超硬材料及制品的基本知识
超硬材料的研究和应用
超硬材料的研究和应用一、引言随着科技的进步和发展，材料学科在现代工业中的地位愈加重要。
超硬材料作为一类新型材料，具有高强度、高硬度、高韧性、高抗磨损、高耐热性等优异性能，在各个领域取得了广泛的研究和应用。
本文将从超硬材料的基本概念、种类及制备方法、应用等方面进行探讨。
二、超硬材料的基本概念超硬材料是指硬度在工程材料中排在前列的耐磨材料。
它的硬度通常指石英（Mohs硬度7）以上的材料，是由于其结构特殊，原子之间键合的特殊机制决定了固体的性能。
在国际上被称为“工程陶瓷的硬度标杆”。
超硬材料具有优异的性能，主要表现在以下几个方面：1. 高硬度：是指在各种切削工具中硬度最高的工具材料。
它的硬度通常在轻质金属、玻璃、塑料等材料中排名前列。
2. 高韧性：是指超硬材料比普通材料更难被折断，具有很高的韧性和强度，使其能够在高速切削或重载条件下保持稳定的切削性能。
3. 高抗磨损性：超硬材料不易磨损，具有长寿命和更好的耐久性等特点，可用于高耐磨性材料制备和加工等领域。
4. 高耐腐蚀性：超硬材料可以耐受强酸、强碱、高温及腐蚀性物质，具有高耐腐蚀性和不受化学反应影响的特点。
三、超硬材料的种类及制备方法一种超硬材料是金刚石（Diamond），它是所有材料中硬度最高的，因其在切削、研磨过程中不易磨损，因此常被用于石油探测、光学加工、切割和电子磊晶等领域。
其它超硬材料包括碳化硅、氮化硼、碳化硼、金刚石纳米线等，它们的硬度都很高，应用范围广泛。
超硬材料的制备方法主要分为以下几种：1. 高压高温法：在高温和高压（大约100千巴、1300℃）条件下，使用碳酸盐热合成金刚石材料。
2. 化学气相沉积法：通过在高温下，将含有金刚石原子的气体分解成金刚石薄膜，并在引入气体时控制温度、压力和流量，实现材料的稳定性。
3. 化学气相沉积-热解法：将金属附着在气体表面的薄膜上，施加微波、高频等电磁场，使其分解并在表面上热解成金刚石材料。
四、超硬材料的应用由于超硬材料具有优异的性能，已经广泛应用到各个领域，包括：1. 切削加工：超硬材料具有高强度、高硬度、高韧性等多种优秀性能，因此常被用作切削材料。
超硬材料的性能及其在工业中的应用
超硬材料的性能及其在工业中的应用超硬材料是指硬度高于金刚石的材料，主要由碳化物和氮化物组成。
由于其优异的物理性能和化学性能，超硬材料已经广泛应用于工业领域中，如机械加工、矿山工具、石油钻头、航空航天等。
本文将介绍超硬材料的性能特点和工业中的应用。
一、性能特点超硬材料的主要特点是硬度高、耐磨损、化学惰性等。
其中，硬度高是超硬材料的最突出的性能特点。
超硬块状材料的硬度可以达到87－93 GPa，而且具有极高的磨损和抗腐蚀性能。
其次，超硬材料的化学惰性也是它广泛应用于各种工业领域的原因之一。
这种性质使得超硬材料在极端环境下具有极高的稳定性和耐腐蚀性，比如在油井、矿井、核电站和航空航天等领域中应用广泛。
二、超硬材料在机械加工中的应用超硬材料在金属切削、石材切割、非金属材料的切削等方面均有广泛的应用，主要体现在以下几个方面：1、车刀与铣刀：超硬材料刀具具有极高的硬度和耐磨性，可以用于高速、高切削量和复杂曲面加工，能够提高加工效率和降低成本。
2、铣削板：超硬材料铣削刀片用于高效铣削，可以减少切削力并延长刀具使用寿命。
3、砂轮：超硬材料制成的砂轮可以用于石材的切割和钢铁的磨削。
三、超硬材料在矿山工具中的应用超硬材料在采矿过程中也广泛应用。
主要体现在以下几个方面：1、地质钻探：超硬材料制成的油钻头可以用于非常规油气资源的勘探，具有高渗透和高穿透性的特点。
2、矿山工具：超硬材料制成的矿机采插齿具有高耐磨性和高强度，可以减少矿工的劳动强度和提高采矿效率。
四、超硬材料在其他工业领域中的应用除了上述应用领域外，超硬材料还在其他工业领域中得到广泛应用，特别是在航空航天、新能源和医疗方面。
1、航空航天：超硬材料可以用于制造高温合金和复合材料的切削和磨削工具，以及飞机发动机的零部件和燃烧室等。
2、新能源：超硬材料可以用于制造光伏材料和微电子器件等，提高新能源的效率和可靠性。
3、医疗：超硬材料可以用于制造手术刀片和牙科工具等，具有良好的生物相容性和高精度加工的特点。
超硬材料
五 超硬材料的展望
超硬材料的发展趋势也表明超硬材料具有很好的发展 前景，它主要表现为： (1) 随着原材料制备、 新型结合剂、 专用生产设备、 检测 仪器等技术的不断完善， 超硬材料制品的制造技术水平将 会大幅度提高， 新品种将不断涌现， 具有高速度、 高厚度 超薄、 复杂型面等特点的产品将会朝更高水平继续发展， 产品质量将明显提高。 (2) 超硬材料制品将向系列化、 标准化、 专业化方向发展 ， 各生产企业将形成各自的产品 特色。 (3)超硬材料制品的应用技术， 包括数控机床、 修整技术、 专用磨削液等将得到发展和完善。
