超硬材料论文Word文档格式.docx
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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
Summaryofcontent
Topic:
DevelopmentandApplicationInUltrahardMaterials
Summary（200words）：
Inrecentyears,ultrahardmaterialssuchasdiamondandCBNhavebeendevelopedrapidlyandusedwidelyduetoitsuniqueproperties.
Inthepaper,itisaboutapplicationsanddevelopingfeaturesofdiamondinChina,Supportedbyourownresearchachievements，manynewtechniqueshavebeendevelopedandputintoapplication，suchas：
spreadofcubicpressofthousandtonnage；
enlargementofhigh-pressurechambersize；
synthesisofdiamondfromcarbonpowderinsteadofcarbonslices；
patentedbelt-pressapparatusandhigh-gradediamondsynthesistechnique；
singlecrystal，polycrystalandfilmofnano-diamondaswellastheirindustrialproduction；
cubicboronnitrideandrelatedproductsaswellastheirindustrialproduction.Atthesametime,itaspectstheapplicationofultrahardmaterialsinthefollowing:
First,theapplicationofultrahardmaterialsinthespecialprocessing;
Second,theapplicationofultrahardmaterialsinthecuttingtoolmaterials;
Third,developmentandapplicationofultrahardmaterialsintheThinfilmcoating;
Forth,theapplicationofultrahardtoolsincuttinghardandbrittlematerials;
Key
words
Speedprogress；
China；
Specialprocessing；
cuttingtoolmaterials；
Thinfilmcoating；
hardandbrittlematerials；
cut
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
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。
2.3PS/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。
〈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1000万克拉的生产线。
此外西北核技术研究所和四川久远纳米材料有限公司也有小批量的生产，所有这些标志着我国纳米金刚石从科研、生产到应用已进入全面发展阶段。
二、超硬材料在特种加工中应用
〈1〉超硬材料的特种加工工艺超硬材料的加工包括特种加工和机械加工。
特种加工技术是直接借助电能、热能、声能、光能、电化学能以及特殊机械能等多种能量或其复合以实现材料去除的加工方法。
常用特种加工方法有电火花加工、激光加工和超声加工等。
现代制造工程具有工件电极损耗小,工件表面热影响小,对环境没有污染,不易发生火灾等优点。
