本文介紹了我國超硬材料的發展及在機械加工中的應用情況。說明了人造金剛石、立方氮化硼的性能特點、適用范圍及應用于機械加工的實例,指出了進一步加強超硬材料制品研究開發及推廣應用的重要性。
一、概 述
人造金剛石和立方氮化硼(CBN)統稱超硬材料。1963年鄭州磨料磨具磨削研究所在兄弟院所的通力協作下,研制成功我國第一顆人造金剛石,1966年完成中間試驗并投入批量生產,當年生產人造金剛石10000克拉。同年,該所又研制成功我國第一顆立方氮化硼(CBN)。從此我國具有了批量生產超硬材料的能力。
我國超硬材料從誕生到八十年代末,產量增加緩慢,經歷了一個從無到有,不斷完善生產工藝和逐步提高產品質量的階段。八十年代末,隨著中國石材加工業需求的急劇增長,超硬材料進入了高速發展階段,1997年年產量達到5億克拉左右,已躍居世界超硬材料生產大國之首。
金剛石是世界上已知的最硬物質,并具有高導熱性、高絕緣性、高化學穩定性、高溫半導體特性等多種優良性能,可用于高效優質加工鋁、銅等有色金屬,非凡適合于加工硬脆非金屬材料。立方氮化硼是硬度僅次于金剛石的超硬材料,具有高硬度、高熱穩定性、高化學穩定性等優異性能,非凡適合于加工硬、韌、難加工的金屬材料。金剛石和立方氮化硼還具有良好的紅外透過性和較寬的禁帶寬度,近年來已作為功能材料制作透明窗口、高溫半導體等高技術產品,廣泛用于電子、航天等尖端工業領域。
超硬材料除少部分直接用于研磨、拋光、涂層等工藝外,絕大部分制成各種工具用于不同的工業領域(見表1)。
表1 超硬材料制品的種類及應用領域
產品種類 | 鋸片 | 砂輪 | 刀具 | 燒結體 | 薄壁鉆 | 電鍍制品 | 珩磨條精 磨片油石 |
磨盤磨 輥磨輪 |
滾輪 |
應 用 領 域 |
石材 | 機械 | 汽車 | 拉絲 | 建材 | 石材 | 機械 | 石材 | 普通砂輪 |
建材 | 汽車 | 摩托車 | 機械 | 建筑 | 機械 | 電子 | 建材 | 超硬砂輪 | |
建筑 | 摩托車 | 機床 | 石油 | 裝修 | 寶石加工 | 工量具 | 玻璃 | ||
裝修 | 硬質合金 | 軸承 | 地質 | 公路 | 半導體材料 | 玻璃 | 耐火材料 | ||
玻璃 | 玻璃 | 工具 | 煤炭 | 機場 | 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 | 復合片 | 工程 | |||||||
機場 | 家電 | 雕刻 | |||||||
雕刻 |
二、我國超硬材料的發展
1.人造金剛石
我國第一個人造金剛石及其制品的專業生產廠——第六砂輪廠于1969年投產,標志著我國人造金剛石進入了工業化生產階段。1970年我國人造金剛石產量為46萬克拉,1980年產量達到450萬克拉,10年間增長了近10倍;1990年產量為3500萬克拉,比1980年又增長了約8倍。進入九十年代后,我國金剛石生產進入了迅猛發展時期(見圖1)。這種發展勢頭主要受石材加工行業蓬勃發展的帶動,此外,鉆探及切削用PCD復合片和磨削用金剛石砂輪的大量使用也起到了較大推動作用。我國1990~1997年間人造金剛石產量增加了14倍,成為世界人造金剛石生產大國,也推動了石材、玻璃、耐火材料、地質鉆探等行業的發展,為中國經濟建設作出了重要貢獻。