(3)钻具. 用于地质、石油、煤田、工程施工等的勘探和采掘。 (4)锯切工具. 主要用于石材、建筑材料、陶瓷、耐火材料、电碳制 品、半导体、宝石、木材等的切割；也用于马路、机场跑 道、建筑构件的切槽和切断。 (5)拉拔工具。 用于拉拔下列金属材料的丝材及线材，钨、钼、铜、 铝、不锈钢、镀锌钢、钢以及合金等。 (6)修整工具。 用于普通磨具的成型修整、整形、修锐等 (7)其它工具。 用于硬质合金模具、量具刃具加工的手工工具，还有 玻璃刀、医用工具、压砧及压头等。
学稳定性及耐热性要优于金刚石。尤其是对于铁族金属，
我国工业金刚石消耗主要来源于人造金刚石，人造金 刚石制品的应用大致可划分三个方面： 金属材料加工：为解决硬质合金刀具刃磨问题金刚石制 品首先在机械行业中推广。例如采用金刚石砂轮刃磨较 炭化硅砂轮提高生产效率２~４倍,刀 具光洁度提高两级, 刀具寿命也大大提高。又如加工硬质合金精密游丝轧辊 , 过去用碳化硅砂轮磨削后还须进行长达９６小时手工研磨, 光洁度仅达▽１２。改用金刚石砂轮后从粗磨到成品仅需 ２４小时,光洁度可达▽１３。此外金刚石工具加工硬质合 金挤丝冲、样板块、量具测头、标准件模具、琦磨汽车发 动机汽缸套,加工油泵油咀、微型轴承套、剃胡刀 、淬火
超硬涂层知识图文并茂详解(6种)
超硬涂层知识图文并茂详解（6种）超硬涂层材料通常由Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ主族元素构成的单质或共价键化合物组成，目前能够满足这个标准的材料有金刚石、类金刚石（DLC）、立方氮化硼（cBN）、碳化氮（C3N4）等。
利用PVD或CVD法将这些材料沉积到基体表面即可获得超硬涂层，这种涂层不但具有与材料本身同样的优良特性，如极高的硬度、极低的摩擦因数、极强的耐磨和耐腐蚀性能、良好的导热和化学稳定性能、高的禁带宽度等，而且其实用性较材料本身更强。
1）、金刚石涂层金刚石是自然界中已知硬度最高的物质，此外它还具有低的摩擦因数、高的弹性模量、高的导热系数、高的声传播速度、宽的能带隙以及良好的化学稳定性等，然而天然金刚石的存量及价格限制了它的大规模商业化应用。
目前一般会采用CVD法制备金刚石涂层，它具有与天然金刚石非常相近的物理和化学性能，根据金刚石的晶粒尺寸，可以将CVD金刚石涂层分为微米晶金刚石（MCD）涂层和纳米晶金刚石（NCD）涂层，其中，晶粒尺寸小于10nm时，被称作超纳米金刚石（UNCD）涂层。
CVD金刚石涂层制备技术已取得了非常大的进展，部分产品已进入产业化推广阶段，并形成了一定的市场规模，应用领域非常多，如下图所示：2）、类金刚石（DLC）涂层利用离子束沉积技术制备了一种化学组成、光学透过率、硬度以及耐磨损等性能与金刚石相近的非晶碳涂层。
这种碳涂层具有以sp3键碳共价结合为主体，混合有sp2键碳的亚稳态长程无序立体网状结构，被称为类金刚石（DLC）涂层。
由于DLC涂层中既有类似于金刚石的sp3键合形式，又有类似于石墨的sp2键合形式，因而其结构和性能介于金刚石和石墨之间。
DLC涂层具有与金刚石涂层非常相近的性能，即极高的硬度、电阻率、导热系数、电绝缘强度、高红外透射性以及光学折射率，同时具有良好的化学稳定性和生物相容性等，在机械、电子、光学、声学、计算机以及生物医学等领域有着广阔的应用前景。
不过受沉积方式和环境的影响，DLC涂层中还可能含有氢等杂质，含各种C-H键，因此不同的制备方法和工艺条件对涂层的性能，尤其是硬度的影响很大。
超硬磨具分类及属性
超硬磨具的分类及属性行业内，一般认为只要是超硬材料制成的产品均为超硬材料制品，包含了磨具、刀具、钻具、修整工具、拉丝模等等。
在这里，超硬制品被分成了两部分，一部分以磨具为主，称为Super Abrasives（超硬磨具）；剩下的制品以工具为主，称为Diamond Tools (金刚石工具)。
关于超硬材料及制品中的翻译，这里以Superabrsive是超硬磨料，Super Abrasives是超硬磨具为准。
本篇主要介绍超硬磨具的分类及属性。
如图1所示，超硬磨具被分成了十一个二级分类，和三个三级分类。
一、Superabrasive Wheels 金刚石砂轮此分类的准确翻译应为超硬砂轮，但在行业中，鲜有这样的叫法，所以仍以金刚石砂轮为翻译。
超硬砂轮是超硬磨具中最重要的分类，主要有两种：Diamond Grinding Wheels 金刚石砂轮和CBN Grinding Wheels CBN砂轮。
两个分类中的属性除了磨料字段不一样，其余均一致，如下：Shape 形状：Straight 平行、Tapered 锥形、Cylinder 筒形、Straight Cup 杯型、Flaring Cup 碗型、Dish 碟形、Specialty 异形Diameter 直径：收集了25mm-650mm的常见直径Applications 应用：Cylindrical /Centerless 外圆磨/无心磨、Internal /Bores 内圆磨、Surface / Creepfeed Grinding 平面磨/缓进给、Toolroom/Sharpening 工具磨/刃磨、Cutting-off 切割、Woodworking 木材加工、Specialty 