超硬材料有哪些發(fā)展前景？

超硬材料是一門高新技術(shù)，而且它的研制成功對整個國民經(jīng)濟(jì)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，是一

項新的產(chǎn)業(yè)化革命，被廣泛應(yīng)用于諸多行業(yè)。超硬材料制品將朝系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、

高品質(zhì)、多元化方向發(fā)展，各生產(chǎn)企業(yè)將形成自己的產(chǎn)品特色和市場定位。我國是超硬材料

生產(chǎn)大國，而不是強(qiáng)國，怎樣把超硬材料產(chǎn)業(yè)大國構(gòu)建為強(qiáng)國，乃是全行業(yè)今后奮斗的目標(biāo)

和方向。近年來，超硬材料行業(yè)得到了政策的大力支持，是―十二五‖規(guī)劃中被列為重點發(fā)展的行業(yè)。目前全國金剛石行業(yè)已形成了以深入研究新工藝為特征的新高潮，專業(yè)化、精細(xì)化生

產(chǎn)特殊產(chǎn)品的企業(yè)比例明顯增加，因此金剛石行業(yè)的競爭將更為激烈，需全面迎接挑戰(zhàn)并且

走自主創(chuàng)新與跨越式發(fā)展之路。

縱觀國外高精度金剛石刀具制造的成功案例，技術(shù)方案是機(jī)械刃磨技術(shù)。但是以我國目

前現(xiàn)有的機(jī)械刃磨技術(shù)來制造高精度金剛石刀具，仍存在一些技術(shù)難題。

超硬刀具材料 的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

硬材料是一種重要的工程材料，通常是指硬度達(dá)到莫氏硬度zui高值 10 或接近 10 的材料，

主要應(yīng)用于復(fù)合材料、無機(jī)非金屬材料、硬質(zhì)合金的加工[1-2]。此外，某些超硬材料在光學(xué)、

電學(xué)、熱學(xué)方面也具有一些特殊性能，而成為一種重要的功能材料。目前常見的超硬材料有

金剛石（天然金剛石和人造金剛石）、立方氮化硼等。超硬材料通常由超硬材料顆粒與結(jié)合劑

組成。超硬材料的性能與結(jié)合劑的性能緊密相關(guān)，選擇或者合成高性能的結(jié)合劑，對于超硬

材料的制備與應(yīng)用具有重大意義。超硬材料盡管物質(zhì)成分、構(gòu)成較少，但制品種類繁多，用

途非常廣泛[3]。我國超硬材料發(fā)展到今天已經(jīng)走過近 50 年歷史。近半個世紀(jì)以來，中國超硬

材料制品無論在產(chǎn)品還是技術(shù)的層面，都取得了巨大的進(jìn)步，并且呈現(xiàn)出傳統(tǒng)產(chǎn)品穩(wěn)步發(fā)展

不淘汰，新一代高附加值產(chǎn)品不斷突破的局面。

超硬材料有哪些發(fā)展前景？

典型超硬材料研究現(xiàn)狀

1  天然金剛石

天然金剛石是在地殼深處結(jié)晶形成的，存在于地表下深度為 100~300km 的金伯利巖中。

zui適宜的結(jié)晶條件是壓力 5~7GPa，溫度 1200~1800℃。天然金剛石*按結(jié)晶學(xué)定律生長，

巖漿在深部時，溫度、壓力皆高。此時，天然金剛石*按結(jié)晶學(xué)定律生長，以硅為結(jié)晶基

底,活化碳沉積形成晶胞,逐漸擴(kuò)大,為反核晶,有時可長成厚板狀。天然金剛石分為寶石級（鉆

石）和工業(yè)級。天然金剛石zui早在印度發(fā)現(xiàn)，后來主要產(chǎn)地是南非和俄羅斯的西伯利亞。我

國是天然金剛石極為匱乏的國家，僅在山東(含蘇北)、遼寧發(fā)現(xiàn)了小型天然金剛石原生礦，在

湖南發(fā)現(xiàn)了小型河流沖積型金剛石礦床，但這些遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了高速發(fā)展的工業(yè)需要。圖 1 所

示為我國發(fā)現(xiàn)的zui大天然金剛石。

天然金剛石晶體是各向異性特征明顯的材料，用 X 射線從不同角度照射晶體表面會出現(xiàn)

