12011第一章 超硬材料与工具
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
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。
现代切削理论(技术)
现代切削理论（技术）授课内容第一章概论1、切削技术的发展史2、切削刀具基本知识3、现代切削应用领域第二章现代切削基础理论1、金属切削原理2、切削力—热耦合3、断屑机理与切屑形态的三维描述第三章现代刀具设计原理1、主切削刃形成原理2、三维槽型的建模3、HSK刀柄工作原理4、刀具结构有限元分析第四章现代刀具材料应用基础1、硬质合金2、超硬材料3、表面涂层（PVD/CVD）第五章高速切削技术1、高速切削概述2、高速切削基础理论3、高速切削相关技术第六章先进切削工艺技术1、最小容量润滑（MQL）2、低温切削3、干式切削第七章难加工材料的可切削性1、工件材料的可切削性2、工件材料分类及影响可切削性因素3、几种难加工材料的可切削性分析第一章概论1、切削加工是用切削工具，把坯料或工件上多余的材料层切去，使工件获得规定的几何形状、尺寸和表面质量的加工方法。
2、任何切削加工都必须具备三个基本条件：切削工具、工件和切削运动。
3、现代刀具3个关键技术：1、几何结构2、基体材质3、表面涂层4、现代切削刀具（数控刀具）的应用及组成：现代切削刀具主要应用于机械制造业中的数控机床（NC）、加工中心（MC）、柔性制造系统（FMS），它由硬质合金可转位刀片（carbide inserts,或其他超硬刀片）与刀盘(body)、刀柄（holder) 组成一个刀具系统单元，实现对金属的切削加工。
5、刀片槽型的作用：刀片上的断屑槽使切屑能按预先设定的方式，进行卷曲、流动和折断，实现对切屑的有效控制。
第二章现代切削基础理论1、金属切削的变形过程金属切削层的变形可用金属切削过程中的滑移线和流线示意图来表示。
流线表示被切削金属的某一点在切削过程中流动的轨迹，可大致划分为三个变形区：（1）、第一变形区金属的剪切变形从OA线开始发生塑性变形，到OM线晶粒的剪切滑移基本完成（剪切滑移面）。
这个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力比较集中而复杂，金属的被切削层就在此处与工件本体材料与离，是切的过程，使被切削工件的切削层转变成切屑。
《超硬材料与硬质合金》课程教学大纲
《超硬材料与硬质合金》课程教学大纲课程代码：050542017课程英文名称：Superhard Materials and Cemented Carbide课程总学时：24 讲课：24 实验：0 上机：0适用专业：粉体材料科学与工程大纲编写（修订）时间：2017. 3一、大纲使用说明:（一）课程地位及教学目标（1）课程的地位本课程是粉体材料工程专业的专业方向课，选修课。
（2）教学目标使学生学习和掌握包括硬质材料与硬质合金材料基础知识、材料制备基础知识以及材料应用基础知识等系统的、深入的专业知识。
通过学习搭建粉体材料科学与工程专业基础知识与本课程知识之间以及本课程知识与粉末冶金原理知识之间的桥梁与有机联系，拓展与夯实学生的专业知识。
（二）知识、能力、技能方面的基本要求（1）知识方面的基本要求掌握超硬刀具材料与制备以及超硬涂层及其制备与应用、硬质合金部分包括硬质合金关键原材料制备、硬质合金混合料制备、硬质合金的成形技术与烧结技术、硬质合金材料制备基础理论、硬质合金材料体系及其材料与制备技术的现状与未来发展趋势等。
（2）能力方面的基本要求要求学生掌握硬质合金的基本知识，了解硬质合金材料的生产工艺、制备技术及行业发展趋势。
（3）技能方面的基本要求具备制备、加工硬质合金材料的必要的基础知识和基本技能。
（三）实施说明1.教学以课堂讲授为主。
大纲实施中要注意教授学生学会分析、解决问题的方法，处理好重点与难点，将各种理论、分析方法的实际应用纳入教学过程，使学生能够利用所学知识解决实际问题。
在教学方法上，要注意现代教学手段与理念的应用，做到讲授与实际有机结合。
着重介绍基本概念、基本理论、基本技能，重点强化学生运用知识的能力。
2.采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；通过作业调动学生学习的主观能动性，培养学生的自学能力。
（四）对先修课的要求在讲授本课前，学生应修无机材料科学基础、粉末冶金原理等专业课程。
超硬材料文档
超硬材料简介超硬材料是指具有极高硬度和耐磨性的材料。
