金刚石及金刚石复合片用途与制造

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二,聚晶金刚石的机械性能
在PDC内,原始的金刚石晶粒的边界已经消失, PDC内,原始的金刚石晶粒的边界已经消失, 所有的颗粒基本上连为一体,形成以D 所有的颗粒基本上连为一体,形成以D-D键结 合的多晶体 由于PDC内的金刚石颗粒是本体相连,并且排 由于PDC内的金刚石颗粒是本体相连,并且排 列没有方向,PDC耐磨性接近于单晶金刚石, 列没有方向,PDC耐磨性接近于单晶金刚石, 但抗冲击性却远远超出. PDC内的粘结金属钴源于硬质合金基体,并促 PDC内的粘结金属钴源于硬质合金基体,并促 使与基体紧密相连,更提高了PDC的韧性. 使与基体紧密相连,更提高了PDC的韧性. 改进粘结剂含量和金刚石粒度配比,PDC的耐 改进粘结剂含量和金刚石粒度配比,PDC的耐 磨性和抗冲击性都会有一定程度的改变.
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五,复合片在钻井上的应用
聚晶金刚石复合片(PDC)主 聚晶金刚石复合片(PDC)主 要作为PDC钻头的切削齿,通 要作为PDC钻头的切削齿,通 过高温钎焊的方式焊接在钻头 体上. 复合片在PDC钻头钻进中主要 复合片在PDC钻头钻进中主要 起剪切和刮削作用 PDC钻头主要适于软到中硬地 PDC钻头主要适于软到中硬地 层特别是均质地层的钻进.
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二,人造金刚石的合成(续一)
两面顶压机是国际上进行高温高压合成的主体设备. 采用两个硬质合金顶锤,和压缸配合形成体积较大的 高压区.当前世界上使用的最大压机的压力为1.8万吨. 高压区.当前世界上使用的最大压机的压力为1.8万吨. 单次可生产金刚石上千克拉. 压缸通常用硬质合金制造,但压缸本身的强度不足以 承受几万大气压的拉力,因此需要在外围另加几层高 强度的过盈配合的钢环,使压缸受压到接近其抗压强 度.工作时,顶锤上下加压,压缸胀回到接近其抗拉 强度.此时压缸内组装块的压力可达到5 强度.此时压缸内组装块的压力可达到5万大气压以上.
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二,材料极品——金刚石的特性 二,材料极品——金刚石的特性
性能 硬度最大 弹性模量最大 抗压强度最大 摩擦系数最小 声速最高 折射率最大 透光性最好 热膨胀系数最小 热传导率最强 化学惰性最好 能隙最大 耐磨工具 高弹性弹簧 高压压头 高速轴承 喇叭振动膜 钻石饰品 X光观察窗 硅晶垫片 散热薄片 表面防护,化学品器具 下一代半导体材料
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宝石之王——钻石(天然金刚石)(续) 宝石之王——钻石(天然金刚石)(续)
天然金刚石多产自从地球深 处冒出地表的金伯利岩矿脉. 金伯利岩原埋在地下130公 金伯利岩原埋在地下130公 里以下,其中所含的碳在5 里以下,其中所含的碳在5 万大气压以上的压力下逐渐 转化为金刚石. 金伯利岩在接近地表时因压 力降低而形成喇叭口状的矿 脉,每10吨矿石才产出钻石 脉,每10吨矿石才产出钻石 1克左右,其中宝石级更只 占1/10. 1/10.
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金刚石层
硬质合金基体
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一,聚晶金刚石的制造(续二)
制造PCD及WC的复合体(PDC)时,先将细粒的金刚石 制造PCD及WC的复合体(PDC)时,先将细粒的金刚石 或微粉与已成型的WC基体(含钴13-16%)组装在金属杯 或微粉与已成型的WC基体(含钴13-16%)组装在金属杯 中.为使压力均匀,金属杯外需套较软的传压介质如叶蜡 石,食盐等.由于传压介质不导电,不能直接通电加热, 因此组装块需要另加导电管进行加热. 组装块放入高压装置,加压到5 组装块放入高压装置,加压到5万大气压后通电加热,温 度超过1300℃ 度超过1300℃ 时钴开始熔化并渗入到金刚石颗粒之间.碳 熔融再结晶形成结合力极强的金刚石-金刚石(D 熔融再结晶形成结合力极强的金刚石-金刚石(D-D)键.
