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 abrasives

Abstract

Superhard 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。这些应用主要是利用它的力学物理性能作为结构材料使用。近年来，随着超硬材料薄膜和超硬材料纳米技术的开发，超硬材料的应用逐步拓展到它的热学、光学、电学等功能方面，有关器件的开发已具雏形。二、金刚石（聚晶）的性能及应用

天然金刚石是自然界中最硬的物质,并具有许多卓越的性能:极大的弹性模量、极高的耐磨性、良好的导热性能、较小的线膨胀系数以及很高的化学稳定性等等。聚晶金刚石不仅具有单晶金刚石所固有的卓越性能,而且具有单晶金刚石所不具有的一些优良品质:(1)在聚晶金刚石中,晶粒呈无序排列,各向同性,无解理面。因而它不像单晶金刚石那样在不同晶面上的强度、硬度及耐磨性上有很大差异,以及因解理面的存在而呈现脆性。(2)合成大块聚晶金刚石要比合成大单晶金刚石简单,因而可制成大块聚晶金刚石或PCD刀具坯料,满足大型加工刀具(如铣刀)的需要。(3)可以制成特定形状以适合不同的用途。(4)可以设计或预测产品的性能,赋予产品必要的特点以适应它的特定用途。如选择细粒度的PCD刀具材料可使刀具的刃口质量提高;粗粒度的PCD刀具材料可使刀具的耐用度提高等。因此,聚晶金刚石在工业生产中得到了广泛的应用。自聚晶金刚石投产34年(1972~1973年GE公司正式生产Compax系列产品)以来,广泛应用于切削刀具、

木材加工刀具、拉丝模、修整工具、石油地质钻头、麻花钻头、耐磨器件以及聚晶金刚石散热片等工业用途。作为最硬的工具材料,在合适的加工条件下,金刚石比高速钢、硬质合金、陶瓷以及立方氮化硼的使用寿命都长。而它的局限性在于一般不适用于加工黑色金属材料。但在高速大批量生产中,加工诸如铝和石墨等材料,金刚石往往是最有效的工具。随着研究的深入,聚晶金刚石必将拥有更为广阔的应用前景。

1、聚晶金刚石的主要性能特点

耐磨性、热稳定性和抗冲击韧性是聚晶金刚石最重要的性能指标,在某些情况下强度、硬度、可加工性、自锐性等性能也可能成为重要参数,目前国内外对

聚晶金刚石的性能还没有统一的检测标准,不同的用途对聚晶金刚石的要求也不相同。

（1）耐磨性：耐磨性是指聚晶金刚石在切削、钻井、修整砂轮等过程中的抗磨损能力。一般用磨耗比来评价。

（2）热稳定性：一些难加工材料的特殊加工要求,以及随着对加工质量要求的不断提高,人们对聚晶金刚石工具的质量和使用性能提出了更高的要求和期望。作为金刚石工具重要性能指标之一,聚晶金刚石的热稳定性直接关系到其本身的应用范围和发展前景

（3）抗冲击韧性：聚晶金刚石,特别是PCD刀具材料由于有硬质合金基体的支撑而具有较高的抗冲击强度。因而,用PCD刀具不仅可用来精密切削加工和普通半精密加工,还可用作较大切削用量的粗加工和断续加工(如铣削等)。抗冲击韧性是指聚晶金刚石承受冲击载荷的能力,主要体现在:在冲击力作用下金刚石颗粒不剥落,金刚石层不裂纹崩刃,不分层。该性能的测试目前还没有统一的标准,国内有采用"落锤法"测试其冲击韧性,设备简单,但其精度和重复性都差,也有资料[2]介绍用计算断裂功的方法表征其冲击韧性,结果显示随着聚晶晶粒的细化,冲击韧性平均值明显提高,但所测结果非常分散。

2、聚晶金刚石的发展趋势及应用

随着对聚晶金刚石研究的不断深入,聚晶金刚石的发展有以下几个趋势。(1)规格尺寸日益大型化。目前国外最大的金刚石复合片的直径已超过100mm,投放市场的主流产品的直径为60~80mm。国内生产的复合片的直径也已达30mm。

(2)晶粒细化、质量优化、性能均一化。早期聚晶金刚石一般使用50um左右的金刚石,现在发展到使用2Lm甚至0. 5Lm以下的金刚石,从而使聚晶产品的加工精度越来越好。De Beers公司提供的570mm的产品的中心点与边缘点耐磨性和耐热性指标的偏差能控制在30%范围内,基本上均匀一致。而且纳米金刚石也进入了研究领域,由于纳米金刚石不仅具有金刚石所固有的卓越性能,还兼有纳米材料的共性,因此纳米金刚石的研究和应用也受到了人们的广泛关注。邹芹等26对纳米金刚石无助剂烧结的可行性进行了分析。

(3)形状结构多样化。过去,聚晶金刚石一般是单一的片状或圆柱状。随着坯料的大型化和加工技术(如电火花、激光切削技术)的提高,三角形、人字形、山墙形