【中國超硬材料網(wǎng)訊】11月15日，2013第六屆鄭州國際超硬材料及制品研討會在鄭州國際會展中心會議中心五樓大河廳隆重舉行，本屆研討會由中國機床工具工業(yè)協(xié)會超硬材料分會聯(lián)合國家超硬材料及制品工程技術(shù)研究中心等多家行業(yè)機構(gòu)共同主辦。         50年來，中國超硬材料從無到有，從小到大。中國超硬材料制品緊隨行業(yè)發(fā)展潮流，抓住發(fā)展機遇，經(jīng)過多年的研究實踐，已開發(fā)出種類繁多的超硬材料磨削、鉆進、鋸切、切削等工具，廣泛應(yīng)用于機械制造、地質(zhì)鉆探、建材加工、建筑工程、半導(dǎo)體材料、航空航天、特種陶瓷材料、大型金屬構(gòu)件切割等多個工業(yè)領(lǐng)域，顯示出替代傳統(tǒng)工具的巨大能力，在數(shù)個應(yīng)用領(lǐng)域取得了從弱到強的全球市場地位。本文擬通過對我國超硬材料制品技術(shù)發(fā)展的分析，指出在目前發(fā)展環(huán)境下我國超硬材料制品技術(shù)發(fā)展的機遇與挑戰(zhàn)，展望今后行業(yè)的發(fā)展前景。

        金剛石繩鋸是“柔性”切割工具，代表著鋸切工具的較高級水平，近幾年獲得了高速的發(fā)展。金剛石繩鋸是超硬材料工具中一個很小的分支，若要繼續(xù)保持高速發(fā)展，需不斷擴拓應(yīng)用領(lǐng)域及將全球作為目標市場，解決金剛石繩鋸及主要原材料如串珠與鋼絲繩固結(jié)用橡膠的性能表征，通過實現(xiàn)生產(chǎn)自動化，提高生產(chǎn)效益及質(zhì)量穩(wěn)定性;解決繩鋸中存在的鋼絲繩質(zhì)量及串珠結(jié)構(gòu)設(shè)計等問題。

        該報告設(shè)計并制作了一種全新結(jié)構(gòu)的外徑只有2.0mm的超細金剛石繩鋸，通過鋸切大理石試驗，測定鋸切參數(shù)并分析計算。結(jié)果表明:鋸切速度與外徑8.8mm的金剛石繩鋸相當，而且切割功耗小，廢渣排放少，石材切割成材率提高30%以上。
        IIa型金剛石是含氮量極少的金剛石，具有最高的熱導(dǎo)率、最高的光學(xué)透射率及最寬的光學(xué)透射波段，能夠最大限度地發(fā)揮金剛石的熱學(xué)、光學(xué)、機械等性能，用于對材料性能要求極高的國防及工業(yè)領(lǐng)域，具有寬廣的應(yīng)用前景。本報告研究了高溫高壓條件下優(yōu)質(zhì)大尺寸IIa型金剛石的合成技術(shù)。通過優(yōu)選合金觸媒成分、調(diào)整合成腔體溫度場分布等，提高了合成了穩(wěn)定性、金剛石晶體的質(zhì)量、完整性、對稱性和生長速度。

        該報告研究C—納米蔥無結(jié)合劑高壓燒結(jié)PCD的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，含有金剛石結(jié)構(gòu)核心的C—納米蔥，在壓力5.5GPa，溫度1200℃，保溫時間為15min的條件下，可燒結(jié)成為塊體，其平均硬度約為32GPa，獲得的納米晶金剛石中含有一定數(shù)量的孿晶;同樣的C—納米蔥在添加10wt%~50wt%微米金剛石，相同工藝條件下，可燒結(jié)成為PCD，其最高硬度達到71 GPa。主要原因是微米金剛石的加入在一定程度上改變了高壓過程中粉體的傳壓狀態(tài)，另一重要原因是加入的微米金剛石表面在C—納米蔥轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸^程中起到積極作用。

        淬火鋼（45~68HRC）應(yīng)用范圍廣泛，可用于動力傳動機械元件、軸承和齒輪等領(lǐng)域。聚晶立方氮化硼(PCBN)由于其極高的硬度、良好的耐熱性及高導(dǎo)熱性，幾年來在淬火鋼的加工領(lǐng)域得到迅猛發(fā)展。本報告介紹了以淬硬鋼件車削為關(guān)注點的全新PCBN牌號系列，研究重點在于延長刀具壽命、提高生產(chǎn)率，從而降低淬硬鋼件車削應(yīng)用中的零件成本。無論是在連續(xù)車削還是斷續(xù)車削應(yīng)用中，PCBN新牌號都展示出改善的抗月牙洼磨損能力及刀刃韌性。