不同的衍射圖案，而根據(jù)不同晶面的特征圖案即可選擇合適的晶面。許多學(xué)者對晶面的預(yù)選

法進(jìn)行了研究：Decker 等提出了 X 射線預(yù)選晶面的方法，并采用掃描和透射電子顯微鏡對刀

具質(zhì)量和使用進(jìn)行跟蹤、對比[4]。袁哲俊等亦提出了近似原理的天然金剛石晶體的激光晶面

定向方法[2]。Ikawa 等提出基于赫茲壓痕試驗并結(jié)合紅外吸收（infrared absorption，IRA）和

電子自旋共振技術(shù)（electron spinesonance，ESR）來篩選天然金剛石晶體，他們認(rèn)為 IRA 和

ESR 值越小，金剛石晶體表面的壓痕微硬度越高，刀具耐磨損性能也越佳[5-6]。利用上述晶

面預(yù)選法，有學(xué)者又進(jìn)一步提出了基于摩擦系數(shù)的晶面優(yōu)選法[7]和基于切削試驗的逆向優(yōu)選

晶面方法[8-10]。宗文俊等提出了基于天然金剛石晶體動態(tài)微觀抗拉強(qiáng)度的晶面篩選方法，并

建立了刀具耐磨損性能的各向異性評價因子[11]。宗文俊等提出了基于納米氧化銅的天然

金剛石晶體真空熱化學(xué)腐蝕原創(chuàng)工藝[12]。

天然金剛石晶體以硬度高、耐磨損、化學(xué)惰性良好等特性而廣泛用作超精密切削加工的

刀具材料。因此天然金剛石刀具的刃磨技術(shù)一直是研究的熱點。經(jīng)過多年的研究，已有很多

種刃磨方法被提出[12]。孫濤等在突破機(jī)械研磨技術(shù) 70~80nm 的精度極限方面，對天然金剛石

刀具的機(jī)械研磨技術(shù)進(jìn)行了深入研究[13]；日本學(xué)者 Miyamoto 等于 1990 年提出了離子束拋光

加工天然金剛石刀具的方法[10]，不僅提高了天然金剛石刀具的刃磨精度，而且將其用于超精

密車削軟材料，同時利用 SEM （Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡）測量；美

國學(xué)者 Frederick 等于 1990 年提出了化學(xué)拋光制造天然金剛石刀具[14]；1992 年，日本學(xué)者

Haisma 提出了無損傷機(jī)械化學(xué)拋光法[15]；德國學(xué)者 Kühnle 和 Weis 提出了化學(xué)輔助機(jī)械拋

光加工方法[16]；Zaitsev 等提出用熱化學(xué)方法拋光加工金剛石晶體[17]，隨后該方法被 Weima

等用于金剛石刀具的刃磨[18]；另外 Malshe 等提出的激光刻蝕等加工方法[19]，但是激光刻蝕

精度不高，目前在業(yè)內(nèi)用于金剛石刀具粗加工。我國當(dāng)前廣泛采用機(jī)械刃磨技術(shù)來制造天然

金剛石刀具。

為了給天然金剛石刀具的使用壽命延長提供一種全新的技術(shù)方法，目前已經(jīng)提出了基于

納米氧化銅的真空熱化學(xué)腐蝕新工藝，用于后處理機(jī)械刃磨工藝加工的天然金剛石晶體。

2  人造金剛石

人造金剛石的很多研究工作始于天然金剛石。人造金剛石產(chǎn)品可按照晶形、顏色、粒度、

沖擊強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度等多項指標(biāo)進(jìn)行分級。晶形完整、色淺透明、粒徑較大、強(qiáng)度較高者，

稱為高品級產(chǎn)品。人造金剛石包括：寶石級大單晶、工業(yè)用單晶金剛石、燒結(jié)體、復(fù)合體、

人造卡邦、金剛石微粉、金剛石薄膜、納米級金剛石。

工業(yè)生產(chǎn)金剛石的主要方法是利用石墨為原料，鎳鈷等觸媒金屬為催化劑，在大約 5GPa

和 1700K 的高溫高壓條件下將石墨轉(zhuǎn)化生成金剛石，如圖 2 所示。SDA 和 DSN 系列產(chǎn)品是馳

名中外的人造金剛石高品級產(chǎn)品的代表。

2011 年中國人造金剛石產(chǎn)量為 110 億 ct，占總產(chǎn)量的 90%，已是金剛石大國，并且

正在向金剛石強(qiáng)國邁進(jìn)。1963 年 11 月，我國*顆人造金剛石誕生；美國 G. E. Co 公司在全

球來說都是一個生產(chǎn)人造金剛石實力*的大公司，而且擁有金剛石發(fā)明權(quán)，但在 2003 年 12

月已被 Littlejohn & Co（LLC）股份投資公司所收購 （新公司 Diamond Innovations 簡稱為 D. I.