它们通常由碳化硅（SiC）和氮化硼（BN）等化合物组成，在各种工业应用中扮演着重要的角色。
本文将介绍超硬材料的特性、应用以及未来发展方向。
特性超硬材料的最重要特性是其极高的硬度。
它们通常具有莫氏硬度大于9的特点，远远高于大多数传统材料如钢铁和陶瓷。
超硬材料之所以如此硬，是因为其内部结构具有高度有序的晶格。
这种晶格结构使得超硬材料具有出色的耐磨性和抗刮擦性能。
此外，超硬材料还具有优异的热导性能和耐高温性能。
正是由于这些特点，超硬材料在高温高压、切削加工和磨削等领域得到广泛应用。
应用工具加工领域超硬材料在工具加工领域有着重要的应用。
石墨刀具、硬质合金刀具以及多晶立方氮化硼刀具等都是由超硬材料制成的。
这些刀具因其高硬度和耐磨性能，在金属切削、磨削和车削等方面都表现出色。
此外，超硬材料还被广泛应用于宝石切割和玻璃加工等领域。
光电子领域在光电子领域，超硬材料也有一定的应用。
由于其优异的热导性能和光学特性，超硬材料被用于制造高功率激光器的热管理部件，如散热片和光学反射镜等。
此外，超硬材料也被广泛应用于光纤通信和太阳能电池等领域。
其他应用领域除了上述领域，超硬材料还有许多其他应用。
例如，超硬材料被用于制造化学反应器的密封件、钻石工具的切割盘和研磨盘、电子封装材料的滚轮和摩擦片等。
这些应用领域的需求不断增长，为超硬材料的研究和开发提供了广阔的市场。
发展方向随着科技的不断进步，超硬材料也在不断发展和创新。
目前，超硬材料的研究主要集中在以下几个方向：新材料的开发一方面，研究人员正在不断寻找新的超硬材料。
例如，通过合金化、纳米化和涂层改性等方法，可以提高超硬材料的性能和功能。
另一方面，一些研究人员致力于开发基于超硬材料的复合材料。
这些复合材料能够综合利用各种材料的优点，进一步提高超硬材料的性能。
例如，使用纳米钢材料和碳纳米管等结构强化材料，可以增强超硬材料的机械性能和韧性。
超硬刀具材料的研究现状及应用
超硬刀具材料的研究现状及应用单位：哈尔滨理工大学机械动力工程学院作者：张慧萍发布时间：2015-4-14 14:56:26硬材料是一种重要的工程材料，通常是指硬度达到莫氏硬度最高值10或接近10的材料，主要应用于复合材料、无机非金属材料、硬质合金的加工[1-2]。
此外，某些超硬材料在光学、电学、热学方面也具有一些特殊性能，而成为一种重要的功能材料。
目前常见的超硬材料有金刚石（天然金刚石和人造金刚石）、立方氮化硼等。
超硬材料通常由超硬材料颗粒与结合剂组成。
超硬材料的性能与结合剂的性能紧密相关，选择或者合成高性能的结合剂，对于超硬材料的制备与应用具有重大意义。
超硬材料尽管物质成分、构成较少，但制品种类繁多，用途非常广泛[3]。
我国超硬材料发展到今天已经走过近50年历史。
近半个世纪以来，中国超硬材料制品无论在产品还是技术的层面，都取得了巨大的进步，并且呈现出传统产品稳步发展不淘汰，新一代高附加值产品不断突破的局面。
典型超硬材料研究现状1 天然金刚石天然金刚石是在地壳深处结晶形成的，存在于地表下深度为100~300km的金伯利岩中。
最适宜的结晶条件是压力5~7GPa，温度1200~1800℃。
天然金刚石完全按结晶学定律生长，岩浆在深部时，温度、压力皆高。
此时，天然金刚石完全按结晶学定律生长，以硅为结晶基底,活化碳沉积形成晶胞,逐渐扩大,为反核晶,有时可长成厚板状。
天然金刚石分为宝石级（钻石）和工业级。
天然金刚石最早在印度发现，后来主要产地是南非和俄罗斯的西伯利亚。
我国是天然金刚石极为匮乏的国家，仅在山东(含苏北)、辽宁发现了小型天然金刚石原生矿，在湖南发现了小型河流冲积型金刚石矿床，但这些远远满足不了高速发展的工业需要。
图1所示为我国发现的最大天然金刚石。
图1 天然金刚石天然金刚石晶体是各向异性特征明显的材料，用X射线从不同角度照射晶体表面会出现不同的衍射图案，而根据不同晶面的特征图案即可选择合适的晶面。
超硬磨料钎焊技术的研究进展
超硬磨料钎焊技术的研究进展作者：张贝朱文武刘数来源：《科技创新导报》 2014年第20期张贝朱文武刘数(河南科技大学机电学院河南洛阳 471003)摘?要：超硬磨料钎焊工具已经成为现代磨削技术发展的需要，甚至成为解决某些重要零件加工难题的关键技术。
该文从钎焊机理、钎焊的优势以及钎焊技术应用等方面进行了深入地分析。
关键词：钎焊工具超硬磨料钎焊工艺金刚石 CBN中图分类号：TG44 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2014)07(b)-0030-01目前超硬磨料工具包括金刚石工具和立方氮化硼（CBN）工具，可以加工陶瓷、高温合金等难加工材料，但是超硬磨料工具的损耗十分严重，主要是因为在加工过程中超硬磨料容易从工具表面早期脱落。
