我国超硬材料的发展及在机械加工中的应用

我国超硬材料的发展及在机械加工中的应用

李志宏　邵德厚　刘庆选　邵　强　宜云雷

    摘　要：介绍了我国超硬材料的发展及在机械加工中的应用情况。说明了人造金刚石、立方氮化硼的性能特点、适用范围及应用于机械加工的实例，指出了进一步加强超硬材料制品研究开发及推广应用的重要性。

    关键词：超硬材料　人造金刚石　立方氮化硼　刀具　磨具　磨削

    development and applications in machining industry of superhard materials in china

    li zhihong et al

    abstract：the development and applications in machining industry of superhard materials in china are introduced．the excellent properties and application fields of the synthetic diamond and cubic boron nitride（cbn） are indicated，and some practical examples in machining are also described．the importance of further researching，developing and extending the applying fields of superhard materials is pointed out．

    keywords：superhard material synthetic diamond cbn cutting tool abrasive grinding

    一、概　述

　　人造金刚石和立方氮化硼（cbn）统称超硬材料。1963年郑州磨料磨具磨削研究所在兄弟院所的通力协作下，研制成功我国第一颗人造金刚石，1966年完成中间试验并投入批量生产，当年生产人造金刚石10000克拉。同年，该所又研制成功我国第一颗立方氮化硼（cbn）。从此我国具有了批量生产超硬材料的能力。

    我国超硬材料从诞生到八十年代末，产量增加缓慢，经历了一个从无到有，不断完善生产工艺和逐步提高产品质量的阶段。八十年代末，随着中国石材加工业需求的急剧增长，超硬材料进入了高速发展阶段，1997年年产量达到5亿克拉左右，已跃居世界超硬材料生产大国之首。

    金刚石是世界上已知的硬物质，并具有高导热性、高绝缘性、高化学稳定性、高温半导体特性等多种优良性能，可用于高效加工铝、铜等有色金属，特别适合于加工硬脆非金属材料。立方氮化硼是硬度仅次于金刚石的超硬材料，具有高硬度、高热稳定性、高化学稳定性等优异性能，特别适合于加工硬、韧、难加工的金属材料。金刚石和立方氮化硼还具有良好的红外透过性和较宽的禁带宽度，近年来已作为功能材料制作透明窗口、高温半导体等高技术产品，广泛用于电子、航天等工业领域。

    超硬材料除少部分直接用于研磨、抛光、涂层等工艺外，绝大部分制成各种工具用于不同的工业领域（见表1）。

表1　超硬材料制品的种类及应用领域

产品种类 锯片 砂轮 刀具 烧结体 薄壁钻 电镀制品 珩磨条精
磨片油石 磨盘磨
辊磨轮 滚轮 应

用

领

域

石材 机械 汽车 拉丝 建材 石材 机械 石材 普通砂轮 建材 汽车 摩托车 机械 建筑 机械 电子 建材 超硬砂轮 建筑 摩托车 机床 石油 装修 宝石加工 工量具 玻璃 　 装修 硬质合金 轴承 地质 公路 半导体材料 玻璃 耐火材料 　 玻璃 玻璃 工具 煤炭 机场 　 油泵油嘴 　 　 陶瓷 木材 　 木材 石材 　 　 　 　 耐火材料 石材 　 水泥制品 耐火材料 　 　 　 　 公路 复合片 　 工程 　 　 　 　 　 机场 家电 　 雕刻 　 　 　 　 　 雕刻 　 　 　 　 　 　 　 　

    二、我国超硬材料的发展

    1．人造金刚石

    我国第一个人造金刚石及其制品的专业生产厂——第六砂轮厂于1969年投产，标志着我国人造金刚石进入了工业化生产阶段。1970年我国人造金刚石产量为46万克拉，1980年产量达到450万克拉，10年间增长了近10倍；1990年产量为3500万克拉，比1980年又增长了约8倍。进入九十年代后，我国金刚石生产进入了迅猛发展时期（见图1）。这种发展势头主要受石材加工行业蓬勃发展的带动，此外，钻探及切削用pcd复合片和磨削用金刚石砂轮的大量使用也起到了较大推动作用。我国1990～1997年间人造金刚石产量增加了14倍，成为世界人造金刚石生产大国，也推动了石材、玻璃、耐火材料、地质钻探等行业的发展，为中国经济建设作出了重要贡献。

图1　1980～1997年我国金刚石产量增长曲线图

    我国人造金刚石产量虽居世界首位，但产品质量与发达国家还存在较大差距，主要表现为产品的冲击强度和高温冲击强度较低，杂质、缺陷较多，能够用于制造锯片的高强度金刚石仅占产品总量的20％左右，而rvd、mbd级产品约占80％。
2．立方氮化硼　　

    立方氮化硼（cbn）具有高硬度、高耐磨性、高热传导率及耐热性、低摩擦系数等优良的物理、化学和机械性能，特别适合用于铁族金属材料的加工，是提高生产率和加工质量的优良材料，在工业发达国家已得到广泛应用。我国的cbn产品诞生至今已32年，但在1966年至1989年的20多年间发展比较缓慢。进入九十年代后，我国汽车、摩托车工业的高速发展为cbn的发展提供了强大动力，产量大幅度增加（见图2）。

图2　我国cbn产量增长示意图

    从1990年至今，我国cbn产量的年平均增长率为25％，大大超过了发达国家cbn年耗用量15％的增长率，但在应用领域和应用水平上与发达国家差距很大，主要表现为磨具制造工艺和装备不完善，磨具质量及性能不稳定，专用磨床和磨削工艺不配套等。

    3．金刚石薄膜

    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、超硬材料制品在机械加工中的应用

    1．金刚石制品的应用

    金刚石磨料及其制品主要用于加工非铁族金属的各种难加工材料，如石材、玻璃、水泥制品、耐火材料、陶瓷、木材以及硬质合金、硅铁合金等。我国金刚石磨料及其制品在各领域的应用比例见图3。

图3　我国金刚石制品在各领域的应用比例

    金刚石制品在机械加工领域的应用量只占10％，主要用于车削加工和磨削加工。金刚石刀具有车刀、铣刀、镗刀等品种，80％以上用于汽车和摩托车行业，其它则用于家用电器、燃气、普通机械等领域。

    （1）金刚石刀具

    金刚石刀具在汽车和摩托车行业中主要用于加工发动机活塞的裙部、销孔、汽缸体、变速箱、化油器等。由于这些部件材料含硅量较高（10％以上），并且大多采用流水线方式大批量生产，对刀具的使用寿命要求较高，硬质合金刀具难以胜任，而金刚石刀具的耐用度是硬质合金刀具的10～50倍，可保证零件的尺寸稳定性，并可大大提高切削速度、加工效率和工件的表面质量。表2、表3分别为金刚石镗刀和金刚石铣刀与硬质合金刀具的实际应用效果比较。

表2　金刚石镗刀的应用效果

零件名称 零件材质 刀具寿命比较或效果
（金刚石刀具／硬质合金刀具） 活塞销孔
（10～45） a1＋11～23％si 10／1 汽缸头深孔 a1＋11～23％si 尺寸稳定，摇摆销装配性好 分电器座 a1＋11～13％si 20／1 油封架 a1＋11～13％si 20／1