Co.）。英-南非 De Beers 的建立和發(fā)展起源于在南非開采出天然金剛石，而后成為的一霸。

后來由于美國發(fā)明了人造金剛石，為了鞏固其金剛石行業(yè)的壟斷地位則大量發(fā)展了人造金剛

石，在前幾年已曾經(jīng)進(jìn)行了資產(chǎn)改組，現(xiàn)簡稱為六元素公司。業(yè)內(nèi)人士多數(shù)認(rèn)為 2003~2004

年中國人造金剛石生產(chǎn)能力已可達(dá) 40~50 億 ct 且生產(chǎn)量約為 35 億 ct 左右。

制造中國的高品質(zhì)人造金剛石是很多超硬材料專家為之奮斗一生的事業(yè)，特別是在探礦

工程界，從 20 世紀(jì) 60~70 年代開始就為―粗顆粒高強(qiáng)度‖而拼搏著。經(jīng)過幾代人的努力，到了

21 世紀(jì)初，已經(jīng)有了快速發(fā)展。我國利用國產(chǎn)六面頂壓機(jī)生產(chǎn)金剛石的技術(shù)難關(guān)已經(jīng)突

破，金剛石單晶產(chǎn)品達(dá)到了國外產(chǎn)品水平(指高品質(zhì)生產(chǎn)工藝的指標(biāo)，從 2003 年不足 10%

提高到 2004 年的 40%以上或更高)，因此今后將會是對其技術(shù)的提高和完善以及普及和應(yīng)用階

段。所以說近期是金剛石單晶技術(shù)全面提升的新時期。

3  立方氮化硼

很長一段時間里，立方氮化硼被認(rèn)為在自然界不存在，直至 2009 年，美國加州大學(xué)河濱

分校勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的科學(xué)家和來自中國、德國科研機(jī)構(gòu)的同行一起，在中國青

藏高原南部山區(qū)地下約 306km 深處古海洋地殼的富鉻巖內(nèi)找到了這種礦物，其在大約 1300℃

高溫、118430 個大氣壓的高壓條件下形成了晶體。該團(tuán)隊以中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所教授

方青松的名字將新礦物命名為 qingsongite（后綴 ite 表示礦物）。礦物學(xué)協(xié)會在 2013 年 8

月正式承認(rèn)了這是一種新的礦物——立方氮化硼。其原子結(jié)構(gòu)與金剛石中的碳原子結(jié)構(gòu)類似，

因此它具有高密度的特性,硬度可媲美鉆石，常被用作磨料和刀具材料。

超硬材料有哪些發(fā)展前景？

立方氮化硼的*性能[20]主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）化學(xué)惰性優(yōu)于金剛石：立方氮化硼的硬度僅次于金剛石，但其化學(xué)惰性更優(yōu)于金剛

石，它不與鐵族金屬及其合金反應(yīng)，而且抗氧化性能比金剛石好得多。

（2）更耐高溫。

（3）轉(zhuǎn)化率更高，成本更低，性能更優(yōu)。

（4）更不受面積、形狀和尺寸影響。

針對立方氮化硼的這一*特性，目前已經(jīng)有許多學(xué)者對其進(jìn)行了研究。梁寶巖等[21]

采用 Al/C/TiO2/CBN（各組粉體中，CBN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為 10%）粉體為原料，通過原位反應(yīng)燒

結(jié)技術(shù)，制備 Al/TiC/Al2O3 金屬陶瓷復(fù)合結(jié)合劑立方氮化硼（CBN）材料。2004 年 Benko 等

以磨料級立方氮化硼（ABN-300）和 Ti3SiC2 為原料，在 7GPa 的高壓下制備 Ti3SiC2-立方氮

化硼（CBN）復(fù)合材料，并且研究這種新型超硬復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能[2]。

目前立方氮化硼磨具[21]廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、石材、機(jī)械、汽車及國防工業(yè)等各個領(lǐng)域，