专用砂轮Abrasive Grain磨料：Natural Diamond 天然金刚石、Synthetic Diamond 人造金刚石、Coated Diamond 涂层金刚石、Other 其他Grit Size 粒度：用户自己填写Concentration 浓度：200%、150%、125%、100%、75%、50%、25%Bonding Agent结合剂：Vitrified 陶瓷结合剂、Resin 树脂结合剂、Metal 金属结合剂、Electro-plated 电镀、Other 其他Work Condition 应用条件：Dry 干、Wet 湿、Dry / Wet 干湿两用其中的Abrasive 磨料字段，CBN砂轮为：Cubic Boron Nitride 立方氮化硼和Coated cBN 涂层立方氮化硼二、Diamond Cup Wheels 金刚石磨轮金刚石磨轮或者碗磨是由金刚石刀头焊接或者冷压在金属基体上而成；金刚石刀头是通过人造工业金刚石和其它的金属粉末，冷压和热压烧结而成，然后焊接在碗形状的金属基体上。
超硬材料的制备及其应用前景
超硬材料的制备及其应用前景现代制造业对材料的要求越来越高，不能满足要求的材料将被淘汰。
超硬材料的出现和发展似乎给制造业注入了新的活力。
本文将介绍超硬材料的制备及其应用前景。
一、超硬材料的概念超硬材料，指硬度大于或等于钻石的材料。
绝大多数的超硬材料都是碳化物、氮化物和氧化物等化合物。
超硬材料具有硬度高、耐磨、耐腐蚀和高温稳定等优点，成为当今高科技制造领域的关键材料之一。
二、超硬材料的制备超硬材料的制备过程复杂、技术含量高。
主要有以下几种制备方法。
1.高压高温合成法高压高温合成法是制备超硬材料的一种主要方法。
该方法需要使用特殊的高温高压设备，在高温高压下将碳、氮、硼等化学元素与相应的金属元素反应制备出超硬材料。
这种方法制备的超硬材料质量更稳定。
2.金属有机化学气相沉积法金属有机化学气相沉积法是一种利用化学气相沉积技术制备超硬材料的方法。
该方法在中性气体中引入金属有机气体，金属有机气体经过加热分解反应，产生金属原子并与其他元素反应制备出超硬材料。
利用该方法可以得到均匀的厚度和质量均一的薄膜。
3.微波等离子体化学气相沉积法微波等离子体化学气相沉积法是一种应用高频电磁场将气相反应物激发成为等离子体状态，之后与基板上的化学反应制备超硬材料的方法。
这种方法可以制备出很薄且质量非常稳定的材料。
三、超硬材料的应用前景超硬材料在机械加工、磨削、细加工和表面涂层等领域具有广泛的应用前景。
以下将介绍其具体应用。
1.切削加工领域超硬材料可以被制成锯片、刨刀、车刀和铣刀等切削工具。
其中，钻石工具的硬度是钢材的150倍，可以加工各种难加工工件，如高温合金、陶瓷、金属和晶体等。
2.磨削加工领域超硬材料可以被制成切磨、压铸刃和超声波工具等磨削工具。
利用超硬材料制备的磨削工具可以加工硬度高、耐腐蚀的精密零部件，如航空部件、汽车发动机和精密轴承等。
3.涂层材料领域超硬材料还可以制备成一种非常有用的涂层材料。
这种涂层常见于模具、切削刀具、油钻等制造领域。
超硬材料的制备与性能研究
超硬材料的制备与性能研究随着现代工业的发展，对材料的性能要求也越来越高，为了满足这种需求，科学家们研究出了一种新型的材料——超硬材料。
超硬材料具有极高的硬度、抗磨损性、耐腐蚀性和高温稳定性等特点，在工业生产中得到了广泛的应用。
本文将探讨超硬材料的制备与性能研究。
一、超硬材料的基础知识超硬材料是指硬度高于天然金刚石的材料，主要有金刚石、立方氮化硼、碳化钨等。
其中，金刚石是最早被发现和应用的超硬材料，由于它具有非常高的硬度和热导率等特点，广泛用于切削、打孔等工业领域。
立方氮化硼是一种新型的超硬材料，优于天然金刚石的地方在于它的热稳定性比金刚石更高，可用于高温环境下的切削和磨削。
碳化钨也是一种常用的超硬材料，它的硬度高于钢材、铸铁等常规材料，应用于切削、钻孔和磨削等领域。
二、超硬材料的制备方法超硬材料的制备方法主要有高温高压合成法、化学气相沉积法、热压法和爆炸合成法等。
高温高压合成法是一种常用的超硬材料制备方法，其原理是通过高温高压下，让粉末原料发生化学反应，形成超硬材料。
该方法制备的产品质量较高，但是制备过程比较复杂，需要高压高温设备，成本较高。
化学气相沉积法是利用化学气相沉积技术制备超硬材料的一种方法。
该方法需要使用反应气体，在高温条件下，让反应气体在基底上沉积出超硬材料膜。
该方法所制备的超硬材料膜均匀、致密，具有很好的金属附着力，但是成本较高，适用于小批量生产。
热压法是将粉末原料放入模具中，在高温高压下进行热压成型，制成超硬材料。
该方法制备出的超硬材料成型精度高，但成本相对较高。
爆炸合成法是通过爆炸反应产生超高压和超高温条件，使原料发生同位素反应，产生超硬材料。
该方法成本较低，可批量生产，但制备过程不稳定，也有一定几率出现批次不一致的情况。
三、超硬材料的性能研究超硬材料主要是以其硬度和抗磨损性为主要特点研究的。
