超硬刀具材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用*

哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院 張慧萍 唐文明 常 震 張玉華 王崇勛

超硬材料是一種重要的工程材料，通常是指硬度達(dá)到莫氏硬度最高值10或接近10的材料，主要應(yīng)用于復(fù)合材料、無機(jī)非金屬材料、硬質(zhì)合金的加工[1-2]。此外，某些超硬材料在光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)方面也具有一些特殊性能，而成為一種重要的功能材料。目前常見的超硬材料有金剛石（天然金剛石和人造金剛石）、立方氮化硼等。超硬材料通常由超硬材料顆粒與結(jié)合劑組成。超硬材料的性能與結(jié)合劑的性能緊密相關(guān)，選擇或者合成高性能的結(jié)合劑，對(duì)于超硬材料的制備與應(yīng)用具有重大意義。超硬材料盡管物質(zhì)成分、構(gòu)成較少，但制品種類繁多，用途非常廣泛[3]。我國超硬材料發(fā)展到今天已經(jīng)走過近50年歷史。近半個(gè)世紀(jì)以來，中國超硬材料制品無論在產(chǎn)品還是技術(shù)的層面，都取得了巨大的進(jìn)步，并且呈現(xiàn)出傳統(tǒng)產(chǎn)品穩(wěn)步發(fā)展不淘汰，新一代高附加值產(chǎn)品不斷突破的局面。

典型超硬材料研究現(xiàn)狀

1 天然金剛石

天然金剛石是在地殼深處結(jié)晶形成的，存在于地表下深度為100～300km的金伯利巖中。最適宜的結(jié)晶條件是壓力5～7GPa，溫度1200～1800℃。天然金剛石完全按結(jié)晶學(xué)定律生長，巖漿在深部時(shí)，溫度、壓力皆高。此時(shí)，天然金剛石完全按結(jié)晶學(xué)定律生長，以硅為結(jié)晶基底,活化碳沉積形成晶胞,逐漸擴(kuò)大,為反核晶,有時(shí)可長成厚板狀。天然金剛石分為寶石級(jí)（鉆石）和工業(yè)級(jí)。天然金剛石最早在印度發(fā)現(xiàn)，后來主要產(chǎn)地是南非和俄羅斯的西伯利亞。我國是天然金剛石極為匱乏的國家，僅在山東(含蘇北)、遼寧發(fā)現(xiàn)了小型天然金剛石原生礦，在湖南發(fā)現(xiàn)了小型河流沖積型金剛石礦床，但這些遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了高速發(fā)展的工業(yè)需要。圖1所示為我國發(fā)現(xiàn)的最大天然金剛石。

圖1 天然金剛石

天然金剛石晶體是各向異性特征明顯的材料，用X射線從不同角度照射晶體表面會(huì)出現(xiàn)不同的衍射圖案，而根據(jù)不同晶面的特征圖案即可選擇合適的晶面。許多學(xué)者對(duì)晶面的預(yù)選法進(jìn)行了研究：Decker 等提出了X射線預(yù)選晶面的方法，并采用掃描和透射電子顯微鏡對(duì)刀具質(zhì)量和使用進(jìn)行跟蹤、對(duì)比[4]。袁哲俊等亦提出了近似原理的天然金剛石晶體的激光晶面定向方法[2]。Ikawa等提出基于赫茲壓痕試驗(yàn)并結(jié)合紅外吸收（infrared absorption，IRA）和電子自旋共振技術(shù)（electron spinesonance，ESR）來篩選天然金剛石晶體，他們認(rèn)為IRA和ESR值越小，金剛石晶體表面的壓痕微硬度越高，刀具耐磨損性能也越佳[5-6]。利用上述晶面預(yù)選法，有學(xué)者又進(jìn)一步提出了基于摩擦系數(shù)的晶面優(yōu)選法[7]和基于切削試驗(yàn)的逆向優(yōu)選晶面方法[8-10]。宗文俊等提出了基于天然金剛石晶體動(dòng)態(tài)微觀抗拉強(qiáng)度的晶面篩選方法，并建立了刀具耐磨損性能的各向異性評(píng)價(jià)因子[11]。宗文俊等首次提出了基于納米氧化銅的天然金剛石晶體真空熱化學(xué)腐蝕原創(chuàng)工藝[12]。