直线电机在EDM和WEDM机床上的应用和加工过程的自适应控制。
直线电机不用滚珠丝杠,没有传动间隙,满足高速响应的要求,从而改善加工质量。
三菱电机公司开发的Au2toMagic型WEDM机床有很强的自适应控制,其自动穿丝功能使012mm的电极丝在切割50mm厚钢板时的剪断及再接时间仅为10s。
激光加工（LBM）激光能对陶瓷、宝石、玻璃、硬质合金等实现打孔、焊接、切割、刻线等工艺。
采用英国Frumpt公司生产的TLF750型CO2激光器打孔,孔径为<
01762±
01013mm,位置公差<
010635mm;
美国开发的寿命超15000h光纤激光打标系统,用于众多半导体模制化合物、引底座、晶片、陶瓷基底和包装上,形成清晰耐久的标记;
激光划线技术已成为生产集成电路的关键技术,其划线细、精度高（线宽为15～25μm,槽深为5～200μm）,加工速度快（可达200mm/s）,成品率可达9915%以上。
〈2〉超声加工（USM）超声加工主要用于对脆硬材料加工圆孔、型孔、型腔、微细孔、超声复合加工。
1996年天津大学研制开发了一台陶瓷小孔超声波磨削加工机床,对各种陶瓷小孔加工进行了系统研究,和普通超声加工相比,效率提高了5～10倍。
超声发生器和超声振动系统是超声加工装置的核心组成部分,改进超声加工,主要是围绕这两方面展开的:
1）频率跟踪技术和稳定振幅技术的同时引入。
频率跟踪和恒定振幅控制是超声加工电源两个重要的特性,传统的超声发生器难以实现频率跟踪,不能适应负载的变化（如工具的更换、磨损等）,工作稳定性差。
通过改进,实现频率自动跟踪,加快跟踪速度,扩大搜索范围、提高搜索精度;
自动进行输出振幅和功率控制,实现恒振幅和单位负载恒功率输出,从而提高加工质量和效率。
2）超声加工通常要求工具端面获得较大的振幅（10～20μm）。
而一般使用的超声换能器振子,不论是磁致伸缩式还是压电式换能器振子,其振动表面的振动速度或位移振幅都比较小,不能满足加工的要求,通过改进与变幅杆的连接方式,对振幅进行放大,满足系统的回转精度和超声能量传递两方面的要求,实现加工目的。
此外,变振幅扩大棒杆为工件加振方式的微细超声加工,对碳酸玻璃、半导体硅等硬脆材料试件进行微孔加工的尝试等,都取得了良好的效果。
〈3〉特种加工技术的发展趋势
当前特种加工技术的总体发展趋势主要有以下三个方面。
1）采用自动化技术,建立特种加工的CAD/CAM与FMS系统。
2）开发新工艺方法及复合工艺。
电解电火花加工（ECDM）、电解电弧加工（ECAM）、电弧尺寸加工（ADM）、电火花机械复合加工等复合工艺将成为航空工业和机械制造业着力发展的加工技术。
三、超硬材料在刀具材料方面的应用
〈1〉超硬刀具材料的发展过程几千年前，人类就已经发现和使用天然金刚石；
而人造金刚石的制造和应用则是20世纪后半世纪的事。
氮化硼是人造材料，其发展过程与人造金刚石大体同步。
人造金刚石以往多在高温、高压（热压法）条件下形成，称为PCD，后来又出现了其他制造方法。
PCD人造金刚石的研究始于1940年，1954年美国正式宣告人造金刚石研制成功，并于1957年开始工业生产。
瑞典也于1962年开始人造金刚石的工业生产。
到1969年，全世界人造金刚石产量为4000万克拉（当时天然金刚石年产量为4400万克拉）。
1963年中国研制成功PCD，到1996年中国人造金刚石产量已达2.4亿克拉，出口量达6～8.5千万克拉。
21世纪初，中国人造金刚石最高年产量已达10亿克拉以上，居全世界首位。
近年来亦有外国公司年产人造金刚石达1亿克拉以上。
1957年，美国GE公司压出立方氮化硼（CBN）单晶粉；
70年代初制成聚晶PCBN刀具。
1972年，前2004年第38卷119苏联亦制成PCBN刀具。
1966年中国研制成功单晶CBN；
稍后，聚晶PCBN研制成功。
近年来，国内又采用化学气相沉积（CVD）法制成人造金刚石。
如北京天地公司已能够制造和销售各种CVD金刚石制品。
十几年前，美国物理学家AMLin和MLCohen应用分子工程理论，设计出新型超硬无机化合物氮化碳（CxNy）。
我国武汉大学王仁卉教授也对7种结构的C3N4粉末衍射谱进行过计算；
武汉大学吴大维教授等用dc反应磁控溅射法在不同刀具上沉积C3N4薄膜，取得了较大的进展。