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三,聚晶金刚石的成型加工
PDC经过高温高压后,形状较不规则,需要加工 PDC经过高温高压后,形状较不规则,需要加工 成较为规整的形状.较为典型的加工工序如下:
研磨 外圆磨 钎焊 倒角 线切割
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平面磨 抛光
四,聚晶金刚石的应用
PCD的主要应用如下 PCD的主要应用如下
相对耐磨性
50 40 莫氏硬度 43 37
Kg/mm2
金刚石
CBN
SiC
Al2O3
抗压强度
1200 1000 Kg/mm2 800 600 400 200 0 金刚石 CBN SiC Al2O3 300 58 720 1065
30 20 10 0 金刚石 CBN SiC Al2O3 14 9
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用途
三,耐磨材料之冠(一)
Knoop硬度 Knoop 硬度
8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 7000 4700 2450
2100
金刚石的硬度和耐磨 性远远高于其它硬质 材料,是目前加工高 耐磨工件不可或缺的 材料.见图:磨料的物
理性质
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二,人造金刚石的合成(续二)
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第三章 聚晶金刚石
一,聚晶金刚石的制造
大型的金刚石单晶合成时间往往达到几十个小 时,并且金刚石的机械性能具有极强的方向性, 随着方向的不同,硬度和耐磨性有极大的差异, 这往往导致金刚石寿命降低或工件精度变差. 通过高温高压方式,将小颗粒的金刚石烧结成 块(PCD),时间大约半小时,制造成本大大 块(PCD),时间大约半小时,制造成本大大 降低. 聚晶金刚石(PCD)通过结合剂或自身粘结, 聚晶金刚石(PCD)通过结合剂或自身粘结, 晶粒之间的结晶面方向是随机的,在使用时各 方向的磨损是均匀的,与磨损方向差异极大的 金刚石单晶不同.
PDC
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附:金刚石的姊妹产品——CBN 附:金刚石的姊妹产品——CBN
立方氮化硼刀具的硬度HV8000-9000,仅次于金 立方氮化硼刀具的硬度HV8000-9000,仅次于金 刚石,是目前发现的第二种超硬材料,立方氮化 硼有很的耐磨性,热稳定性和优良的化学稳定性, 有良好的导热性,韧性和较低的磨擦系数. 主要用于加工硬度HRC60—70的各种碎硬钢( 主要用于加工硬度HRC60—70的各种碎硬钢(包括 碳素工具钢,合金刚,轴承钢,模具钢,高速 钢),各种耐磨铸铁(包括钒钛铸铁,冷硬铸铁, ,各种耐磨铸铁( 高磷铸铁,Ni-Hard铸铁),热喷涂( 高磷铸铁,Ni-Hard铸铁),热喷涂(焊)件和高温 合金. 立方氮化硼刀具的高耐用度使它非常适合于数控 机床加工,CNC+CBN=现代化机床. 机床加工,CNC+CBN=现代化机床.
三,耐磨材料之冠(二)
工业天然金刚石
人造金刚石单晶
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三,耐磨材料之冠(三)
金刚石砂轮
石材切割锯片
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三,耐磨材料之冠(四)
聚晶金刚石复合片 聚晶金刚石拉丝模
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三,耐磨材料之冠(五)
聚晶金刚石刀具
油井钻进PDC钻头 油井钻进PDC钻头
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三,耐磨材料之冠(六)
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二,聚晶金刚石的热性能
PDC在制成工具时常承受高温条件,而且在使 PDC在制成工具时常承受高温条件,而且在使 用时,切削点也会摩擦生热.PDC在700℃ 以 用时,切削点也会摩擦生热.PDC在700℃ 上的高温时,由于金属钴,铁等的催化作用, 金刚石转化为石墨,其硬度和耐磨性会急剧降 低. 由于PCD和WC的热膨胀系数相差较大,在较 由于PCD和WC的热膨胀系数相差较大,在较 高的温度下,会形成较大的热应力,严重时还 会导致产品断裂.