天然金剛石晶體以硬度高、耐磨損、化學(xué)惰性良好等特性而廣泛用作超精密切削加工的刀具材料。因此天然金剛石刀具的刃磨技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。經(jīng)過多年的研究，已有很多種刃磨方法被提出[12]。孫濤等在突破機(jī)械研磨技術(shù)70～80nm的精度極限方面，對(duì)天然金剛石刀具的機(jī)械研磨技術(shù)進(jìn)行了深入研究[13]；日本學(xué)者M(jìn)iyamoto等于1990年提出了離子束拋光加工天然金剛石刀具的方法[10]，不僅提高了天然金剛石刀具的刃磨精度，而且將其用于超精密車削軟材料，同時(shí)利用SEM （Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡）測(cè)量；美國學(xué)者Frederick等于1990年提出了化學(xué)拋光制造天然金剛石刀具[14]；1992年，日本學(xué)者Haisma提出了無損傷機(jī)械化學(xué)拋光法[15]；德國學(xué)者Kühnle 和Weis提出了化學(xué)輔助機(jī)械拋光加工方法[16]；Zaitsev 等提出用熱化學(xué)方法拋光加工金剛石晶體[17]，隨后該方法被Weima 等用于金剛石刀具的刃磨[18]；另外Malshe等提出的激光刻蝕等加工方法[19]，但是激光刻蝕精度不高，目前在業(yè)內(nèi)用于金剛石刀具粗加工。我國當(dāng)前廣泛采用機(jī)械刃磨技術(shù)來制造天然金剛石刀具。

為了給天然金剛石刀具的使用壽命延長提供一種全新的技術(shù)方法，目前已經(jīng)提出了基于納米氧化銅的真空熱化學(xué)腐蝕新工藝，用于后處理機(jī)械刃磨工藝加工的天然金剛石晶體。

2 人造金剛石

人造金剛石的很多研究工作始于天然金剛石。人造金剛石產(chǎn)品可按照晶形、顏色、粒度、沖擊強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)。晶形完整、色淺透明、粒徑較大、強(qiáng)度較高者，稱為高品級(jí)產(chǎn)品。人造金剛石包括：寶石級(jí)大單晶、工業(yè)用單晶金剛石、燒結(jié)體、復(fù)合體、人造卡邦、金剛石微粉、金剛石薄膜、納米級(jí)金剛石。

工業(yè)生產(chǎn)金剛石的主要方法是利用石墨為原料，鎳鈷等觸媒金屬為催化劑，在大約5GPa和1700K的高溫高壓條件下將石墨轉(zhuǎn)化生成金剛石，如圖2所示。SDA和DSN系列產(chǎn)品是馳名中外的人造金剛石高品級(jí)產(chǎn)品的代表。

圖2 人造金剛石產(chǎn)品

2011年中國人造金剛石產(chǎn)量為110億ct，占全球總產(chǎn)量的90%，已是金剛石大國，并且正在向金剛石強(qiáng)國邁進(jìn)。1963年11月，我國第一顆人造金剛石誕生；美國G. E. Co公司在全球來說都是一個(gè)生產(chǎn)人造金剛石實(shí)力極強(qiáng)的大公司，而且擁有金剛石發(fā)明權(quán)，但在2003年12月已被Littlejohn & Co（LLC）股份投資公司所收購 （新公司Diamond Innovations簡(jiǎn)稱為D. I. Co.）。英-南非De Beers的建立和發(fā)展起源于在南非開采出天然金剛石，而后成為全球的一霸。后來由于美國發(fā)明了人造金剛石，為了鞏固其金剛石行業(yè)的壟斷地位則大量發(fā)展了人造金剛石，在前幾年已曾經(jīng)進(jìn)行了資產(chǎn)改組，現(xiàn)簡(jiǎn)稱為六元素公司。業(yè)內(nèi)權(quán)威人士多數(shù)認(rèn)為2003～2004年中國人造金剛石生產(chǎn)能力已可達(dá)40～50億ct且生產(chǎn)量約為35億ct左右。

制造中國的高品質(zhì)人造金剛石是很多超硬材料專家為之奮斗一生的事業(yè)，特別是在探礦工程界，從20世紀(jì)60～70年代開始就為“粗顆粒高強(qiáng)度”而拼搏著。經(jīng)過幾代人的努力，到了21世紀(jì)初，已經(jīng)有了快速發(fā)展。我國利用國產(chǎn)六面頂壓機(jī)生產(chǎn)高檔金剛石的技術(shù)難關(guān)已經(jīng)突破，金剛石單晶產(chǎn)品達(dá)到了國外高檔產(chǎn)品水平(指高品質(zhì)生產(chǎn)工藝的指標(biāo)，從2003年不足10%提高到2004年的40%以上或更高)，因此今后將會(huì)是對(duì)其技術(shù)的提高和完善以及普及和應(yīng)用階段。所以說近期是金剛石單晶技術(shù)全面提升的新時(shí)期。

