12011第一章 超硬材料与工具

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。
• 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。
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
来自百度文库
大陆科学钻探用扩孔器
• 复合式直径6.14米盾构掘进机
• 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，
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。
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。
END
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。
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。
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
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
(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。
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