12011第一章 超硬材料与工具

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）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。

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。

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。