3 立方氮化硼

很長一段時(shí)間里，立方氮化硼被認(rèn)為在自然界不存在，直至2009年，美國加州大學(xué)河濱分校勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家和來自中國、德國科研機(jī)構(gòu)的同行一起，在中國青藏高原南部山區(qū)地下約306km深處古海洋地殼的富鉻巖內(nèi)找到了這種礦物，其在大約1300℃高溫、118430個(gè)大氣壓的高壓條件下形成了晶體。該團(tuán)隊(duì)以中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所教授方青松的名字將新礦物命名為qingsongite（后綴ite表示礦物）。國際礦物學(xué)協(xié)會(huì)在2013年8月正式承認(rèn)了這是一種新的礦物——立方氮化硼。其原子結(jié)構(gòu)與金剛石中的碳原子結(jié)構(gòu)類似，因此它具有高密度的特性,硬度可媲美鉆石，常被用作磨料和刀具材料。

立方氮化硼的優(yōu)越性能[20]主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）化學(xué)惰性優(yōu)于金剛石：立方氮化硼的硬度僅次于金剛石，但其化學(xué)惰性更優(yōu)于金剛石，它不與鐵族金屬及其合金反應(yīng)，而且抗氧化性能比金剛石好得多。

（2）更耐高溫。

（3）轉(zhuǎn)化率更高，成本更低，性能更優(yōu)。

（4）更不受面積、形狀和尺寸影響。

針對(duì)立方氮化硼的這一優(yōu)越特性，目前已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。梁寶巖等[21]采用 Al/C/TiO2/CBN（各組粉體中，CBN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為10%）粉體為原料，通過原位反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)，制備Al/TiC/Al2O3金屬陶瓷復(fù)合結(jié)合劑立方氮化硼（CBN）材料。2004年Benko等以磨料級(jí)立方氮化硼（ABN-300）和 Ti3SiC2為原料，在7GPa的高壓下制備Ti3SiC2-立方氮化硼（CBN）復(fù)合材料，并且研究這種新型超硬復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能[2]。

目前立方氮化硼磨具[21]廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、石材、機(jī)械、汽車及國防工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，產(chǎn)品已形成系列化，品種規(guī)格比較齊全。立方氮化硼磨具的磨削性能十分優(yōu)異，不僅能勝任難磨材料的加工，提高生產(chǎn)率，且有利于嚴(yán)格控制工件的形狀和尺寸精度，還能有效地提高工件的磨削質(zhì)量，顯著提高磨后工件的表面完整性，因而提高了零件的疲勞強(qiáng)度，延長了使用壽命，增加了可靠性，再加上立方氮化硼磨料生產(chǎn)過程在能源消耗和環(huán)境污染方面比普通磨料生產(chǎn)更少，所以，擴(kuò)大立方氮化硼磨具的生產(chǎn)和應(yīng)用是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

超硬材料的應(yīng)用范圍

金剛石的硬度更高，其他性能也較為優(yōu)異。它可以加工各種難加工材料和非難加工材料，因?yàn)榻饎偸毒叩那邢魅锌梢约庸さ煤茕h利,切削刃鈍圓半徑能達(dá)納米級(jí),因此特別適用于對(duì)有色金屬進(jìn)行超精密切削加工。金剛石刀具能切削純鎢、工程陶瓷、硬質(zhì)合金、工業(yè)玻璃、石墨與各種塑料以及各種復(fù)合材料。金剛石還可用于制作牙科、骨科所用醫(yī)療器械工具，以及用于木材、石材加工的刀具和工具。金剛石和立方氮化硼單晶粉大量用于制作磨料、磨具、磨膏、砂布、砂紙等。金剛石還大量用于制作拉絲模、砂輪修正器和石油、地礦部門的鉆探鉆頭,還可用于制作各種耐磨件。

立方氮化硼有著高硬度、高熱穩(wěn)定性的特點(diǎn),最適合切削各種淬硬鋼,包括合金工具鋼、碳素工具鋼、高速鋼、軸承鋼、模具鋼等和各種冷硬鑄鐵還有耐磨鑄鐵，以及各種鐵基、鎳基、鈷基和其他熱噴涂零件。大部分能用金剛石刀具切削的難加工材料，如硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃、復(fù)合材料等，用立方氮化硼刀具也可加工，但立方氮化硼刀具的使用壽命低于金剛石刀具。立方氮化硼刀具熱穩(wěn)定性高，高速切削硬質(zhì)材料時(shí)金屬有軟化效應(yīng)，適合高速干式切削。

典型超硬材料制品

由金剛石的自身特性決定，金剛石刀具的主要特點(diǎn)有高硬度、耐磨損、低膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱率、大彈性模量、低摩擦因數(shù)、極小刀刃鈍圓半徑和平滑刃口等。高精度天然金剛石刀具主要包括金剛石車刀和金剛石銑刀，廣泛用于毫米級(jí)、微米到亞微米、甚至納米級(jí)的超精密加工。