〈2〉超硬刀具材料的种类超硬刀具材料（尤其是金刚石）的种类较多。
立方氮化硼包括：
CBN单晶粉，可用于制作磨料、磨具；
PCBN聚晶片及聚晶复合片，可用于制作切削刀具及其他工具。
金刚石分为天然金刚石（ND）与人造金刚石。
人造金刚石包括：
PCD单晶粉，用于制作磨料、磨具；
PCD单晶粒，可做刀具，并可作为光学、电子高科技原材料；
PCD聚晶片及聚晶复合片，用于制作切削工具及其他工具。
此外，还有人造CVD金刚石厚膜与薄膜，可用于刀具、工具制造和光学、电子方面的应用。
在刀具或其他工具上可以通过涂制CxNy薄膜厚3～5μm），成为涂层刀具（工具）。
〈3〉超硬刀具材料的应用范围立方氮化硼具有高硬度、高热稳定性，对铁族元素呈惰性，故最适合切削下列工件材料：
各种淬硬钢，包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、轴承钢、模具钢等；
各种冷硬铸铁和耐磨铸铁；
各种铁基、镍基、钴基和其他热喷涂（焊）零件。
金刚石具有更高的硬度及其他优异性能。
用它制作的刀具，应用范围很广泛，可以加工各种难加工材料和非难加工材料。
因为金刚石刀具（尤其是天然金刚石刀具）的切削刃可以磨得十分锋利，切削刃钝圆半径能达纳米级，因此特别适用于对有色金属主要是铜、铝及其合金）进行超精密切削加工。
金刚石刀具能切削纯钨、工程陶瓷、硬质合金、工业玻璃、石墨与各种塑料以及各种复合材料（包括金属基与非金属基纤维增强和颗粒增强的复合材料）。
金刚石还可用于制作牙科、骨科所用医疗器械工具，以及用于木材、石材加工的刀具和工具。
金刚石和立方氮化硼单晶粉大量用于制作磨料、磨具、磨膏、砂布、砂纸等。
金刚石还大量用于制作拉丝模、砂轮修正器和石油、地矿部门的钻探钻头，还可用于制作各种耐磨件。
大部分能用金刚石刀具切削的难加工材料（如硬质合金、陶瓷、玻璃、复合材料等），用立方氮化硼刀具也能加工，但一般立方氮化硼刀具的使用寿命低于金刚石刀具。
氮化碳涂层厚度很小，尚不能制成复合片或厚膜涂层，因此其应用范围受到很大限制；
但C3N4涂层高速钢麻花钻有着良好的切削性能。
四、超硬材料在薄膜涂层的发展与应用
〈1〉超硬薄膜是指维氏硬度在40GPa以上的硬质薄膜。
不久以前还只有金刚石膜和立方氮化硼（c-BN）薄膜能够达到这个标准，前者的硬度为50-100GPa（与晶体取向有关），后者的硬度为50～80GPa。
类金刚石膜（DLC）的硬度范围视制备方法和工艺不同可在10GPa～60GPa的宽广范围内变动。
因此一些硬度很高的类金刚石膜（如采用真空磁过滤电弧离子镀技术制备的类金刚石膜，也可归人超硬薄膜行列。
近年来出现的碳氮膜虽然没有像Cohen等预测的晶态β-C3N4那样超过金刚石的硬度，但已有的研究结果表明其硬度可达10GPa～50GPa，因此也归人超硬薄膜一类。
上述几种超硬薄膜材料具有一个相同的特征，他们的禁带宽度都很大，都具有优秀的半导体性质，因此也叫做宽禁带半导体薄膜。
SiC和GaN薄膜也是优秀的宽禁带半导体材料，但它们的硬度都低于40GPa，因此不属于超硬薄膜。
〈2〉金刚石膜的性质
金刚石膜从20世纪80年代初开始，一直受到世界各国的广泛重视，并曾于20世纪80年代中叶至90年代末形成了一个全球范围的研究热潮（Diamondfever）。
这是因为金刚石除具有无与伦比的高硬度和高弹性模量之外，还具有极其优异的电学、光学、热学、声学、电化学性能（见表1）和极佳的化学稳定性。
大颗粒天然金刚石单晶（钻石）在自然界中十分稀少，价格极其昂贵。
而采用高温高压方法人工合成的工业金刚石大都是粒度较小的粉末状的产品，只能用作磨料和工具（包括金刚石烧结体和聚晶金刚石（PCD）制品）。
而采用化学气相沉积（CVD）方法制备的金刚石膜则提供了利用金刚石所有优异物理化学性能的可能性。
经过20余年的努力，化学气相沉积金刚石膜已经在几乎所有的物理化学性质方面和最高质量的IIa型天然金刚石晶体（宝石级）相比美（见表1）。
化学气相沉积金刚石膜的研究已经进人工业化应用阶段。
表1金刚石膜的性质
Table1Propertiesofchamondfilm
CVD金刚石膜
天然金刚石
点阵常数（Å
）
3.567
密度（g/cm3）
3.51
3.515
