國(guó)銳超硬帶您走進(jìn)超硬材料

１超硬材料：金剛石和立方氮化硼及以金剛石和立方氮化硼為主要成分的聚晶、復(fù)合片。



2金剛石為什么不適合加工鐵基金屬材料：


由于金剛石在磨削高溫下能與Fe基金屬材料發(fā)生化學(xué)作用，金剛石中的碳與這些元素發(fā)生作用，生成碳化物，產(chǎn)生粘刀顯現(xiàn)，使用壽命縮短，加工質(zhì)量下降，因此，金剛石不適合加工鋼材，包括普通鋼和各種韌性合金鋼。 此類材料一般使用cBN工具加工。



3超硬材料今后的主要發(fā)展方向：


單晶合成

(采用不同原料、不同的高溫高壓合成設(shè)備和不同工藝，合成不同的單晶產(chǎn)品)

單晶分選

（合成的單晶產(chǎn)品，按照顆粒形狀、粒度、堆積密度、雜質(zhì)含量以及強(qiáng)度、韌度、耐熱性等性能指標(biāo)的不同進(jìn)行分選，從而分為不同的單晶晶種）

表面鍍覆

（經(jīng)過分選的不同品種的單晶，利用化學(xué)鍍、電鍍、真空鍍等表面鍍覆）

聚晶制造

（利用金剛石單晶粉末或石墨粉以及適當(dāng)?shù)慕饘俜酆头墙饘俜鄣仍牧希凑者m當(dāng)?shù)呐浞?，采用相?yīng)的工藝方法（高壓高溫?zé)Y(jié)法或直接生長(zhǎng)法），制造具有不同的形狀、規(guī)格、性能和用途的聚晶）

薄膜生長(zhǎng)

（采用在低壓條件下的各種氣相沉積生長(zhǎng)法，制造具有特殊性能和較大尺寸的金剛石薄膜或類金剛石薄膜）



4人造金剛石合成基本方法：


動(dòng)態(tài)高壓法、靜態(tài)高壓法、化學(xué)氣相沉積（CVD）--亞穩(wěn)態(tài)生長(zhǎng)



5靜壓觸媒法：


是指在金剛石熱力學(xué)穩(wěn)定的條件下，在恒定的高壓高溫和觸媒參與的條件下合成金剛石的方法。



6列舉金剛石的主要優(yōu)異性能：


最大硬度、最大熱導(dǎo)率、最小壓縮率、最寬透光波段、耐腐蝕



7金剛石結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)：


電子結(jié)構(gòu)：根據(jù)雜化理論，C原子在反應(yīng)時(shí)，激發(fā)一個(gè)2s電子到2pz軌道上去。一個(gè)s軌道和三個(gè)p軌道混合起來，形成四個(gè)新軌道---sp3等價(jià)雜化軌道，每個(gè)sp3雜化軌道具有1/4的s成分和3/4的p成分，形狀都相同，這四個(gè)軌道的對(duì)稱軸之間的夾角都是109。28、。


晶體結(jié)構(gòu)：在金剛石晶體中，每個(gè)C原子與相鄰的四個(gè)C原子按照等價(jià)的sp3雜化軌道形成四個(gè)共價(jià)鍵。所有價(jià)電子都參與成鍵，晶體中沒有自由電子。

金剛石晶體是典型的共價(jià)鍵晶體，具有共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)特性---方向性和飽和性。

因此金剛石的硬度和熔點(diǎn)極高，而且不導(dǎo)電。



8碳的 P-T 相圖





9金剛石生長(zhǎng)的溫度梯度法


溫度梯度法是在高溫高壓條件下，石墨轉(zhuǎn)化為金剛石并溶于觸媒中，在一定溫度梯度驅(qū)動(dòng)下擴(kuò)散并在晶種上開始生長(zhǎng)。即由于溫度的不同，金剛石將由高溫處的高濃度區(qū)向低溫處的低濃度區(qū)擴(kuò)散，并在低溫晶種處結(jié)晶析出。溫度梯度法的生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力(過剩溶解度)與軸向溫度梯度正比。




10金剛石的晶形與生長(zhǎng)區(qū)域的關(guān)系圖






11靜壓觸媒法合成金剛石


靜壓觸媒法合成金剛石用的原材料，主要包括以下三種：作為碳源的石墨；作為觸媒的過渡金屬及其合金；作為傳壓和密封介質(zhì)的葉臘石。

  材料選擇原則：石墨材料的選擇原則：

  (1) 較高石墨化度(90%左右)；

  (2) 較高密度，有一定氣孔率，且氣孔分布均勻(28%左右) ；

  (3) 純度高，有害雜質(zhì)盡可能消除。灰分在0.02%以下。

觸媒材料的選擇原則：

Fe 、Ni、Mn、Co、Cr等元素及其合金，是合成金剛石最基本、最有效的觸媒。其中添加B、Cu、Zn、Nb等元素，可賦予金剛石以特殊性能，如半導(dǎo)體特性；添加B、Ti則得藍(lán)色金剛石，耐熱性高；添加少量V、W有利于顆粒長(zhǎng)大。另外希望成本低，易加工成型。

國(guó)內(nèi)曾經(jīng)使用的觸媒有：Ni70Mn25Co5，Ni40Mn30Fe30等，目前，最常用的觸媒為FeXNi1-X，同時(shí)添加少量其他元素。



12三除法金剛石提純：


除金屬、除石墨、除葉臘石



13超硬材料化學(xué)鍍：


化學(xué)鍍是指借助于合適的還原劑使溶劑中的金屬離子被還原為金屬狀態(tài)，并沉積在基體表面上的一種鍍覆金屬的方法。



14電鍍定義


是在電流作用下的氧化還原過程。電鍍的基本過程是，保持一定的pH值、溫度等條件，在直流電作用下，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，金屬銅失去電子，成為銅離子進(jìn)入溶液；同時(shí)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，銅離子在陰極上得到電子，還原為金屬銅。



