本文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。
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最硬物质,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,可用于高效优质加工铝、铜等有色金属,非凡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,非凡适合于加工硬、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、航天等尖端工业领域。
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。