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鄭州華晶金剛石股份有限公司

超硬刀具材料的發展簡史

關鍵詞 超硬刀具|2022-11-09 09:29:46|來源 中國超硬材料網
摘要 自古以來,金剛石就一直引起人們的關注。這種極其稀有的天然礦物,大約在公元前三千年就在印度被發現?!敖饎偸币辉~源于阿拉伯語和希臘文,說明金剛石極高的硬度早在古代就為人們所認識。然而...

       自古以來,金剛石就一直引起人們的關注。這種極其稀有的天然礦物,大約在公元前三千年就在印度被發現?!敖饎偸币辉~源于阿拉伯語和希臘文,說明金剛石極高的硬度早在古代就為人們所認識。然而在相當長的一段時期里,人們僅把開采的天然金剛石當作“寶石”,主要用來制作華麗漂亮的高級裝飾品,如價值連城的鉆石項鏈和鉆戒等。

       人類最早利用天然金剛石制作金剛石刀具,是利用天然金剛石自然棱角做切削刀刃進行切割加工的,如砂輪整形刀、玻璃刻刀,珠寶、玉石雕刻刀等。后來,隨著鉆石首飾研磨拋光技術的發展,具有人工精磨而成切削刃的天然金剛石刀具應運而生。

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▲ 精密金剛石砂輪整形刀

       二次世界大戰期間,為了滿足軍事裝備的精密切削加工的需要,以及二戰后為滿足手表精密零件,裝飾件和首飾雕花等的加工需要,天然金剛石刀具應用市場逐漸發展起來。20世紀70年代,現代尖端科學技術領域的許多產品,如用于航空工業的陀螺儀、激光器中的金屬反射鏡,雷達的波導管內腔,激光打印機中的多面棱鏡,錄像機磁頭、復印機硒鼓、計算機磁盤基片以及太空望遠鏡中的大型反射鏡、紅外反射鏡、紅外透鏡、菲尼爾透鏡等,都要求得到超光滑的加工表面和高的加工精度,用傳統的研磨拋光加工方法,不僅加工時間長,費用高,操作難度大,而且不易達到要求的精度。因此,亟需開發新的加工方法。在現實需求的推動下,在已有的金剛石車削技術基礎上,天然金剛石刀具超精密鏡面切削技術得到迅速發展。不僅作為超精密鏡面切削的關鍵技術之一的天然金剛石刀具技術在理論和實踐方面取得了創新和發展,而且天然金剛石超精密刀具應用市場迅速擴大,天然金剛石需求量也隨之迅速增加。然而,世界上天然金剛石中適合制作切削刀具的比例非常之小,不僅價格昂貴,而且貨源奇缺,這嚴重地影響了天然金剛石刀具的應用領域的擴充。

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▲ 天然金剛石超精密車刀

       隨之出現的高溫高壓人工合成金剛石的研究始于1940年,瑞典和美國通用電氣公司分別于1953 年和1954年相繼研制成功。于1962年和1957年分別投人工業生產;之后,南非、日本、前蘇聯等國家也相繼宣布研究成功并投入生產。我國也于1963年成功制得第一顆金剛石。據不完全統計,目前世界上有近20個多國家和地區生產人造金剛石。隨著世界工業和科學技術的發展,世界上人造金剛石工業不僅在產量上遠遠超過天然金剛石,而且在某些性能上(如抗沖擊韌性、抗磨均勻性、耐熱性、導熱性、透光性等)已超過天然金剛石。

       聚晶金剛石(簡稱PCD)刀具材料的發展始于對天然聚晶金剛石的研究。在自然界存在的聚晶金剛石中,其中有兩種命名為卡博納多(Carbonado)和巴拉斯(ballas)??ú┘{多是一種由許多細小金剛石與少量其他物質聚結而成的塊狀多晶體,晶粒呈無序排列故無解理面。巴拉斯的外形似球或者橄欖形,其堅固的外殼由輻射狀的金剛石構成。此兩種天然聚晶金剛石具有硬度高、耐磨、無解理面、抗沖擊性好等優良特性。20世紀60年代初,為解決金剛石制造和加工使用過程中產生的金剛石微粉的利用問題,人們提出能否將金剛石微粉副產品加工制造成人造卡博納多的發展思想。之后制造卡博納多的嘗試和方案如雨后春筍般不斷出現。1967 年前蘇聯的科學家宣布了人工合成由石墨相變聚結的人造巴拉斯和人造卡博納多。之后,美國、日本相繼完成了高壓高溫燒結聚晶金剛石的試驗。英國DeBeers公司早期的PCD產品就是先將金剛石微粉燒結成聚晶金剛石塊,然后通過高溫釬焊或二次高壓燒結的辦法,將PCD與硬質合金或其他基體材料焊接在一起。之后又研究出超高壓高溫一次燒結成型。