15金剛石微粉的定義：


按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7991-1997的規(guī)定，粒度等于或細(xì)于54μm的金剛石粉，稱為金剛石微粉。



16金剛石微粉的主要應(yīng)用：


⑴ 直接被使用或制成研磨膏

⑵ 作為制造大顆粒聚晶的原料

⑶ 將微粉鍍?cè)谀承┕ぜ砻嫔弦栽黾悠淠湍バ?br />
⑷ 微粉有時(shí)也可用于制造研磨用的電鍍磨具。



17金剛石聚晶及人造金剛石聚晶的三種方法：


金剛石聚晶(PCD)：是泛指由許多細(xì)晶粒(0.1~100μm)金剛石在高溫高壓下聚結(jié)而成的一類超硬材料產(chǎn)品。

人造金剛石聚晶按照燒結(jié)機(jī)理分為3個(gè)類型：

燒結(jié)型（S-型）（聚晶是以金剛石細(xì)粉為原料，在有添加劑或無添加劑和高溫高壓條件下，使之燒結(jié)而成的塊狀聚結(jié)體，其結(jié)構(gòu)與卡布那多相似，晶粒排列無序、無方向性、無解理面。）

生長(zhǎng)型（G-型）（聚晶是以石墨為原料，在觸媒參與和高溫高壓條件下，使之轉(zhuǎn)變成多晶金剛石。因?yàn)樵诤铣蛇^程中伴有成核、生長(zhǎng)過程，故稱之為生長(zhǎng)型。）

生長(zhǎng)-燒結(jié)型（G-S）（聚晶是以金剛石和石墨為原料，在觸媒的參與和超高溫高壓條件下，石墨（包括部分逆轉(zhuǎn)化的石墨）向金剛石轉(zhuǎn)化過程之中，與原有金剛石交互生長(zhǎng)在一起，這種結(jié)合方式的多晶體，稱之為生長(zhǎng)-燒結(jié)型聚晶。）



18膜生長(zhǎng)法


在磨料級(jí)金剛石的生長(zhǎng)過程中，由于在金剛石晶體外側(cè)包有一層薄薄的(～100μm)金屬膜（介于金屬兩側(cè)的分別是石墨和金剛石），通常也將磨料級(jí)金剛石生長(zhǎng)方法稱之為膜生長(zhǎng)法(FGM)。



19合成金剛石對(duì)反應(yīng)容器的要求：


(1) 傳壓性能良好;

(2) 密封性能良好;

(3) 絕緣性能良好;

(4) 隔熱性能良好;

(5) 熱穩(wěn)定性好;

(6) 化學(xué)穩(wěn)定性好;

(7) 機(jī)械加工性能良好



20六面頂壓機(jī)


國(guó)產(chǎn)六面頂壓機(jī)合成金剛石的合成棒中壓力和溫度的分布規(guī)律

合成棒中溫度分布規(guī)律：

沿軸線方向，兩端溫度低于中間；沿直徑方向，外圍溫度低于內(nèi)部。合成棒的中心部位溫度最高。軸向和徑向均存在溫度梯度。溫度梯度的數(shù)值可能達(dá)到15～25℃/mm。

合成棒中壓力分布規(guī)律：

沿軸線方向，兩端壓力高，中間壓力低；沿直徑方向，外圍壓力高，內(nèi)部壓力低。合成棒的中心部位壓力最低。軸向和徑向均存在壓力梯度。壓力梯度可達(dá)0.1～0.2MPa。



21粉碎法


人造金剛石微粉絕大部分(90%以上)是以靜壓觸媒法制造的粗粒度金剛石為原料，經(jīng)過球磨破碎、粉碎等工序加工而成。是國(guó)內(nèi)外普遍采用的微粉生產(chǎn)方法，可稱為靜壓合成-球磨粉碎法，簡(jiǎn)稱粉碎法。



22超硬材料的用處


(1)磨具

金剛石磨具主要用于下列材料的研磨、拋光或切割：硬質(zhì)合金、陶瓷及耐火材料、玻璃、石墨、寶石、有色金屬材料及非金屬材料等。

CBN磨具主要用作各種高速鋼、軸承鋼、鑄鐵、不銹鋼、耐磨涂層、高溫合金等難磨材料的磨加工和拋光。



(2)刀具(包括薄膜涂層刀具).

金剛石刀具主要用于各種非金屬材料及有色金屬材料的車、銑、鏜、鉆等工序，如玻璃鋼、硬塑料、橡膠、建筑材料、碳纖維、陶瓷、耐火材料、銅、鋁基復(fù)合材料及合金等。

CBN刀具主要用于淬火鋼、冷硬鑄鐵、不銹鋼、高溫合金、耐磨涂層等材料的加工。



(3)鉆具.

用于地質(zhì)、石油、煤田、工程施工等的勘探和采掘。



(4)鋸切工具.

主要用于石材、建筑材料、陶瓷、耐火材料、電碳制品、半導(dǎo)體、寶石、木材等的切割；也用于馬路、機(jī)場(chǎng)跑道、建筑構(gòu)件的切槽和切斷。



(5)拉拔工具。

用于拉拔下列金屬材料的絲材及線材，鎢、鉬、銅、鋁、不銹鋼、鍍鋅鋼、鋼以及合金等。



(6)修整工具。

用于普通磨具的成型修整、整形、修銳等



(7)其它工具。

用于硬質(zhì)合金模具、量具刃具加工的手工工具，還有玻璃刀、醫(yī)用工具、壓砧及壓頭等。