超硬材料论文

超硬材料的发展与应用 班 级 材料045 专 业 金属材料 姓 名 张 昆 学 号 041970 指导老师 李国彬 2

内 容 提 要 论文题目：超硬材料的发展与应用 摘要： 超硬材料金刚石及立方氮化硼，品种繁多，近年来由于其独特的性能，得到了广泛的应用。 本文主要是介绍我国超硬材料的高速发展，我国现在所使用的生产技术都是多年来自主研究开发的。数以千计的“千吨级”六面砧压机的投入运营，高压腔的扩大，产量的大幅度提高；应用粉末法合成金刚石范围的逐步扩大；具有自主知识产权的“年轮式”两面砧装置及其合成高品级金刚石技术的掌握；纳米金刚石单晶，多晶合成技术的深入研究及其产业化应用初见成效；立方氮化硼产量快速增长及新品种的不断增加等，充分展示中国超硬材料工业正向更高水平和更新的方向。同时在以下几方面介绍超硬材料的应用。 一 、超硬材料在特种加工中应用； 二 、超硬材料在刀具材料方面的应用； 三 、超硬材料在薄膜涂层的发展与应用； 四 、超硬磨料在硬脆材料切割中的应用

关键词

高速发展 中国 应用 特种加工 刀具材料 薄膜涂层 硬脆材料 切割 3

Summary of content Topic: Development and Application In Ultrahard Materials Summary（200words）： In recent years, ultrahard materials such as diamond and CBN have been developed rapidly and used widely due to its unique properties. In the paper ,it is about applications and developing features of diamond in China , Supported by our own research achievements，many new techniques have been developed and put into application，such as：spread of cubic press of thousand tonnage；enlargement of high-pressure chamber size；synthesis of diamond from carbon powder instead of carbon slices；patented belt-press apparatus and high-grade diamond synthesis technique；single crystal，polycrystal and film of nano-diamond as well as their industrial production；cubic boron nitride and related products as well as their industrial production. At the same time, it aspects the application of ultrahard materials in the following: First , the application of ultrahard materials in the special processing; Second , the application of ultrahard materials in the cutting tool materials; Third , development and application of ultrahard materials in the Thin film coating; Forth , the application of ultrahard tools in cutting hard and brittle materials;

Key words

Speed progress；China ；Special processing ；cutting tool materials ；

Thin film coating ； hard and brittle materials ；cut 4

一 、综述 超硬材料即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。中国超硬材料的研究从无到有经历的一个历史蜕变。 1963年对于中国超硬材料行业来说，是一个值得永远怀念并载入史册的年份。这一年，中国科学家打破国际封锁和技术断垄，成功地合成出我国第一颗人造金刚石，一举成为世界上为数不多的掌握此项技术的国家之一。经过40年的发展，特别是近5年的高速发展，使我国成为世界上超硬材料第一生产大国。1964年由济南铸造锻压机械研究所和郑州磨料磨具磨削 研究所联合设计并制造的我国第一台6×6MN铰链式“六面砧” 合成人造金刚石专用压机问世，1965年投入金刚石合成工艺实 验，创造性地解决了高压腔的密封难题，为我国人造金刚石的 工业化生产奠定了装备基础。可以说没有“六面砧”压机就 没有行业的今天。而超高压高温装置大型化及超高压腔体容 积扩大是人造金刚石生产技术进步的关键和重要标志。 〈 1 〉国产两面砧的悄然崛起 当前世界上使用高压高温技术合成超硬材料的装备有两 面砧、六面砧、凹模三种。两面砧装备因具有高压冲程适中、压 力稳定性好、合成重复性好等特点。因此，合成腔体的温度和 压力场能够长时间稳定，适合生长高品级金刚石、高性能的大 直径复合片等产品。所以，利用两面砧合成技术生产超硬材料 是西方发达国家超硬材料产业的发展主流。该工艺具有技术 密集、资本密集的特点，长期为美国，英国等少数国家所垄断。 正因为两面砧合成技术具有上述优势，因此我国从20世 纪70年代开始引 5