硬度是超硬材料的重要性能参数之一，硬度的高低决定了超硬材料在切削、磨削等领域的应用范围。
材料科学中的超硬材料制备技术研究
材料科学中的超硬材料制备技术研究材料科学中的超硬材料制备技术是一项重要的领域，它涉及到研究人员对超硬材料制备、表征和应用的全方位探讨。
因为超硬材料具有出色的化学稳定性、高硬度、高弹性模量和高导热性等优异的特性，因此得到了广泛的应用。
本文将从超硬材料的基础概念、制备技术和应用研究等方面进行探讨。
一、超硬材料的基础概念超硬材料是一种具有高硬度、高密度、高热稳定性和耐磨性的材料。
它主要包括金刚石、氧化铝、氮化硼、碳化硅等。
其中，金刚石是最为常用的超硬材料，它有着极高的化学稳定性、高硬度和高导热性，因此广泛应用于切削、磨削、电子加工等领域。
二、超硬材料的制备技术超硬材料的制备技术主要包括热压法、化学气相沉积法、溅射法、高温高压合成法等。
下面我们就对这几种方法进行详细介绍。
1、热压法热压法是一种将粉末原料在高温高压下压制成坯体的制备技术。
它的原理是通过高温高压使粉末内部结合在一起，形成坯体。
然后再通过热处理将坯体转化为超硬材料。
这种方法的优点是成本低、易于实现批量生产。
但是，它的缺点是较难掌握生产工艺，容易产生杂质。
2、化学气相沉积法化学气相沉积法是一种将气体中的原子分子沉积到基板上制备超硬材料的方法。
这种方法的优点是能够制备出高质量的超硬材料，具有均匀性好、抗氧化性强等特点。
但缺点是设备复杂、成本高。
3、溅射法溅射法是一种利用高能电子束或离子束将超硬材料源物料溅射在基片上的制备技术。
它的优点是设备简单、成本低廉、易于大规模生产。
但缺点是精度不高，容易产生热应力。
4、高温高压合成法高温高压合成法是一种将超硬材料源物料在高温高压下进行原位合成的方法。
这种方法的优点是可控性好、成本低、产品性能稳定。
但缺点是设备复杂，操作难度大。
三、超硬材料的应用研究超硬材料广泛应用于机械加工、电子加工、高温工具材料、化学催化剂等领域。
在石油钻头中，金刚石被广泛应用。
在化学催化领域中，氮化硼和碳化硅是比较常见的催化剂。
此外，超硬材料还被广泛应用于航空航天、武器弹头等领域。
超硬材料 (2)
超硬材料引言超硬材料是一种具有极高硬度和优异耐磨性能的材料。
它们广泛应用于工业领域，如切削、打磨和磨具等。
本文将介绍超硬材料的概念、特性、分类以及主要应用领域。
超硬材料概述超硬材料是指硬度超过金刚石（Mohs硬度10）的材料，主要包括金刚石（Diamond）和立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，CBN）两种。
这两种超硬材料具有极高的硬度和较低的热膨胀系数，使它们在高温、高压和恶劣环境下表现出优异的性能。
超硬材料特性1. 极高硬度超硬材料的硬度远远超过其他常见材料，如金属和陶瓷。
金刚石是已知最硬的材料，其硬度为15000-100000MPa，而立方氮化硼的硬度约为9000-10000MPa。
这种超高硬度使得超硬材料在切削和磨削过程中能够抵抗磨损，延长使用寿命。
2. 优异耐磨性由于超硬材料的硬度极高，它们具有出色的耐磨性能。
在切削和磨削应用中，超硬材料的工具能够在长时间的使用中保持刃口的锐利度，从而实现高效切削和精确加工。
3. 低摩擦系数超硬材料的表面光滑度高且摩擦系数低，这使得它们在摩擦副应用中具有优异的性能。
比如，在高速切削和车削过程中，超硬材料的低摩擦系数可以减少摩擦热和磨损，提高加工效率。
4. 耐高温性超硬材料具有优异的耐高温性能，可以在高温环境下保持其硬度和力学性能。
这使得超硬材料在高速切削和磨削中不易软化和失效，适用于高温加工。
超硬材料分类超硬材料可以按照其结构和制备方法进行分类。
1. 金刚石金刚石是一种由碳原子构成的晶体材料，具有良好的导热性和化学惰性。
它可以通过自然生成或化学合成获得。
化学合成的金刚石通常用于工业应用，如切削和打磨。
2. 立方氮化硼立方氮化硼是一种由硼和氮原子组成的晶体材料，具有类似金刚石的结构和性能。
它通常通过高温高压合成方法制备，可用于切削、磨削和磨具等应用。
超硬材料应用领域超硬材料在多个工业领域中得到广泛应用。
1. 切削工具超硬材料可用于制造切削工具，如刀具、刀片和钻头等。
超硬材料
Question
1、什么是超硬材料？
2、金刚石类型与氮元素含量的关系？ 3、金刚石的颜色反应出金刚石的什么信息？
超硬材料 ：主要指金刚石、立方氮化硼；显微硬度
>30GPa的材料
硬度有各种表示方法
金刚石概述： 钻石是主要由碳元素组成的等轴晶系天然矿物，摩氏
1、颜色
纯净金刚石无色透明
常见：黄色、浅黄色、棕
色、浅棕色、灰色、黑色 少见：蓝色、玫瑰色、紫 色 颜色稳定，离子轰击可染 色
硼铌：黑色
氮、铁、钴、钛：深绿色
硅和硼：黄色 偏高铬：天蓝色 铝、铁：黄色 颜色反映了杂质的种类和存在状态，对合成和原料的
选择具有指导意义
硬度10，密度3.52(±0.01) g44。(国家标准）
“使用钻石名词不考虑产地。”（国家标准） 钻石被称为宝石之王 钻石占宝石总销售额的80%。 金刚石最早首先发现于印度（公元前3000–5000年）