比热Cp（J/mol,（at300K））
6.195
弹性模量（GPa）
910-1250
1220*
硬度（GPa）
50-100
57-100*
纵波声速（m/s）
18200
摩擦系数
0.05-0.15
热膨胀系数（×
10-6℃-1）
2.0
1.1***
热导率（W/cm.k）
21
22*
禁带宽度（eV）
5.45
电阻率（Ω.cm）
1012-1016
1016
饱和电子速度（×
107cms-1）
2.7
2.7*
载流子迁移率（cm2/Vs）
电子
1350-1500
2200**
空隙
480
1600*
击穿场强（×
105V/cm）
100
介电常数
5.6
5.5
光学吸收边（□m）
0.22
折射率（10.6□m）
2.34-2.42
2.42
光学透过范围
从紫外直至远红外（雷达波）
微波介电损耗（tan□）
＜0.0001
〈3〉金刚石膜研究现状和工业化应用
20余年来，CVD金刚石膜研究已经取得了非常大的进展。
金刚石膜的内在质量已经全面达到最高质量的天然IIa型金刚石单晶的水平（见表1）。
在金刚石膜工具应用和热学应用（热沉）方面已经实现了，产业化，一些新型的金刚石膜高技术企业已经在国内外开始出现。
光学（主要是军事光学）应用已经接近产业化应用水平。
金刚石膜场发射和真空微电子器件、声表面波器件（SAW）、抗辐射电子器件（如SOD器件）、一些基于金刚石膜的探侧器和传感器和金刚石膜的电化学应用等已经接近实用化。
由于大面积单晶异质外延一直没有取得实质性进展，n一型掺杂也依然不够理想，金刚石膜的高温半导体器件的研发受到严重障碍。
但是，近年来采用大尺寸高温高压合成金刚石单晶衬底的金刚石同质外延技术取得了显著进展，已经达到了研制芯片级尺寸衬底的要求。
金刚石高温半导体芯片即将问世。
五、超硬磨料在硬脆材料切割中的应用
〈3〉近十几年来,随着超硬材料的迅速崛起,硬脆材料的切割加工发展较快,新工艺、新设备、新方法不断涌现。
超硬材料主要指金刚石和立方氮化硼（CBN）,它们以单晶、聚晶及薄膜等形式出现,是当今世界高科技领域中最有活力、最有前景的材料之一。
金刚石是世界上已知最硬的物质,并具有高导热性、高绝缘性、高化学稳定性等多种优良性能,可用于铝、铜等有色金属及其合金的高效精密加工,特别适用于加工硬脆非金属材料。
立方氮化硼的硬度仅次于金刚石,具有高化学稳定性,高热稳定性等优良性能,特别适用于加工黑色金属材料及其合金。
超硬材料的独特性能决定了其在各种工程材料尤其是硬脆材料的切割加工领域将有广阔的发展前景。
〈3〉硬脆材料的切割方法按切割形式,圆锯片切割又分为外圆切割和内圆切割两种。
外圆切割机以锯片外圆周上的金刚石磨粒作为切割刀刃,是应用较早的切割方法。
图1 硬脆材料切割方法分类
金刚石圆片锯自19世纪中期开始在欧洲制造,1965年以来由于人造金刚石的大量上市,金刚石圆片锯作为切割工具今天已进入全盛时期。
这种设备具有操作方便、效率高、加工质量好等优点,但噪音较大,刀片刚性差。
切割过程中锯片易产生振摆、跑偏,导致被切割工件的平行度差。
锯片主轴难以承受较大的锯片,使切割过程中产生摆动,而不能切出直线,尽管增加锯片厚度可以提高其刚性,但仍难以保证切片的平行度。
另外,增加厚度不仅增加了锯片成本,而且使锯缝宽度增加而降低了出材率。
外圆切割的线速度较高,可达50m/s,锯切深度受到锯片直径的限制,一般不超过直径的三分之一。
目前,锯切深度一般不超过1米,1997年德国研制成功直径达5米的圆锯片芯片,据称是世界之最。
外圆切割主要用于石材的切割,房屋、桥梁、路面等建筑的拆除、改建。
为提高生产率,生产板材多用先进的多片式圆片锯,一般不超过30片,多者可达55片
〈3〉硬脆材料切割技术的主要发展方向随着硬脆材料应用的日益广泛,近十几年来切割技术也得到了日新月异的发展,总的发展趋势可归纳为以下几个方面。
1）高速切割。
随着刀具材料及机床技术的发展,切割速度不断提高。
以金刚石线锯为例,往复式的切割速度仅为2～3m/s,无法体现金刚石切割工具的卓越性能,而回转式线锯,其速度可提高到20m/s以上。
2）高出材率。
提高出材率有利于节约自然资
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