聚晶金剛石（PCD）是由微米尺寸的人造金剛石微粉在高溫高壓條件下燒結(jié)而成。自人造金剛石研制成功以來，對(duì)聚晶金剛石（PCD）刀具切削性能的研究取得了大量成果，PCD刀具的應(yīng)用范圍及使用量迅速擴(kuò)大。目前，國際上知名的人造金剛石復(fù)合片生產(chǎn)商主要有英國De Beers公司、美國GE公司、日本住友電工株式會(huì)社等。據(jù)報(bào)道，1995年一季度僅日本的PCD刀具產(chǎn)量即達(dá)10.7萬把。PCD刀具的應(yīng)用范圍已由初期的車削加工向鉆削、銑削加工擴(kuò)展。日本一家組織進(jìn)行的關(guān)于超硬刀具的調(diào)查表明：人們選用PCD刀具的主要考慮因素是基于PCD刀具加工后的表面精度、尺寸精度及刀具壽命等優(yōu)勢(shì)。金剛石復(fù)合片合成技術(shù)也得到了較大發(fā)展，De Beers公司已推出了直徑74mm、層厚0.3mm的聚晶金剛石復(fù)合片。圖3為PCD刀具及PCD復(fù)合刀片。

圖3 PCD刀具及PCD復(fù)合刀片

通過對(duì)近年來PCD刀具應(yīng)用的分析可見，PCD刀具主要應(yīng)用于以下2方面[1]。

（1）難加工有色金屬材料的加工：用普通刀具加工難加工有色金屬材料時(shí)，往往產(chǎn)生刀具易磨損、加工效率低等缺陷，而PCD刀具則可表現(xiàn)出良好的加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料——過共晶硅鋁合金（對(duì)該材料加工機(jī)理的研究已取得突破）。

（2）難加工非金屬材料的加工：PCD刀具非常適合對(duì)石材、硬質(zhì)碳、碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）、人造板材等難加工非金屬材料的加工。如華中理工大學(xué)1990年實(shí)現(xiàn)了用PCD刀具加工玻璃；目前強(qiáng)化復(fù)合地板及其他木基板材（如MDF）的應(yīng)用日趨廣泛，用PCD刀具加工這些材料可有效避免刀具易磨損等缺陷。

人造金剛石滾輪[22]的研制成功推動(dòng)了緩進(jìn)給磨削的發(fā)展?？荡好返萚22]研究了天然金剛石滾輪制造與修整問題。然而，就其人造金剛石滾輪的應(yīng)用范圍、使用壽命、生產(chǎn)效率而言，它有很多不足之處。而天然金剛石滾輪是成型修整工具的發(fā)展方向，在許多方面都優(yōu)于人造金剛石滾輪。

目前國內(nèi)外采用3種制造金剛石滾輪的方法，即外鍍法、粉末冶金燒結(jié)法、內(nèi)鍍法。為了發(fā)展金剛石滾輪的科研成果和進(jìn)一步增加經(jīng)濟(jì)效益，提出研制天然金剛石滾輪課題。

超硬材料發(fā)展前景

超硬材料是一門高新技術(shù)，而且它的研制成功對(duì)整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，是一項(xiàng)新的產(chǎn)業(yè)化革命，被廣泛應(yīng)用于諸多行業(yè)。超硬材料制品將朝系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、高品質(zhì)、多元化方向發(fā)展，各生產(chǎn)企業(yè)將形成自己的產(chǎn)品特色和市場(chǎng)定位。我國是超硬材料生產(chǎn)大國，而不是強(qiáng)國，怎樣把超硬材料產(chǎn)業(yè)大國構(gòu)建為強(qiáng)國，乃是全行業(yè)今后奮斗的目標(biāo)和方向。近年來，超硬材料行業(yè)得到了政策的大力支持，是“十二五”規(guī)劃中被列為重點(diǎn)發(fā)展的行業(yè)。目前全國金剛石行業(yè)已形成了以深入研究新工藝為特征的新高潮，專業(yè)化、精細(xì)化生產(chǎn)特殊產(chǎn)品的企業(yè)比例明顯增加，因此金剛石行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)將更為激烈，需全面迎接挑戰(zhàn)并且走自主創(chuàng)新與跨越式發(fā)展之路。

縱觀國外高精度金剛石刀具制造的成功案例，首選技術(shù)方案是機(jī)械刃磨技術(shù)。但是以我國目前現(xiàn)有的機(jī)械刃磨技術(shù)來制造高精度金剛石刀具，仍存在一些技術(shù)難題。

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