世界最大的首饰级金刚石是1905年在南非发现的
“库利南”，重3106克拉（成年男子拳头大小）。 1907年12月9日，南非德兰士瓦地方政府将库里南 赠送给了英王爱德华三世（用15万英磅收购的）作 为生日礼物。让荷兰阿姆斯特丹的阿斯查尔公司 加工的，琢磨费时8个月，加工费8万英磅，库利 南加工成9颗大钻，96颗小钻，总重1063.65克拉， 约为原石重的1/3，其中最大的一颗钻石叫“库利 南Ⅰ”，或“非洲之星Ⅰ”为具64个刻面的梨形 钻石， 重为530.20ct，为现今世界已知的最大钻 石，镶嵌在英国国王的王杖上。
库利南Ⅰ
英王权杖
库里南Ⅱ
英国王冠
天然金刚石是怎样形成的？ 金刚石是在高温、高压下，碳元素的分子结构经过一系列的
超硬材料烧结制品简答
1.酸不溶物测定粉末化学成分的原理是什么？对青铜测定时有什么特殊性？ 答：（1）原理：金属粉末中2SiO ,32O Al ，碳化硅，硅酸盐、粘土等杂质均不溶于酸，为此，可将粉末试样用某种无机酸（铜用3HNO ，铁用HCl ）溶解，滤出沉淀物于900--1000℃下煅烧至恒重，即可计算出粉末中酸不溶物杂质相对含量。
（2）对青铜粉末测定时，由于2SnO 不溶于硝酸，应该扣除该部分含量。
在硝酸不溶物中加入NH4I 于坩埚中加热到425--475℃，煅烧15min ，碘挥发，2SnO 被还原为能溶于硝酸的SnO ，加2--3ml 硝酸使其完全溶解，此时残留物与粉末的质量之比的百分数即为酸的不溶物含量。
2.金属粉末性能测定中利用的沉降天平测粒度分布，其原理是什么？3.答：在静态的流体介质中，不同粒度的颗粒，其自由沉降的速率不同，粗颗粒沉降快，细颗粒沉降慢。
如果让粒度不等的颗粒从同一起点高度同时沉降，经过一定距离或时间后，即能将粉末按粒度的差别分开。
用沉降天平测总重量随沉降时间的变化，得到总重量与沉降时间的实际沉降曲线。
在该曲线上取若干个点，分别作曲线的切线，量出切线的纵截距值，再由各点对应的沉降时间按沉降公式计算粒径，最后，计算所取若干粒级内粉末的百分含量，就可作成粒度分布曲线。
3.松装对粉末的压制性和烧结性影响。
答：对压制性的影响：粉末的压制性包括压缩性和成型性。
颗粒形状越规则，结构越细致，粒度越粗，则松装密度越高，压缩性越好。
一般来说，压缩性好的粉末，其成型性往往较差。
对烧结性影响：烧结过程是粉末体由高能位转变的过程，粉末颗粒越细，形状和结构越复杂，则松装密度越低，有利于扩散和合金均匀，如果粉末粒度形状简单，表面平滑，松装密度高，烧结性差。
4.氢损法测定金属粉末的含氧量的原理。
该方法适用于怎样的金属？为什么说它测定的一般不是全部的氧含量？答：原理：氢损法是将5g 有润滑剂的金属粉末试样放在刚玉舟皿内在纯氢气流中煅烧一段时间，煅烧时，粉末中的洋河请结合生成水汽排出使得粉末总重减少，减少值占粉末试样重量的百分数即为氢损值。
超硬材料具有高硬度
超硬材料具有高硬度、高强度、高熔点和耐腐蚀等优良的力学性能，因而在工程机械、切削加工、矿物开采、耐磨涂层和航天材料等各种工业中被广泛应用，甚至直接决定着刀刃具行业发展水平的高低。
周所周知，金刚石和立方氮化硼分别是世界上现有的第一、第二硬的材料[1]，然而，在高温下金刚石易于同二价金属(如铁)发生化学反应，不能作为各类钢材切削工具，大大限制了它在切削刀具中的使用。
立方氮化硼虽具有很强热与化学的稳定性，非常适合于硬、韧和难于常规切削的金属材料的加工，但它的合成需要高温和高压的极端条件，使成本变得非常昂贵。
目前，使用最多的两种刀具材料是高速钢和硬质合金，分别约占刀具总量的30%～40%和50%～60%。
与金刚石相比，它们的硬度偏低，因而这些刀具寿命短，造成机械加工成本高。
而且，当前切削技术的快速发展，已经进入了现代切削技术新阶段，刀具材料成为制造业开发新产品和新工艺，应用新材料的基础工艺和建立创新体系的关键因素之一。
随着科学技术迅速发展，各种难于加工材料不断涌现，现有的超硬材料难以满足制造业的需要，迫切需要寻找新的稳定热性质和化学性质的超硬材料。
因此，理论上设计和实验中合成超硬材料成为国际研究的前沿热点[2]。
为了能设计和合成新的超硬材料，一方面可以利用硼、碳、氮和氧等小原子元素，仿照金刚石的结构，形成三维立体强共价键化合物，设计和合成超硬材料。
另一方面，最近Science、JACS报道[3-5],过渡金属元素的硼、碳、氮、氧等化合物可能提供了一条新的设计与合成超硬材料途径。
过渡金属元素都具有d电子，因而具有高的价电子浓度，致使它们具有极大的体变模量，极强的抵抗弹性变形能力，超低的不可压缩性能。
可是，从化学成键角度来说，这些价电子大都形成的是金属键，不能有效地阻止晶格位错地产生和运动，致使纯过渡金属往往呈现很低的硬度。
要使它们从超低压缩性材料变成超硬材料，需要把各个方向均匀的金属键变成有方向性的共价键，因此，把硼、碳、氮、氧等小的原子掺入到过渡金属的晶格中，使其引入共价键，再设计理想的晶格结构，就能增强了它们抵抗塑性变形的能力，大大提高它们的硬度，例如RuO2[6]、WC[7]、和Co6W6C[8]等都是这类硬性材料。