        該報告對Ti3SiC2與亞微米金剛石混合粉末進行球磨，使得Ti3SiC的平均粒度從5 μm降至約20nm，并使納米尺寸的Ti3SiC2顆粒均勻分布在亞微米尺寸的金剛石顆粒表面。在壓力(強)5.5GPa，溫度600~1650℃條件下，對初始材料的高壓燒結(jié)行為進行了研究。X射線衍射及透射電鏡分析表明，Ti3SiC2在600~700攝氏度可分解為納米尺寸的TiC和玻璃相的Ti-Si。金剛石與Ti-Si反應(yīng)最終形成Ti-Si-C固溶體。通過同時調(diào)控溫度一壓力條件，我們得到了納米結(jié)構(gòu)的金剛石一TiC/Ti-Si-C復(fù)合超硬材料。加載10kg(98N)條件下，采用維壓痕法測得樣品的最高硬度HV與斷裂韌性KIC分別達到了45.SGPa和14Mpa•m1/2。

        該研究旨在開發(fā)“細胞鏡檢芯片模仁”。首先，設(shè)計并開發(fā)雙軸式超精微CNC工具機，再于此工具機上建構(gòu)線式放電研削技術(shù)，以便加工出同心且薄刃的含硼聚晶鉆石輪刀。再利用此輪刀以“在線高速快淺研削技術(shù)”對NAK80模具鋼進行數(shù)組微溝加工。實驗證實，通過線切割放電成型，能制作出刃寬5μm的含硼聚晶鉆石輪刀，并能對NAK80模具鋼成功開發(fā)出寬度8μm的數(shù)組微溝。因輪刀系在線成型，故加工能以主軸原始精度進行，而獲致極高穩(wěn)定度之研削效能，大幅度省去復(fù)雜的校正時間。本研究亦于開發(fā)的工具機上，建構(gòu)立式拋光軸，以便能在線精拋模仁表面，并移除數(shù)組微溝毛邊;表面粗糙度可達0.045μm。此外，因采納米深度研削，每道切深移除量極少，故鉆石輪刀能處于常溫加工，有效減緩鉆石中碳原子與鐵原子的親和速度，材料移除機制仍容許輪刀以鉆石結(jié)構(gòu)對模具鋼的鐵原子進行差排剪切。
        利用自主研發(fā)的二級大腔體靜高壓裝置，首次采用微米晶的金剛石與CBN為初始材料，合成了大塊體(直徑約3mm)的BCN超硬塊體半透明樣品，在5kg加載力下測得的樣品維氏硬度(約74GPa)已在金剛石單晶(70~100GPa)的硬度范圍內(nèi)。我們對合成的樣品進行了拉曼散射、掃描電子顯微鏡分析、維氏硬度測試等表征。上述工作，為推進BCN超硬合金材料的工業(yè)應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

        該報告利用馬弗爐，選用高溫高壓合成的不同品種立方氮化硼 (CBN)晶體，在1000℃溫度條件下，進行2h高溫瑕燒。采用掃描電鏡、沖擊韌性儀等儀器設(shè)備研究不同品種CBN晶體瑕燒前后的形貌變化和沖擊韌性對比情況，結(jié)果表明不同品種CBN晶體瑕燒前后性能有明顯的差別，掃描電鏡觀察表明，不同品種的CBN表面都有不同程度的燒傷。沖擊韌性檢測表明，CBN的沖擊韌性TI值降低比例在9%-60%，熱沖擊韌性TTI值降低比例在3%-39%。
        納米聚晶金剛石被視為新一代高性能超硬材料，不僅有金剛石單晶所具備的高硬度、高熱穩(wěn)定性等優(yōu)良的物理化學(xué)特性，而且具有更高的韌性、各向同性、耐磨性以及可加工性，應(yīng)用前景廣闊。本報告介紹了利用作者所在實驗室自行發(fā)展的二級大腔體靜高壓裝置，實現(xiàn)了在超高壓高溫下由石、墨向金剛石的直接轉(zhuǎn)變，在國內(nèi)首次合成出了納米聚晶金剛石塊體材料。樣品的合成壓力約為17GPa，溫度約為2300℃。對合成的樣品進行了微區(qū)X射線衍射、掃描電子顯微鏡分析、維氏硬度測試等表征，為納米聚晶金剛石在中國的產(chǎn)業(yè)化進行了開拓性的嘗試。

        該報告根據(jù)六面頂壓機高溫高壓合成特點，探討了用六面頂壓機合成大直徑PCD復(fù)合片的四大關(guān)鍵技術(shù)，即:原材料的選擇、配方和混料及凈化處理、組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計、高溫高壓燒結(jié)工藝，并分析了各關(guān)鍵技術(shù)對合成大直徑PCD復(fù)合片的影響。通過對這四大關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化和完善，可以提高合成大直徑PCD復(fù)合片的成品率和產(chǎn)品質(zhì)量。