为了解决磨粒早期脱落，就需要提高磨粒的有效固结强度或把持能力，超硬磨料钎焊技术正是解决这一问题的关键技术。
1 钎焊机理的研究磨粒的脱落主要是与结合剂对磨粒的把持能力有关，传统金刚石砂轮是由镍基电镀层或烧结金属结合剂把持磨粒，对磨粒的把持基本依靠机械式的包埋，力量非常弱，磨削过程中磨粒受到较强的冲击力时很容易被剥离出结合剂。
而且传统金刚石砂轮，磨粒的排布随机性很强，磨粒的聚集会造成磨粒间距疏密不均，这样会造成聚集区域磨粒冗余性大，非聚集区域磨粒常常因过载而形成碎裂和脱落。
传统金属结合剂金刚石砂轮之所以没有形成牢固而有效的磨粒把持，就是因为金刚石具有良好的化学惰性，其可焊性非常差，对大多数金属基本上不浸润，金刚石真正的表面金属化就非常困难。
然而可以找到某些对金刚石浸润的液态金属[1]，并在这种浸润金属液体中加入少量的活性合金元素，使其在一定的温度条件下可以和金刚石产生化学反应，生成新的梯度材料，这样就牢固地将金刚石牢固固结在砂轮表面上，因此,磨粒就不会在磨削过程中出现脱落。
目前使用最多的金刚石钎料有3种，一种是Ni-Cr;一种是Ag-Cu-Ti;一种是Cu-Sn-Ti。
材料高压合成与改性-超硬材料-1
第一章超硬材料的高压合成一、碳的家族第一部分金刚石的高压合成2. 金刚石3. 石墨、C60、碳纳米管•石墨•C60•碳纳米管碳纳米管是一种具有特殊结构一维量子材料，径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级。
碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主，同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲，形成空间拓扑结构，其中可形成一定的sp3杂化键，即形成的化学键同时具有sp2和sp3混合杂化状态，而这些p 轨道彼此交叠在碳纳米管石墨烯片层外形成p键。
4. Carbyne5. 类金刚石（DLC－Diamond Like Carbon）二、金刚石的性质（文献）禀性赋性金刚石是一种极其稀有的矿物，大约在公元3000年前首先在印度被发现，但是关于金刚石的结构、组成和性质，在很长的时间都是一个谜。
1694年，在弗罗伦撒人们将金刚石和红宝石装在容器中加热到“炽热”程度，结果惊奇的发现红宝石安然无恙，而十分坚硬珠光闪闪的金刚石确无影无踪了，人们认识到金刚石能够燃烧，但未揭示它的成分。
直到18世纪后期，人们才确定了金刚石是由碳元素组成。
1797年，英国化学家Stennant 将金刚石放在充满氧气的密封金属箱中燃烧，鉴定出箱中所获得的气体是CO 2。
从此开始了人造金刚石的探索….三、人工合成金刚石人工合成金刚石需要高温高压这样一个特点的技术条件。
美国杰出的物理学家P.W. Bridgman创建的高压实验技术奠定了技术基础。
1953年，美国G.E.公司的H.T. Tall成功设计了能维持1小时以上的可产生2.1×104 MPa、2000℃以上高温高压的装置。
1954年，美国G.E.公司采用静态高压高温法首次成功合成出人造金刚石。
1963年，我国生长出第一颗人造金刚石。
早在1653年，法国数学家兼物理学家布莱瑟·帕斯卡就提出密闭流体中压强传递的原理（帕斯卡定律）。
1662年英国化学家兼物理学家波意尔发表实验气体定律（后称：波意尔－马略特定律）。
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
相关产品
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立方氮化硼车刀
孕 镶 金 刚 石 钻 头
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Gold系列PDC钻头
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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
超硬材料的性能和应用
超硬功能材料与工具读书笔记——超硬材料的性能和应用学院：材料科学与工程专业：高分子班级：材料1114班姓名：程鹏学号：20111401726超硬材料的性能和应用摘要超硬材料通常是指人造金刚石和立方氮化硼两种硬度极高的材料。
