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超硬材料及制品的基本知识

发布日期:2020-06-25 11:41 作者:哈尔滨麻将

  超硬材料及制品的基本知识_材料科学_工程科技_专业资料。超硬材料及制品基本知识 一、超硬材料概念:对于超硬材料的含义至今没有一 个公认为满意的解释。1981 年国际硬物质科学会议认为, 硬度大于 1000HV 的物质均可称为硬物质,这就自然包括 了金刚石和

  超硬材料及制品基本知识 一、超硬材料概念:对于超硬材料的含义至今没有一 个公认为满意的解释。1981 年国际硬物质科学会议认为, 硬度大于 1000HV 的物质均可称为硬物质,这就自然包括 了金刚石和立方碳化硼。后来对这个定义进行了补充,认 为能加工诸如硬质合金(硬度 1600—1800HV )、刚玉 (—2000HV)、碳化硅(—2200HV)等这一类物质的材料 称为超硬材料。目前由于金刚石和立方氮化硼等材料有其 极高的硬度,所以统称为超硬材,具有硬度高、耐磨和热 传导性能好、热膨胀系数低等优异性能。 二、超硬材料的分类:分为单晶超硬材料和聚晶超 硬材料(也称为“复合超硬材料”)及 3.金刚石薄膜三类。 单晶超硬材料和聚晶超硬材料的主要区别为:单晶金刚 石/立方氮化硼材料的特点为硬度更高、耐热性更好,但尺寸 较小,多用于制造锯片等切割工具;聚晶金刚石/立方氮化硼 是指以金刚石和立方氮化硼微粉等单晶超硬材料为主要原料,添加金属或非金属粘结 剂通过超高压高温烧结工艺制成的聚晶复合材料。它的特点是硬度、耐热性略 逊于单晶材料,但是由于聚晶超硬材料是内部结构紧密的金 刚石致密体,可以增加工具的切割面积,同时克服了单晶超 硬材料由于粘结面积小造成的轻易从锯片表面脱落的弊端, 具有更高的耐磨性。 金刚石薄膜是用化学气相沉积(CVD)法或其它方法在非金刚石衬底上制备出的超硬 薄膜。它不仅可用于制作各种金刚石刀具,还可作为功能材料用于制作声传感器、扬声器振 动膜、红外窗口、X 光检测窗口等,应用领域十分广泛。国际上从七十年代初开始进行金刚 石薄膜的试制并迅速掀起金刚石薄膜研究开发热潮。我国从八十年代中期开始此项研究,并 已列入国家“863 计划”,现已能制备出 80mm、厚 2mm 的金刚石薄膜,并在应用研究方面取 得了不少成果,但目前总体上仍处于研制阶段,尚未达到工业化应用阶段。有人预计,金刚 石薄膜将是 21 世纪金刚石工业的主要材料,各国科学家都在为使金刚石薄膜产业化而不懈 努力。 三、金刚石按用途分为两类:质优粒大可用作装饰品的称宝石级金刚石,质差粒细用于 工业的称工业用金刚石。 宝石级金刚石,又称钻石,光泽灿烂,晶莹剔透,被誉为“宝石之王”,价值昂贵, 是世界公认的第一货品,其占有程度和消费水平往往被视为是衡量个人和国家经济富裕程度 的标志。达不到宝石级的金刚石(工业用金刚石),以其超硬性广泛用于机电、光学、建筑、 交通、冶金、地勘、国防等工业领域和现代高、新技术领域。 总的来说,复合超硬材料相对于传统合金材料具有强大 的替代性,市场潜力更大,广泛应用于机械、冶金、地质、 石油、煤炭、石材、建筑等传统领域,电子信息、航天航空、 国防等高技术领域以及汽车、家电等新兴产业。 1.1 复合超硬材料的主要产品用途 当前,复合超硬材料的产品主要分为四类:石油天然气 钻头用聚晶金刚石复合片、煤田矿山用聚晶金刚石复合片、 聚晶金刚石高品级拉丝模坯和刀具用聚晶金刚石/聚晶立方 氮化硼复合片。 (1)石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片 石油天然气聚晶金刚石复合片是由无数微小金刚石颗 粒和粘结剂混合组成的切削层和硬质合金衬底层在高温高 压下烧结合成的,具有很高强度、硬度、耐磨性、抗冲击 性以及良好的自锐性,这些优良特性使其能够应用在岩石 的钻探领域。该产品主要作为石油天然气钻头的切削齿, 是钻头上起到切削和掘进的核心部件。 (2)煤田矿山钻头用聚晶金刚石复合片 由于具有硬度高、耐磨性强、抗冲击韧性良好等特点, 复合超硬材料除了可用于制作石油天然气用钻头外,还可用 于制作煤田矿山钻头用 PCD 复合片,其用途并不局限制造 于煤田和矿山作业用的钻进和切割工具,还可广泛应用于制 造建筑建造、水电工程施工、凿岩破碎、公路修补等众多领 域的钻进工具。 (3)聚晶金刚石高品级拉丝模坯 拉丝模是各种金属线材生产厂家(如电线电缆厂、钢丝 厂、焊条焊丝厂等)拉制线材的一种非常重要的易消耗性模 具。拉丝模的适用范围十分广泛,主要用于拉拔棒材、线材、 丝材、管材等直线型难加工物体,适用于钢铁、铜、钨、钼 等金属和合金材料的拉拔加工。复合超硬材料是制造高品级 拉丝模最为理想的材料。 (4)刀具用复合片 使用 PCD/PCBN 刀具复合片制造的刀具可以替代几乎所 有传统硬质合金材质的刀具,用途十分广泛,包括制造汽车 零部件、加工木材、开采石材、数控机床刀头等。基于其下 游行业规模庞大,市场对于刀具用复合片的需求量也十分巨 大。 1.3 复合超硬材料行业技术现状剖析 复合超硬材料生产的核心环节在于对单晶超硬材料和粘 结剂的原材料配方处理;核心技术在于对单晶超硬材料和相 应粘结剂通过高温高压进行烧结的工艺。市场上产品质量过 硬,具有明显竞争优势的厂家无不具有独特的配方和先进的 生产工艺,上述两点构成了复合超硬材料行业的核心竞争力。 在我国行业发展初期,我国复合超硬材料产品与国际先进产 品相比在耐磨度、硬度、复合片均匀度和复合片尺寸等技术 指标方面均存在一定的差距。但随着我国业内企业和科研人 员不断钻研,充分发挥了六面顶压机的性能优势、克服了劣 势,我国复合超硬行业技术水平已经形成了自身特点,并且 在总体技术指标上接近或达到了国际先进水平。 外国生产厂商以二面顶压机为主(如 E6,DI、住友、日进 为 两 面 顶 , USSynthetic , MegaDiamond 、 Novatek 等 为 六 面 顶),我国生产复合超硬材料的压机以六面顶压机为主(如四 方达、新亚、海明润为六面顶、江钻为两面顶)。两种设备各 有特点,两面顶压机每组压缸、顶锤的造价较高,高压腔尺寸 相对较大,适合生产尺寸较大的产品;六面顶压机每组顶锤的 造价较低,操作方便,高压腔尺寸相对较小,适合 生产尺寸较小的产品。但是随着近年来六面顶压机的大型化, 其能生产的产品尺寸也越来越大,与两面的的差异越来越小, 我国四方达公司已经可以生产直径 46 毫米的 PCD 复合片, 预计在


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