12011第一章 超硬材料与工具.ppt

超硬材料与工具 超硬材料与工具 一 概念超硬工具材料是指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 包括 1 单晶2 聚晶3 复合体 金刚石 俗称 金刚钻 习惯上人们常将加工过的称为钻石 而未加工过的称为金刚石 通常成品钻是采矿量的十亿分之一 因而价格十分昂贵 世界上最重的钻石是1905年产于南非的 库里南 重3106克拉 已被分磨成9粒小钻 其中被称为 非洲之星 鉴别法 1 钻石的单折光性钻石的单折光性 是由于钻石的本质特性决定的 而其它天然宝石或人造宝石大都是双折光性的 冒充的钻石在10倍放大镜观察下 从正面稍斜的角度看 很容易看出棱角线出现重叠影像 并同时呈现出两个底光 双折射率差别小的如锆石等 也可看出底光重叠的影像 2 钻石的吸附性钻石对油脂及污垢有一定的亲和力 即油污很容易被钻石吸附 因此 用手指抚摸钻石会感到胶粘性 手指似乎有粘糊的感觉 这是任何宝石所没有的 这种方法需要加以训练方能掌握其中微妙的区别 3 一线直落的特征钻石表面抛光很光滑 用一支钢笔蘸上墨水在钻石上划过 若是真钻石 表面留下的是一条光滑连续的线条 特征是一线直落 仿冒品留下的是一个个小圆点组成的线条 用此法观察应借助放大镜 4 特有的金刚光泽大致在100度的白炽灯光下 切磨很好的钻石与仿冒品相互比较 很容易看出哪个具有金刚光泽 此方法不宜在过暗或过强的灯光下是进行 中国主要金刚石成矿区有 辽东 吉南成矿区 有中生代和中古生代两期金伯利岩 鲁西 苏北 皖北成矿区 下古生代可能有多期金伯利岩 晋 豫 冀成矿区 已在太行山 嵩山 五台山等地发现金伯利岩 湘 黔 鄂 川成矿区 已在湖南沅水流域发现了4个具工业价值的金刚石砂矿 金刚石及金刚石钻头 表镶金刚石钻头 立方氮化硼 相关产品金刚石滚轮 PCD刀具 PCD铣刀 天然金刚石四角刀 立方氮化硼车刀 孕镶金刚石钻头 电镀金刚石钻头 Gold系列PDC钻头 复合体钻头 取心钻头 一 发展史 公元前800年印度已经发现金刚石 近代18世纪在巴西 澳大利亚和南非等国相继发现金刚石 1965年我国才开始发现原生的宝石级金刚石 按产地分代表金刚石有 包尔兹 刚果 卡邦纳多 巴拉斯 牙库特18世纪末 人们对金刚石进行了研究 法国化学家拉瓦锡等人发现金刚石是可燃物质 燃烧后变为气体 1797年 英国化学家腾南特通过实验方法研究证实 金刚石是碳的一种同素异构体 天然金刚石原生矿属于角砾云母橄榄岩 金伯利岩 当位于地下深处的金伯利岩中的碳元素达到一定浓度后 在高温 高压条件下 碳元素结晶成为金刚石晶体而形成金刚石矿床 高温高压 1954年 美国通用电气公司的邦迪 F P Bundy 等人首次在高温高压条件下以石墨为原料 以镍为触媒成功地合成出金刚石 开始了人造金刚石工业生产 我国1963年在实验室里生产出第一颗人造金刚石 1965年投入工业生产 立方氮化硼 CubicBoronNitride CBN 也是采用高温高压技术人工合成的一种超硬材料 到现在在自然界中没有发现CBN 它是1957年由美国通用电气公司温托福 R H wentorf 首次在触媒存在的条件下合成出来的 之后也很快进入工业生产 低压气相沉积金刚石的研究工作早在20世纪初就己开始 1911年 博尔顿 V Bolton 发表了低压气相合成金刚石的实验工作 在100 有汞 Hg 蒸汽存在的情况下 在分解乙炔 C2H2 气体获得金刚石晶种生长 50年代末60年代初 人们开始把含碳气体的热分解应用到合成金刚石方面进行系统研究 1975年原苏联的德亚金 Deryagin 