超硬材料基础知识大全
超硬材料基础知识大全１超硬材料：金刚石和立方氮化硼及以金刚石和立方氮化硼为主要成分的聚晶、复合片。
2金刚石为什么不适合加工铁基金属材料：由于金刚石在磨削高温下能与Fe基金属材料发生化学作用，金刚石中的碳与这些元素发生作用，生成碳化物，产生粘刀显现，使用寿命缩短，加工质量下降，因此，金刚石不适合加工钢材，包括普通钢和各种韧性合金钢。
此类材料一般使用cBN工具加工。
3超硬材料今后的主要发展方向：单晶合成(采用不同原料、不同的高温高压合成设备和不同工艺，合成不同的单晶产品)单晶分选（合成的单晶产品，按照颗粒形状、粒度、堆积密度、杂质含量以及强度、韧度、耐热性等性能指标的不同进行分选，从而分为不同的单晶晶种）表面镀覆（经过分选的不同品种的单晶，利用化学镀、电镀、真空镀等表面镀覆）聚晶制造（利用金刚石单晶粉末或石墨粉以及适当的金属粉和非金属粉等原材料，按照适当的配方，采用相应的工艺方法（高压高温烧结法或直接生长法），制造具有不同的形状、规格、性能和用途的聚晶）薄膜生长（采用在低压条件下的各种气相沉积生长法，制造具有特殊性能和较大尺寸的金刚石薄膜或类金刚石薄膜）4人造金刚石合成基本方法：动态高压法、静态高压法、化学气相沉积（CVD）--亚稳态生长5静压触媒法：是指在金刚石热力学稳定的条件下，在恒定的高压高温和触媒参与的条件下合成金刚石的方法。
6列举金刚石的主要优异性能：最大硬度、最大热导率、最小压缩率、最宽透光波段、耐腐蚀7金刚石结构的电子结构和晶体结构：电子结构：根据杂化理论，C原子在反应时，激发一个2s电子到2pz轨道上去。
一个s轨道和三个p轨道混合起来，形成四个新轨道---sp3等价杂化轨道，每个sp3杂化轨道具有1/4的s成分和3/4的p成分，形状都相同，这四个轨道的对称轴之间的夹角都是109。
28、。
晶体结构：在金刚石晶体中，每个C原子与相邻的四个C原子按照等价的sp3杂化轨道形成四个共价键。
所有价电子都参与成键，晶体中没有自由电子。
12011第一章 超硬材料与工具
(3)钻具. 用于地质、石油、煤田、工程施工等的勘探和采掘。 (4)锯切工具. 主要用于石材、建筑材料、陶瓷、耐火材料、电碳制 品、半导体、宝石、木材等的切割；也用于马路、机场 跑道、建筑构件的切槽和切断。 (5)拉拔工具。 用于拉拔下列金属材料的丝材及线材，钨、钼、铜、 铝、不锈钢、镀锌钢、钢以及合金等。 (6)修整工具。 用于普通磨具的成型修整、整形、修锐等 (7)其它工具。 用于硬质合金模具、量具刃具加工的手工工具，还有 玻璃刀、医用工具、压砧及压头等。
• 一.与钻探有关的金刚石物理力学性质
a.硬度：莫式硬度10，研磨硬度是刚玉的150倍，是石英的1000 倍； b.强度：天然金刚石抗压强度为8600MP，约为刚玉3.5倍,硬合 金 1.5倍,钢的9倍； c.耐磨性:是刚玉的90倍,硬质合金的40~200倍,钢的2000~5000倍； d.热稳定性;金刚石的导热性好,但随温度升高线膨胀增长较大,易 引起热损伤。
表 镶 金 刚 石 钻 头
立方氮化硼
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一、发展史
公元前800年印度已经发现金刚石； 近代18世纪在巴西、澳大利亚和南非等国相继 发现金刚石； 1965年我国才开始发现原生的宝石级金刚石。 按产地分代表金刚石有：包尔兹、刚果、卡邦 纳多、巴拉斯、牙库特 18世纪末，人们对金刚石进行了研究。 法国 化学家拉瓦锡等人发现金刚石是可燃物质，燃烧 后变为气体。 1797年，英国化学家腾南特通过实验方法研 究证实，金刚石是碳的一种同素异构体。
超硬工具材料的用处
工具技术——超硬工具
100000 10
75000~90000 -
17300 -
14270 8
11200 7
37000~43000 -
超硬材料的性质
• 抗压强度：
金刚石 抗压强度 /MPa 8857 碳化钨 3520 碳化硼 2070 刚玉 2500 钢 1270
• 热稳定性：
与介质有关、与杂质有关
温度/K 953 1123 1023~1073 （750~800℃） 1773~1873 2373 周围介质 氧气 空气 铁或铁基合金 真空或惰性气体 真空或惰性气体 状态 开始氧化 开始氧化 碳溶解于铁 石墨化 全部转化为石墨
超硬材料的合成
• 合成原材料和辅助材料
1）原料：碳-石墨材料 2）催化剂金属或合金： 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 3）传质介质：叶腊石 作用：传压、密封、保温、绝缘
钎焊金刚石工具的制备
② 良好的延展性; ③ 很好的爬升能力, 使金刚石有足 够的凸出高度与良好的容屑能 力; ④ 与金刚石形成有效的冶金化学 结合, 良好的把持力; ⑤ 有较低的熔点, 以降低钎焊温度; ⑥ 较低的成本, 有利于降低钎焊工 具成本。
金属合金与金刚石表面的润湿性