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▲ 聚晶金剛石PCD

       聚晶金剛石復合片(簡稱PDC)刀具材料的研究是在PCD研究的基礎上發展起來的。硬質合金作為PCD的基體材料,既有好的韌性和一定的硬度,同時又具有可焊性以及與PCD的某種兼容性。因此,1973年美國GE公司首批商品供應的Compax產品就是沿著這一認識而設計的。它是將金剛石微粉在超高壓高溫下一次性燒結在硬質合金基體上,從而將PCD與硬質合金復合成一個整體。由于它既具有金剛石硬度和耐磨性又具有硬質合金的韌性和可焊性之優點,因此,它的出現具有劃時代的意義。之后,英國DeBeers公司于1977年推出了與Compax相似的產品Syndite系列;日本住友電氣公司推出了DA系列;瑞典桑得維克公司推出了CD系列。我國成都工具研究所1975年研制成功金剛石復合刀片FJ系列;人工晶體研究所1979年初步制成? (12.5X4)mm和?(10X3)mm圓片狀復合刀片JYF型;1981年貴州第六砂輪廠研制出了JRS-F聚晶金剛石復合刀片,并成功地應用于車刀、鏜刀、切刀、銑刀和寬刃光刀(刃長20mm)。據不完全統計,國內外約有20多家生產和研究單位組織過60多個專家小組直接從事PCD、PDC材料的研究生產開發。

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▲ 聚晶金剛石復合片PDC

       低溫低壓化學氣相沉積(CVD)法制備金剛石是一種神奇的制備技術,起始于1970年前蘇聯的成功實驗。約在1980年前后,日本人重復了前蘇聯人先前的工作,用實驗證實了在低溫低壓下非金剛石襯底上氣相沉積生長金剛石晶體是可行的。1986年2月,美國公開宣布也用CVD方法低溫低壓生長金剛石晶體取得成功。這項新技術立即引起了世界科技界極大的興趣和各國政府的密切關注。這股研究熱潮,不僅使發達國家如日本、美國、德國等投入了大量的人力物力,而且使發展中國家也相繼卷入。

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▲ 獨立式CVD金剛石晶片

       自然界不存在立方氮化硼,立方氮化硼(CBN)是繼人造金剛石問世以后,人工合成的硬度僅次于金剛石的第二種超硬材料。1957年美國GE公司首次成功合成CBN單晶,我國于1966年試制成功立方氮化硼。由于立方氮化硼的特殊性能和用途,作為磨料級的CBN單晶發展速度非???,產量和年耗用量的增長率都在迅速增長。

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▲ 立方氮化硼CBN

       聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具材料是借助于聚晶金剛石合成工藝過程發展起來的。由于PCBN刀具材料具有高硬度,高的熱穩定性和與鐵族元素的惰性,它不僅可以廣泛應用于普通鋼鐵材料的切削加工,而且還可加工淬硬鋼代替傳統的磨削加工工藝。因此,近年來其應用市場迅速發展。廣泛應用于汽車制造業、重型設備的高耐磨部件如軋輥等的加工、宇航、軍工、噴涂焊等加工工業。

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▲ 聚晶立方氮化硼(PCBN)

參考文獻:《PDC超硬復合刀具材料及其應用》鄧福銘,陳啟武著

       以上是超硬刀具的發展簡史,如果想進一步了解國內最新的研究進展及前沿技術成果,敬請關注2022年11月15-17日由DT新材料&中國超硬材料網聯合舉辦的第六屆國際碳材料大會暨產業展覽會(Carbontech 2022),將于深圳國際會展中心(寶安新館)14號館盛大啟幕!

       在此奉上大會日程,有興趣的朋友可以報名參加!

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       Carbontech 2022 參會聯系

       劉小雨

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