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一,聚晶金刚石的制造(续一)
从1970年代起,PCD开始大量生产.大部分PCD 1970年代起,PCD开始大量生产.大部分PCD 烧结时以钴作为烧结助熔剂.有的PCD以硬质合 烧结时以钴作为烧结助熔剂.有的PCD以硬质合 金为基体,形成金刚石-硬质合金复合片(PDC). 金为基体,形成金刚石-硬质合金复合片(PDC). 这种产品兼有PCD的硬度和硬质合金的韧性,堪 这种产品兼有PCD的硬度和硬质合金的韧性,堪 称两种材料的完美组合.
金刚石手术刀 (刀刃放大图) 聚晶金刚石轴承
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第二章 金刚石的制造
一,金刚石的制造历史
由于天然金刚石产于地底深处,1953年起,从 由于天然金刚石产于地底深处,1953年起,从 高压技术着手,以铁等金属为催化剂,在高温 高压下将石墨转化为金刚石颗粒,大小40 高压下将石墨转化为金刚石颗粒,大小40 m -1mm.目前全球市值约为15亿美元. 1mm.目前全球市值约为15亿美元. 1960年起,美国杜邦公司利用爆炸所产生的高 1960年起,美国杜邦公司利用爆炸所产生的高 温高压,把石墨在瞬间转化为金刚石微粒( 温高压,把石墨在瞬间转化为金刚石微粒(< 10 m) 10 1971年起,在高温常压下,由氢分子分解的原 1971年起,在高温常压下,由氢分子分解的原 子将甲烷分解的碳催化成为金刚石,形成了低 压气相沉积的金刚石薄膜(厚度<1mm),揭 压气相沉积的金刚石薄膜(厚度<1mm),揭 开了金刚石发展暂新的一页.
金刚石复合片用途与制造
江钻股份新材料事业部 2002年 2002年7月23日 23日
第一章 金刚石的世界
一,宝石之王——钻石(天然金刚石) 一,宝石之王——钻石(天然金刚石)
金刚石是最硬的物质,而 且对光的折射能力最强, 因此大粒的天然金刚石早 成了"宝石之王" 最大的钻石为1905年南非 最大的钻石为1905年南非 出产的钻石原石Cullinan, 出产的钻石原石Cullinan, 重达3106克拉,切割和琢 重达3106克拉,切割和琢 磨成九颗宝石.其中有世 界第一大钻石Cullinan 界第一大钻石Cullinan I (530克拉)及第三大钻石 530克拉)及第三大钻石 Cullinan II(317克拉). II(317克拉).
切削工具 有色金属:铝,铜,镁,锌等及其合金 有色金属:铝,铜,镁,锌等及其合金 硬质合金:半烧结件,烧结件 硬质合金:半烧结件,烧结件 陶瓷:半烧结件,烧结件 陶瓷:半烧结件,烧结件 非金属:塑料,硬质橡胶,碳棒,木材等 非金属:塑料,硬质橡胶,碳棒,木材等 耐磨工具 拉丝模:拉制有色金属,不锈钢丝,钨丝等 拉丝模:拉制有色金属,不锈钢丝,钨丝等 修整工具:修整刚玉砂轮,碳化硅砂轮 修整工具:修整刚玉砂轮,碳化硅砂轮 钻探:石油/ 钻探:石油/天然气钻头,地质钻头,工程钻头
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二,人造金刚石的合成
主要设备是大吨位油压机,在装置中心产生几万个 大气压的高压.压机通常为两面顶和六面顶结构.
六面顶压机采用六个对向 压的硬质合金顶锤,向位 于中心的立方体合成块施 压.该压机制造成本不高, 易于投资,目前在中国大 约有4000台,但金刚石单 约有4000台,但金刚石单 产只有10-20克拉,品级 产只有10-20克拉,品级 也不高.