片 等． 这 是 一 类 高 效、 节 能、 ５ 、 降耗 无公害的绿色新型锯切工具 ．
排锯 ： 用于大理石 ６ ０ 条以 上 锯 条 组 合 成 框 架 锯 ， 解板 ． 采用粉末冶金和焊接方法制造的金属结合剂金刚 排锯 ， 在２ 随 石圆锯 、 ０世纪７ ０ 年 代 后 得 到 迅 速 发 展， 后又开发了各种磨盘 、 激光焊接圆锯和绳锯 ， 从而成为 这类用于加工天然和人造 金刚石工具中的一个 大 类 ． 石材等建筑材料的工 具 所 耗 用 的 金 刚 石 数 量 ， 在国内 占５ 外耗用的工业金刚石总量中上升 到 第 一 位 ， ０％ 左 右． 近年来 ， 又出现了光伏行业加工单晶硅和多晶硅的 金刚石线锯 ． — — — 刀具热 １． ４ 第四次浪潮 （ ２ ０ 世纪 ９ ０ 年代起 ） 超硬材料刀具 （车 刀 、 铣 刀、 铰刀等） 是现代制造 业必不可少的新型刀具 ． 金刚石 聚 晶 （ 刀 具 ：加 工 对 象 为 有 色 金 属 Ｐ Ｃ Ｄ） （ 、 木材 、 塑胶 ． Ａ ｌ合金 、 Ｃ ｕ 合金 ） 立方氮化 硼 （ 刀 具： 加工对象为硬而韧的 Ｐ Ｃ Ｂ Ｎ） 合金钢等难加工钢材 ． 金刚石刀具和立 方 氮 化 硼 刀 具 的 出 现 ， 意味着刀 具材料的革命性变化 ， 解决了难以加工的硬脆材料和 硬韧材料的加工问题 ． 金刚石刀具具有 很 高 的 耐 磨 性 ， 金刚石车刀比硬 质合金车刀寿命长上百倍 ． 在加工汽车发动机汽缸时 ， 利用金刚石车刀进行 精 车 ， 达到很高的尺寸精度和表 可以收到以车代磨的显著效果 ． 面粗糙度 ， Ｃ Ｂ Ｎ 车刀具有 极 低 的 表 面 粗 糙 度 以 及 极 高 的 热 硬性 （ 这种“ 红硬性” 可用 １ ４ ０ ０ ℃ 时仍保持其硬度） ． 于高速 干 切 削 ， 高速切削产生的高温软化了被加工材
图 ４ 圆锯
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改善了材料的可加工性 ． 该车刀在工业发达国家已 质， 广泛用于精密数控 机 床 、 多 用 途 机 床、 专 用 高 速 机 床、 柔性加工系统的自动化生产线 ． — — — 整体热 １． ５ 第五次浪潮 （ ２ １ 世纪 ） 进入本世纪以来 ， 各种超硬材料工具在我国和世 界上许多发达国家得到了蓬勃发展 ， 进入了多品种 、 系 专用化 、全方位大发展的阶段 ． 列化 、 我国已成为世界 超 硬 材 料 第 一 大 国 ． 超硬材料及 制品行业被列入 “ 十 二 五” 规 划 重 点 发 展 领 域， 并且被 列入战略性新兴产业 ． 除了 上 述 的 磨 具 、 钻 头、 锯 片、 刀具等四大类工具 之外 ， 以下几类制品也都正在蓬勃发展 ．
国内外超硬材料制品的新发展
２ ２ ，李利红２， ，刘 杰２ 王秦生１， 林 玉２，赵清国１，
（ ） 中原工学院 ， 郑州 ４ 河南省金刚石及制品工程技术研究中心 ， 郑州 ４ １． ５ ０ ０ ０ ７； ２． ５ ０ ０ ０ １ 摘 要： 锯切工具 、 钻进工具 、 切削刀具等 几 大 类 广 泛 应 用 的 超 硬 材 料 工 具 以 及 用 于 激 光 、 射频等的 介绍了磨削工具 、 金刚石功能元件 ， 并从产品 、 工艺装备 、 制造技术等方面介绍了近些年来国内取得的新进展 ． 关 键 词： 加工工具 ； 发展 超硬材料制品 ； ： ／ 中图分类号 ： Ｇ ７ 文献标志码 ： Ｏ Ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ １－６ ９ ０ ６． ２ ０ １ ３． ０ １． ０ １ １ Ｔ Ａ Ｄ ｊ
代制造业中数控机床 、 自动加工线 、 柔性加工中心配套 的必不可少的先进加 工 工 具 ， 在“ 十 二 五” 规划中被列 入战略性新型产业 ． 金刚石磨具和立方氮化硼磨具越来越多地取代用 普通磨料制造的 碳 化 硅 磨 具 和 刚 玉 磨 具 ． 所 谓 Ａ（ ａ ｌ ｉ － ， 、 刚玉 ） 立 方 氮 化 硼） ｕ ｍ ｉ ｎ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｚ ｏ ｎ， Ｃ（ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ → Ｂ（ － ， 碳化硅 ） 金刚石 ） 进展 ， 即“ ｒ ｕ ｎ ｏ ｕ ｍ， ｄ ｉ ａ ｍ ｏ ｎ ｄ Ａ→ →Ｄ（ 、 ” ， Ｂ Ｃ→Ｄ 进展 是世界公认的磨 料 磨 具 工 业 发 展 的 路
２］ 径［ ．
— — — 钻头热 １． ２ 第二次浪潮 （ ２ ０ 世纪 ７ ０ 年代起 ） ） 钻进工具 （ 图３ 包括以下 ４ 类 ： — —用 金 刚 石 单 晶 或 柱 状 聚 晶 制 造 而 地质钻 头 — 成， 用于地质勘探取岩芯 ． — — 用聚晶复合片制成 ， 石油钻头 — 用于打油井 ， 进 行石油开采 ． — — 又称薄壁钻 ， 工程钻头 — 用于工程施工中钻孔 、 打巷道等 ． — — 在宝石 、 套料刀 — 玉 器、 光 学 玻 璃 加 工 中， 用于 套料或掏孔 ． 在我国普遍开展 的 大 规 模 地 质 勘 查 工 作 中 ， 金刚 石钻头逐渐替代钢质钻头 ， 并得到推广应用 ． 金刚石钻 头可以一次连续钻进上千米的地层而不需要像其他钻 头那样多次提钻更换 钻 杆 ， 而且可以钻透最硬的碧玉 级地层 ； 钻井口径 小 、 井 斜 度 小， 效 率 高， 消 耗 动 力 少、 ， 圆锯 ： 大型 （ 单锯或组 １ ０ ０ ０ｍｍ～ ５ ０ ０ ０ｍｍ） ； 合锯 ， 用于 解 板 （ 锯 切 整 块 板 材） 中型（ ３ ０ ０ ｍｍ ～ ，用 于 板 材 分 割 ；小 型 （ ５ ０ ０ ｍｍ ） １ ０ ０ ｍｍ ～ ） ， 用于现场施工中切割边角料 ２ ０ ０ｍｍ ．