钎料对金刚石的润湿性是研究金刚石钎焊 的主要问题。从物理化学的知识得知，将 某液滴置于固体表面，若液滴和固体界面 的变化能使液-固体系自由能降低，则液滴 将沿固体表面自动流开铺平，这种现象称 为铺展，右图中θ为润湿角，其大小与各界 面张力的数值有关，一般情况下钎焊时希 望钎料的润湿角小于20°
超硬材料的性质
超硬材料基础常识
立方氮化硼的工业应用立方氮化硼是继人造金刚石之后，由温托夫利用类似于合成金刚石的静压触媒法，在1957年制造成功的一种新型人造超硬材料。
20世纪60年代末镀金属的CBN-Ⅱ型产品问世之后，各国开始广泛应用。
我国于1967年合成出样品，1975年开始工业化生产。
立方氮化硼的发展历程，像人造金刚石一样，在有了普通强度的产品之后，进一步向高强度、大颗粒、多品种和专业化方向发展。
目前，CBN的用途集中于两个方面，一是制造磨具，二是制成聚晶用做刀具材料。
一、立方氮化硼磨具立方氮化硼磨具的磨削性能十分优异，不仅能胜任硬而韧的难磨材料的加工，提高生产率，有利于严格控制工件的形状和尺寸精度，还能有效的提高工件的磨削质量，显著提高磨后工件的表面完整性，因而可以提高零件的疲劳强度，延长使用寿命，增加工作可靠性。
另外立方氮化硼磨料生产国中在能源消耗和环境污染方面比普通磨料生产好，所以，扩大立方氮化硼磨具的生产和应用是磨具和刀具工作发展的必然趋势。
1、立方氮化硼的应用条件利用立方氮化硼磨具进行磨削加工属于新兴的先进制造技术。
其复杂程序和技术水平远远高于传统的磨削技术。
人们普遍认为，立方氮化硼的问世是对金属加工的一大贡献，导致磨削发生革命性的变化。
因此，越来越多的厂家对应用立方氮化硼磨削特别感兴趣，但就技术而言，立方氮化硼磨削技术是由4项新技术支持的。
具体见下图：2、立方氮化硼磨具磨削的主要优点立方氮化硼磨具对于黑色金属，特别是硬度高、韧性大、高温强度高、热传导率低的材料具有良好的磨削性能，其金属磨除率是金刚石的10倍，解决了硬而韧的难磨材料的加工问题。
磨具磨削锋利，耐磨性能好，单位磨损量极小。
磨削钢材时的磨削比为4000～10000，是普通磨料高速磨具的120～150倍。
通常，被磨削弓箭的耐用度能提高30%～50%。
CBN磨具形状保持性好，修整更换次数少，从而缩短了总的加工时间，而且有利于实现在自动线上加工。
同一磨具可以磨削不同材料、不同规格的工件，不必更换磨具，机床参数和加工条件不必经常更换，且磨具寿命长，特别适合多品种以及中、小批量磨具生产。
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超硬材料及制品基本知识
一、超硬材料概念：对于超硬材料的含义至今没有一
个公认为满意的解释。
1981 年国际硬物质科学会议认为，硬度大于 1000HV 的物质均可称为硬物质，这就自然包括了金刚石和立方碳化硼。
后来对这个定义进行了补充，认为能加工诸如硬质合金（硬度 1600—1800HV ）、刚玉
（—2000HV）、碳化硅（—2200HV）等这一类物质的材料称为超硬材料。
目前由于金刚石和立方氮化硼等材料有其极高的硬度，所以统称为超硬材，具有硬度高、耐磨和热传导性能好、热膨胀系数低等优异性能。
二、超硬材料的分类：分为单晶超硬材料和聚晶超
硬材料（也称为“复合超硬材料”）及 3．金刚石薄膜三类。
单晶超硬材料和聚晶超硬材料的主要区别为：单晶金刚
石/立方氮化硼材料的特点为硬度更高、耐热性更好，但尺寸
较小，多用于制造锯片等切割工具；聚晶金刚石/立方氮化硼
是指以金刚石和立方氮化硼微粉等单晶超硬材料为主要原料，添加金属或非金属粘结
剂通过超高压高温烧结工艺制成的聚晶复合材料。
它的特点是硬度、耐热性略
逊于单晶材料，但是由于聚晶超硬材料是内部结构紧密的金
刚石致密体，可以增加工具的切割面积，同时克服了单晶超
硬材料由于粘结面积小造成的轻易从锯片表面脱落的弊端，
具有更高的耐磨性。
金刚石薄膜是用化学气相沉积（CVD）法或其它方法在非金刚石衬底上制备出的超硬薄膜。
它不仅可用于制作各种金刚石刀具，还可作为功能材料用于制作声传感器、扬声器振
动膜、红外窗口、X 光检测窗口等，应用领域十分广泛。
国际上从七十年代初开始进行金刚
石薄膜的试制并迅速掀起金刚石薄膜研究开发热潮。
我国从八十年代中期开始此项研究，并
已列入国家“863 计划”，现已能制备出 80mm、厚 2mm 的金刚石薄膜，并在应用研究方面取
得了不少成果，但目前总体上仍处于研制阶段，尚未达到工业化应用阶段。
有人预计，金刚
石薄膜将是 21 世纪金刚石工业的主要材料，各国科学家都在为使金刚石薄膜产业化而不懈努力。
三、金刚石按用途分为两类：质优粒大可用作装饰品的称宝石级金刚石，质差粒细用于工业的称工业用金刚石。
宝石级金刚石，又称钻石，光泽灿烂，晶莹剔透，被誉为“宝石之王”，价值昂贵，是世界公认的第一货品，其占有程度和消费水平往往被视为是衡量个人和国家经济富裕程度的标志。
达不到宝石级的金刚石（工业用金刚石），以其超硬性广泛用于机电、光学、建筑、交通、冶金、地勘、国防等工业领域和现代高、新技术领域。