等报导了在非金刚石基底上沉积出了晶粒微米大小的金刚石晶体 标志着气相沉积金刚石的新时代的开始 随后人们也开始研究低压气相沉积立方氮化硼及碳氮薄膜 现在低压气相沉积金刚石薄膜已进入工业化生产 我国也已经研制出低压气相沉积金刚石刀具材料并已小批量生产 超硬工具材料的用处 超硬工具材料的原材料为金刚石及立方氯化硼CBN 它们的突出特点是硬度高 金刚石是自然界目前已知最硬的物质 CBN是硬度仅次于金刚石的材料 但CBN的化学稳定性及耐热性要优于金刚石 尤其是对于铁族金属 金刚石易于与之作用转变为石墨 而CBN对铁族金属的热稳定性及化学稳定性都很好 所以在许多加工铁族金属的场合要用CBN而不用金刚石制品 二 用途 高温高压法生产的金刚石和立方氯化硼仅有很少部分是以粉末状原料作为磨料使用的 通常都要做成块状 聚晶 或片状 复合片 再制成产品或待金刚石粉用某种材料固结起来制成产品 低压气相沉积金刚石薄膜可直接沉积在刀具或工具 模具等表面制成耐磨涂层 也可沉积成片状或粉状再制成制品 1 磨具 金刚石磨具主要用于下列材料的研磨 抛光或切割 硬质合金 陶瓷及耐火材料 玻璃 石墨 宝石 有色金属材料及非金属材料等 CBN磨具主要用作各种高速钢 轴承钢 铸铁 不锈钢 耐磨涂层 高温合金等难磨材料的磨加工和抛光 2 刀具 包括薄膜涂层刀具 金刚石刀具主要用于各种非金属材料及有色金属材料的车 铣 镗 钻等工序 如玻璃钢 硬塑料 橡胶 建筑材料 碳纤维 陶瓷 耐火材料 铜 铝基复合材料及合金等 CBN刀具主要用于淬火钢 冷硬铸铁 不锈钢 高温合金 耐磨涂层等材料的加工 3 钻具 用于地质 石油 煤田 工程施工等的勘探和采掘 4 锯切工具 主要用于石材 建筑材料 陶瓷 耐火材料 电碳制品 半导体 宝石 木材等的切割 也用于马路 机场跑道 建筑构件的切槽和切断 5 拉拔工具 用于拉拔下列金属材料的丝材及线材 钨 钼 铜 铝 不锈钢 镀锌钢 钢以及合金等 6 修整工具 用于普通磨具的成型修整 整形 修锐等 7 其它工具 用于硬质合金模具 量具刃具加工的手工工具 还有玻璃刀 医用工具 压砧及压头等 一 与钻探有关的金刚石物理力学性质a 硬度 莫式硬度10 研磨硬度是刚玉的150倍 是石英的1000倍 b 强度 天然金刚石抗压强度为8600MP 约为刚玉3 5倍 硬合金1 5倍 钢的9倍 c 耐磨性 是刚玉的90倍 硬质合金的40 200倍 钢的2000 5000倍 d 热稳定性 金刚石的导热性好 但随温度升高线膨胀增长较大 易引起热损伤 二 钻探用金刚石的粒度和品级 国际上金刚石的重量计量单位 克拉 1克拉 0 2克 国际上金刚石的粒度计量单位 目 筛网每英寸内的网格数 天然金刚石品级 TT TY TB TD TX和TS 人造金刚石的品级 RT RY RB 人造聚晶品级 RJT RJY RJB 薄壁钻头 取心钻头 石油用金刚石钻头 矿山用金刚石钻头 1 非平面界面技术的应用 爪型复合片 常规复合片 GeoDiamond的复合片 上边一个名字叫TecMax 它有2层金刚石 加大了金刚石含量而无损其可靠性 经过减残余应力处理 以提高抗冲击能力 中间一个叫Quick 硬质合金部分有一个凹槽 可以释放应力 在同样切削深度下减少钻压和扭矩 有利于提高钻速 下边2个叫Arrow 突破了传统的圆形 有一个尖角形刀刃 上图是各种异型结合面的复合片下图为尖角形复合片 Hycalog的复合片 爪形和环爪形复合片 江钻的G系列带槽PDC片 适用于切割各种花岗岩 大理石 陶瓷 混凝土等脆硬材料 特点是速度快 效力高 出屑块 适用于切割全瓷瓷砖 陶瓷 玻璃 高档大理石 高档花岗石等对精度要求高的脆硬性材料