我国超硬材料产业经过50多年的发展，无论是产量还是质量，无论是品质还是应用，都有了长足的发展。
本文较详细阐述了金刚石和立方氮化硼的基本性能，并介绍超硬材料的主要用途。
同时，由于超硬材料作为一种极端材料，具有相对不可替代性，本文还将就超硬材料不断拓展的应用领域以及十分光明的发展前景做相应介绍。
关键词：超硬材料；金刚石；立方氮化硼；性能应用；发展Properties & application of superhard abrasivesAbstractSuperhard abrasives,which was always referred to the materials with high rigidity such as diamond and cBN(Cubic Boron Nitride).With the 50 years’ development ,China superhard materials industry has changed to great power in the world at aspects of quantity,quality,variety and applications. This article has reviewed the basic properties and practical application of diamond and cBN.Besides,we will also talk about the great progress in the application and the bright development in the future because superhard materials is really hard to replace due to its extreme property.Keywords:Superhard abrasives,diamond,CBN,properties and application, future development一、前言超硬材料通常是指体状的人造金刚石和立方氮化硼两种硬度极高的材料，它以无与伦比的耐磨等优异性能，广泛地应用在机械加工、石材加工、建材、航空航天、新材料加工、汽车等领域。
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二、用途
高温高压法生产的金刚石和立方氯 化硼仅有很少部分是以粉末状原料作为 磨料使用的。通常都要做成块状(聚晶) 或片状(复合片)再制成产品或待金刚石 粉用某种材料固结起来制成产品。 低压气相沉积金刚石薄膜可直接沉 积在刀具或工具、模具等表面制成耐磨 涂层，也可沉积成片状或粉状再制成制 品。
(1)磨具. 金刚石磨具主要用于下列材料的研磨、抛光 或切割：硬质合金、陶瓷及耐火材料、玻璃、石 墨、宝石、有色金属材料及非金属材料等。 CBN磨具主要用作各种高速钢、轴承钢、铸 铁、不锈钢、耐磨涂层、高温合金等难磨材料的 磨加工和抛光。 (2)刀具(包括薄膜涂层刀具). 金刚石刀具主要用于各种非金属材料及有色 金属材料的车、铣、镗、钻等工序，如玻璃钢、 硬塑料、橡胶、建筑材料、碳纤维、陶瓷、耐火 材料、铜、铝基复合材料及合金等。 CBN刀具主要用于淬火钢、冷硬铸铁、不锈 钢、高温合金、耐磨涂层等材料的加工。
天然金刚石原生矿属于角砾云母橄榄岩(金 伯利岩)，当位于地下深处的金伯利岩中的碳元 素达到一定浓度后，在高温、高压条件下，碳 元素结晶成为金刚石晶体而形成金刚石矿床。
C 金刚石
高温高压
1954年，美国通用电气公司的邦迪 (F．P．Bundy)等人首次在高温高压条件 下以石墨为原料，以镍为触媒成功地合成 出金刚石，开始了人造金刚石工业生产。 我国1963年在实验室里生产出第一颗 人造金刚石； 1965年投入工业生产。
鉴别法
• 中国主要金刚石成矿区有：①辽东—吉南 成矿区，有中生代和中古生代两期金伯利 岩。②鲁西、苏北、皖北成矿区，下古生 代可能有多期金伯利岩。③晋、豫、冀成 矿区，已在太行山、嵩山、五台山等地发 现金伯利岩。④湘、黔、鄂、川成矿区， 已在湖南沅水流域发现了4个具工业价值的 金刚石砂矿。
金刚石及金刚石钻头
立方氮化硼(Cubic BoronNitrideCBN)也是采用高温高压技术人工合成 的一种超硬材料。 到现在在自然界中没有发现CBN， 它是1957年由美国通用电气公司温托 福(R．H．wentorf)首次在触媒存在的 条件下合成出来的，之后也很快进入 工业生产.