        通過實驗研究磁控濺射鍍氮化鈦時各因素對鍍層顏色和結(jié)合力的影響，發(fā)現(xiàn)濺射時電流大小、溫度、偏壓、真空度和氮氣流量等因素對鍍層影響明顯。實驗表明不同材料做基體時，需要的條件因素需適當改變。金屬基體結(jié)合牢固，非金屬結(jié)合較難。常溫下，偏壓250V ,真空度0.35Pa、總功率1400W時，氮氣流量在5sccm是最佳鍍覆條件。

        該報告通過測量不同廠家生產(chǎn)的磨粒級金剛石顆粒內(nèi)部雜質(zhì)元素的含量，作為選擇金剛石微粉原材料的指導(dǎo)，進行特種金剛石微粉生產(chǎn)。對選取的磨粒級金剛石進行了TI值測試，發(fā)現(xiàn)不同廠家金剛石的TI值大小與某些元素的含量存在趨勢性對應(yīng)關(guān)系。

        該報告概述了高溫高壓法金剛石單晶同質(zhì)外延的基本方法，介紹了合成工藝設(shè)計對最終產(chǎn)品的影響，有關(guān)傳壓介質(zhì)標準粉在大單晶同質(zhì)外延中的應(yīng)用特點是本文的重點。

        該報告總結(jié)概括了基于密度泛函理論的第一性原理計算的理論基礎(chǔ)與計算方法，重點闡述了材料計算在超硬材料領(lǐng)域中的研究現(xiàn)狀，分類歸納了幾種典型和重要的超硬材料體系，其中包括多種碳的同素異形體、硼基化合物、氮基化合物等等。大量的計算結(jié)果表明，多種新型材料的硬度指標已經(jīng)超過立方氮化硼，十分接近金剛石，非常具有潛力成為新型的超硬材料。通過詳細地介紹國內(nèi)外材料計算在超硬材料研究中的最新進展，希望能夠為將來的進一步計算研究，特別是具體合成制備實驗提供理論基礎(chǔ)幫助。
        該報告通過理論分析和依據(jù)標準對樣品進行的檢驗驗證表明，JB/T 7990-1998標準存在的主要問題是標準規(guī)定的兩種檢測方法粒度組成數(shù)據(jù)表征方式不一致，規(guī)定的顯微鏡檢測方法操作麻煩。ANSI B74.20-2004標準存在的主要問題是對于2 μm以細的微粉，規(guī)定DS等于0是錯誤的;不允許有長寬比大于2的長棒狀顆粒這一規(guī)定脫離實際情況，目前的技術(shù)和工藝難以做到;對大顆粒上界規(guī)定太大，不合理。兩個標準都存在對大顆粒規(guī)定與分布寬度不相適應(yīng)的問題。


        報告采用了四個體系—未添加粘結(jié)劑、金屬粘結(jié)劑、陶瓷粘結(jié)劑和金屬+陶瓷粘結(jié)劑的粘結(jié)劑，以WC+Co為基底，利用高溫高壓條件，合成PCBN。通過掃描電鏡的觀察以及磨耗比，顯微硬度和抗彎強度等的檢測，得出采用金屬+陶瓷粘結(jié)劑合成的PCBN綜合性能較好。而通過X光衍射相分析得出，添加的金屬粘結(jié)劑Al會與CBN在高溫高壓下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成穩(wěn)定的AlB2。


        報告總結(jié)了50年來超高壓技術(shù)發(fā)展的經(jīng)驗和教訓(xùn)，從礦物材料的基本性能入手，在各種規(guī)格的超高壓設(shè)備上，對葉臘石實心塊在不同尺寸的超高壓腔體中不同壓力下的流變情況進行試驗，討論葉臘石的流變行為對傳壓和密封的影響。


        報告以作者的親身經(jīng)歷詳細回顧了我國在立方氮化硼單晶功能特性研究方面取得的成果，從一個側(cè)面顯示了我國超硬材料發(fā)展的驕人成果。鼓勵青年人開闊眼界，為超硬材料的全面發(fā)展貢獻力量。

        報告對新型超硬材料AlMgB14的研究進展進行了綜述，對AlMgB14材料的晶體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能特性和制備方法及其增韌強化方面的研究進展進行了討論和總結(jié)。
        高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法是一種制備單組分、多組分納米粉體以及結(jié)合劑粉體的方法。報告采用高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法制備了陶瓷結(jié)合劑超細粒度金剛石砂輪，并對單晶硅片進行了磨削性能試驗。結(jié)果表明:在試驗?zāi)ハ鞴に嚄l件下，高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法制備的砂輪能夠?qū)崿F(xiàn)對硅片的磨削，硅片表面質(zhì)量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法制備的超細粒度金剛石砂輪。

       報告根據(jù)近年來風(fēng)電葉片的發(fā)展變化，簡述了其加工所需的超硬工具規(guī)格類型、加工方法和工藝，并闡述了超硬工具在葉片加工中的主要作用以及存在的缺陷及改進辦法。隨著國家對綠色清潔能源的不斷重視，預(yù)計超硬工具在風(fēng)電行業(yè)中的應(yīng)用將更加廣泛。