总的来说，复合超硬材料相对于传统合金材料具有强大的替代性，市场潜力更大，广泛应用于机械、冶金、地质、石油、煤炭、石材、建筑等传统领域，电子信息、航天航空、国防等高技术领域以及汽车、家电等新兴产业。
1.1 复合超硬材料的主要产品用途
当前，复合超硬材料的产品主要分为四类：石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片、煤田矿山用聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石高品级拉丝模坯和刀具用聚晶金刚石/聚晶立方氮化硼复合片。
（1）石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片
石油天然气聚晶金刚石复合片是由无数微小金刚石颗
粒和粘结剂混合组成的切削层和硬质合金衬底层在高温高
压下烧结合成的，具有很高强度、硬度、耐磨性、抗冲击
性以及良好的自锐性，这些优良特性使其能够应用在岩石
的钻探领域。
该产品主要作为石油天然气钻头的切削齿，
是钻头上起到切削和掘进的核心部件。
（2）煤田矿山钻头用聚晶金刚石复合片
由于具有硬度高、耐磨性强、抗冲击韧性良好等特点，
复合超硬材料除了可用于制作石油天然气用钻头外，还可用
于制作煤田矿山钻头用 PCD 复合片，其用途并不局限制造
于煤田和矿山作业用的钻进和切割工具，还可广泛应用于制
造建筑建造、水电工程施工、凿岩破碎、公路修补等众多领
域的钻进工具。
（3）聚晶金刚石高品级拉丝模坯
拉丝模是各种金属线材生产厂家（如电线电缆厂、钢丝厂、焊条焊丝厂等）拉制线材的一种非常重要的易消耗性模具。
拉丝模的适用范围十分广泛，主要用于拉拔棒材、线材、丝材、管材等直线型难加工物体，适用于钢铁、铜、钨、钼等金属和合金材料的拉拔加工。
复合超硬材料是制造高品级拉丝模最为理想的材料。
（4）刀具用复合片
使用 PCD/PCBN 刀具复合片制造的刀具可以替代几乎所
有传统硬质合金材质的刀具，用途十分广泛，包括制造汽车
零部件、加工木材、开采石材、数控机床刀头等。
基于其下
游行业规模庞大，市场对于刀具用复合片的需求量也十分巨大。
1.3 复合超硬材料行业技术现状剖析
复合超硬材料生产的核心环节在于对单晶超硬材料和粘结剂的原材料配方处理；核心技术在于对单晶超硬材料和相应粘结剂通过高温高压进行烧结的工艺。
市场上产品质量过硬，具有明显竞争优势的厂家无不具有独特的配方和先进的生产工艺，上述两点构成了复合超硬材料行业的核心竞争力。
在我国行业发展初期，我国复合超硬材料产品与国际先进产品相比在耐磨度、硬度、复合片均匀度和复合片尺寸等技术指标方面均存在一定的差距。
但随着我国业内企业和科研人员不断钻研，充分发挥了六面顶压机的性能优势、克服了劣势，我国复合超硬行业技术水平已经形成了自身特点，并且在总体技术指标上接近或达到了国际先进水平。
外国生产厂商以二面顶压机为主（如 E6，DI、住友、日进为两面顶，USSynthetic，MegaDiamond、Novatek 等为六面顶），我国生产复合超硬材料的压机以六面顶压机为主（如四方达、新亚、海明润为六面顶、江钻为两面顶）。
两种设备各有特点，两面顶压机每组压缸、顶锤的造价较高，高压腔尺寸相对较大，适合生产尺寸较大的产品；六面顶压机每组顶锤的造价较低，操作方便，高压腔尺寸相对较小，适合
生产尺寸较小的产品。
但是随着近年来六面顶压机的大型化，其能生产的产品尺寸也越来越大，与两面的的差异越来越小，我国四方达公司已经可以生产直径 46 毫米的 PCD 复合片，预计在不远的将来，直径 2 英寸的复合片也可以在六面顶压机上生产出来。
2复合超硬材料的行业市场分析
2.1 复合超硬材料行业市场规模现状
根据市场调研和对下游市场需求、境外主流复合超硬
材料制造商销售数据的分析，按照主要产品分类估算 2009 年主要复合超硬材料的市场容量如下：石油用 PDC 全球市
场容量约为 97 亿元人民币，其中国内市场容量约为 6 亿
元人民币；煤田矿山用 PDC 复合片由于下游产业矿山工具
市场极其广阔，其全球市场容量超过 200 亿元人民币；PCD 高品级拉丝模坯目前的全球市场容量约为 5 亿元人民币，但随着其性价比优势逐渐得到下游客户的认可未来几
年内市场容量将增长至 10 亿元人民币以上；刀具用 PCD 复合片的市场容量也达到 100 亿元人民币以上。
可见，复
合超硬材料的市场容量巨大，且行业前景极其广阔。
2.2 复合超硬材料行业竞争格局分析
总体而言，来自美国、日本、爱尔兰等国的老牌复合超
硬材料制造商在科研积累、行业经验、技术工艺、产品质量
上保有一定程度的领先优势，在国际市场上占领了较大的市
场；同时，来自韩国、中国等国的一批新兴复合超硬材料制造企业经过十几年的技术科研开发和生产工艺探索，也形成了各具特色的生产工艺、优势产品，此外凭借一定的价格优势占据了一部分市场，其产品范围、经营领域和市场份额正在不断地扩大，成为复合超硬材料市场不可忽视的竞争力量。