低压气相沉积金刚石的研究工作早在 20世纪初就己开始。1911年，博尔顿 (V．Bolton)发表了低压气相合成金刚石 的实验工作。 • 在100℃有汞(Hg)蒸汽存在的情况下， 在分解乙炔(C2H2)气体获得金刚石晶种生 长。50年代末60年代初，人们开始把含 碳气体的热分解应用到合成金刚石方面进 行系统研究。
Hycalog的复合片
• 上图是各种异型结 合面的复合片 • 下图为尖角形复合 片。
爪形和环爪形复合片
江钻的G系列带槽PDC片
适用于切割各种花岗岩、大理石、陶瓷、混 凝土等脆硬材料，特点是速度快、效力高、 出屑块。
适用于切割全瓷瓷砖、陶瓷、玻璃、高档大理石、 高档花岗石等对精度要求高的脆硬性材料，特点是 切割平稳，光洁度高、无崩边
超硬材料与工具
超硬材料与工具
一、 概 念 超硬工具材料是指以金刚石或立方氮化硼单晶 等为原料制取的磨料、聚晶及与其它材料结合而成 的复合材料及制品。 包括：1、单晶 2、聚晶 3、复合体
• 金刚石，俗称“金刚钻”。习惯上人们常 将加工过的称为钻石，而未加工过的称为 金刚石，通常成品钻是采矿量的十亿分之 一，因而价格十分昂贵。 • 世界上最重的钻石是1905年产于南非的 “库里南”，重3106克拉，已被分磨成9粒 小钻，其中被称为“非洲之星”
• 二.钻探用金刚石的粒度和品级：
①国际上金刚石的重量计量单位：克拉，1克拉=0.2克； ②国际上金刚石的粒度计量单位: “目”，筛网每英寸内的网格数 ③天然金刚石品级：TT、TY、TB、TD、TX和TS ④人造金刚石的品级：RT、RY、RB、 ⑤人造聚晶品级：RJT、RJY、RJB
薄壁钻头
取心钻头
适用于石材及各种脆硬性材料的打磨加工， 特点是磨削快、寿命长。
大锯片，规格自180至600,甚至更大
大陆机
• 有颜色的钻石中有一定含量的金属离子， 象蓝宝石中，就有二价的铜离子。 • 要是红宝石，那里面就是三价的铁离子。 • 绿宝石含二价的铁离子，
• 1、钻石的单折光性 钻石的单折光性，是由于钻石的本质特性决定的。而其它天 然宝石或人造宝石大都是双折光性的。冒充的钻石在10倍放大镜 观察下，从正面稍斜的角度看，很容易看出棱角线出现重叠影像， 并同时呈现出两个底光。双折射率差别小的如锆石等，也可看出 底光重叠的影像。 • 2、钻石的吸附性 钻石对油脂及污垢有一定的亲和力，即油污很容易被钻石吸 附。因此，用手指抚摸钻石会感到胶粘性，手指似乎有粘糊的感 觉。这是任何宝石所没有的。这种方法需要加以训练方能掌握其 中微妙的区别。 • 3、一线直落的特征 钻石表面抛光很光滑。用一支钢笔蘸上墨水在钻石上划过， 若是真钻石，表面留下的是一条光滑连续的线条，特征是一线直 落。仿冒品留下的是一个个小圆点组成的线条。用此法观察应借 助放大镜。 • 4、特有的金刚光泽 大致在100度的白炽灯光下，切磨很好的钻石与仿冒品相互比 较，很容易看出哪个具有金刚光泽。此方法不宜在过暗或过强的 灯光下是进行。
• 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。
石油用金刚石钻头
矿山用金刚石钻头
1、非平面界面技术的应用
爪型复合片
常规复合片
GeoDiamond 的复合片
● 上边一个名字叫TecMax，它有2 层金刚石，加大了金刚石含量 而无损其可靠性；经过减残余 应力处理，以提高抗冲击能力。 中间一个叫Quick。硬质合金 部分有一个凹槽，可以释放应 力，在同样切削深度下减少钻 压和扭矩，有利于提高钻速。 下边2个叫Arrow。突破了传 统的圆形，有一个尖角形刀刃。
1975年原苏联的德亚金 (Deryagin)等报导了在非金刚石基底上 沉积出了晶粒微米大小的金刚石晶体， 标志着气相沉积金刚石的新时代的开 始。 随后人们也开始研究低压气相 沉积立方氮化硼及碳氮薄膜。现在低 压气相沉积金刚石薄膜已进入工业化 生产。 我国也已经研制出低压气相沉 积金刚石刀具材料并已小批量生产。
超硬工具材料的用处
超硬工具材料的原材料为金刚石及立方氯化硼 CBN)。它们的突出特点是硬度高，金刚石是自然 界目前已知最硬的物质，CBN是硬度仅次于金刚 石的材料，但CBN的化学稳定性及耐热性要优于 金刚石。尤其是对于铁族金属，金刚石易于与之作 用转变为石墨，而CBN对铁族金属的热稳定性及 化学稳定性都很好。所以在许多加工铁族金属的场 合要用CBN而不用金刚石制品。
END
(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。