装备，粗略统计大小共44台之多，耗 资达2.5-3亿美元。由于模具技术引进时没有掌握，PS/PT技 术也没有掌握，且原材料全部靠进口，就是说生存权在外方手 中，金刚石合成专用压机自然也就无法发挥其使用价值。 国内自力更生开发两面砧合成技术，最早是地质部地质科 学研究院，后来是人工晶体研究所，而艺精长运超硬材料有限 公司是目前国内仅有几家坚持两面砧装备进行金刚石生产和 新产品开发的企业之一，该公司2001年5月立项的“3000吨两 面砧法合成金刚石及复合片技术开发”项目，经过近两年的努 力，于2003年4月国防科工委在四川省江油市组织了该项目的验收。 三柱式3000吨两面砧压机和扁平化70合成腔体模 具，二者都是迄今为止国内自行设计的最大装备，也是国内目 前最领先有自主知识产权的装备，其中3000吨压机采用三柱 式，在设计原理上借鉴了其他国家的6000吨压机的经验， 70合成腔体模具在设计上不仅考虑了大型化的需要，更充 分地考虑了国际上最先进的粉末工艺技术路线的使用需要，采 用一种扁平化超高压模具。需要特别指出三点：其一，首创外 层钢丝缠绕式的超高压模具装置，能较好地解决硬质合金的工 作寿命问题，将压模寿命提高到平均2500次以上；其二，超高压 模具模腔的扁平化，具有降低合成腔体的压力梯度，提高压力 传递效率，提高压缸的寿命。减小压缸重量，降低成本；其三， 3000吨压机采用三柱式结构，稳定性好，控温控压重复精度可 达0.2%，能充分保证高品级金刚石对PT相区的合成要求。 2.3 PS/PT全部实现国产化，可取代国外传统使用的南非产原 材料，从而大大降低生产成本。 6

〈 2 〉正在形成的纳米金刚石产业 纳米材料与纳米技术的问世至今已有多年的历史，大致完成了材料创新、性能开发阶段，现正在步入完善工艺和全面应用 阶段。勿容置疑，纳米技术确是一项引领时代潮流的前沿技术。 纳米材料标志着对材料性能的发掘达到了新的高度。这 项技术大范围地改造了传统材料，又源源不断地创造出新材 料。开辟了广阔的应用领域。因此，纳米材料一诞生，即以其 异乎寻常的特性引起了材料界的广泛关注。 纳米金刚石是众多纳米材料中最具有发展前景的高技术 产品。因为它不仅具有金刚石自身优异的机械物理特性，而且 还具有小尺寸效应，量子尺寸效应，量子隧道效应和表面效应， 因而具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性， 于是为其开辟新的应用领域提供了技术基础。 1988年美国和苏联同时报道了纳米金刚石研制成功的信 息。1993年中科院兰州化学物理研究所用爆轰法也得到纳米 金刚石，随后北京理工大学，第二炮兵工程学院，西北核技术研 究所等也相继开展了这方面的研究工作。虽然，我们比国外起 步稍晚几年，但发展不慢，1997年7月在杭州召开的纳米结构 金刚石发展研讨会，为推动我国纳米金刚石爆轰合成技术的进 一步发展，探讨其产业化以及扩大应用领域起到了积极作用。 近年来，西安交通大学、清华大学、装甲兵工程学院、燕山大学 等与纳米金刚石生产单位合作，对纳米金刚石的应用展开了研 究，并取得初步成果。 由于纳米金刚石具有独特的球形或准球形外形，使其不但 具备金刚石的硬度和耐磨性，还具有超润滑性。因此，其在增 强、抛光、润滑和镀附等技术领域得到应用， 2001年我国甘肃凌云纳米材料有限公司，深圳金刚石源新 材料发展有限公司分别建有年产1000