產(chǎn)品已形成系列化，品種規(guī)格比較齊全。立方氮化硼磨具的磨削性能十分優(yōu)異，不僅能勝任

難磨材料的加工，提高生產(chǎn)率，且有利于嚴(yán)格控制工件的形狀和尺寸精度，還能有效地提高

工件的磨削質(zhì)量，顯著提高磨后工件的表面完整性，因而提高了零件的疲勞強(qiáng)度，延長了使

用壽命，增加了可靠性，再加上立方氮化硼磨料生產(chǎn)過程在能源消耗和環(huán)境污染方面比普通

磨料生產(chǎn)更少，所以，擴(kuò)大立方氮化硼磨具的生產(chǎn)和應(yīng)用是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

超硬材料的應(yīng)用范圍

金剛石的硬度更高，其他性能也較為優(yōu)異。它可以加工各種難加工材料和非難加工材料，

因為金剛石刀具的切削刃可以加工得很鋒利,切削刃鈍圓半徑能達(dá)納米級,因此特別適用于對

有色金屬進(jìn)行超精密切削加工。金剛石刀具能切削純鎢、工程陶瓷、硬質(zhì)合金、工業(yè)玻璃、

石墨與各種塑料以及各種復(fù)合材料。金剛石還可用于制作牙科、骨科所用醫(yī)療器械工具，以

及用于木材、石材加工的刀具和工具。金剛石和立方氮化硼單晶粉大量用于制作磨料、磨具、

磨膏、砂布、砂紙等。金剛石還大量用于制作拉絲模、砂輪修正器和石油、地礦部門的鉆探

鉆頭,還可用于制作各種耐磨件。

立方氮化硼有著高硬度、高熱穩(wěn)定性的特點,切削各種淬硬鋼,包括合金工具鋼、碳

素工具鋼、高速鋼、軸承鋼、模具鋼等和各種冷硬鑄鐵還有耐磨鑄鐵，以及各種鐵基、鎳基、

鈷基和其他熱噴涂零件。大部分能用金剛石刀具切削的難加工材料，如硬質(zhì)合金、陶瓷、玻

璃、復(fù)合材料等，用立方氮化硼刀具也可加工，但立方氮化硼刀具的使用壽命低于金剛石刀

具。立方氮化硼刀具熱穩(wěn)定性高，高速切削硬質(zhì)材料時金屬有軟化效應(yīng)，適合高速干式切削。

典型超硬材料制品

由金剛石的自身特性決定，金剛石刀具的主要特點有高硬度、耐磨損、低膨脹系數(shù)、高

導(dǎo)熱率、大彈性模量、低摩擦因數(shù)、極小刀刃鈍圓半徑和平滑刃口等。高精度天然金剛石刀

具主要包括金剛石車刀和金剛石銑刀，廣泛用于毫米級、微米到亞微米、甚至納米級的超精

密加工。

聚晶金剛石（PCD）是由微米尺寸的人造金剛石微粉在高溫高壓條件下燒結(jié)而成。自人造

金剛石研制成功以來，對聚晶金剛石（PCD）刀具切削性能的研究取得了大量成果，PCD 刀

具的應(yīng)用范圍及使用量迅速擴(kuò)大。目前，上的人造金剛石復(fù)合片生產(chǎn)商主要有英國

De Beers 公司、美國 GE 公司、日本住友電工株式會社等。據(jù)報道，1995 年一季度僅日本的

PCD 刀具產(chǎn)量即達(dá) 10.7 萬把。PCD 刀具的應(yīng)用范圍已由初期的車削加工向鉆削、銑削加工擴(kuò)

展。日本一家組織進(jìn)行的關(guān)于超硬刀具的調(diào)查表明：人們選用 PCD 刀具的主要考慮因素是基

于 PCD 刀具加工后的表面精度、尺寸精度及刀具壽命等優(yōu)勢。金剛石復(fù)合片合成技術(shù)也得到

了較大發(fā)展，De Beers 公司已推出了直徑 74mm、層厚 0.3mm 的聚晶金剛石復(fù)合片。

通過對近年來 PCD 刀具應(yīng)用的分析可見，PCD 刀具主要應(yīng)用于以下 2 方面[1]。

（1）難加工有色金屬材料的加工：用普通刀具加工難加工有色金屬材料時，往往產(chǎn)生刀

具易磨損、加工效率低等缺陷，而 PCD 刀具則可表現(xiàn)出良好的加工性能。如用 PCD 刀具可有

效加工新型發(fā)動機(jī)活塞材料——過共晶硅鋁合金（對該材料加工機(jī)理的研究已取得突破）。

（2）難加工非金屬材料的加工：PCD 刀具非常適合對石材、硬質(zhì)碳、碳纖維增強(qiáng)塑料

（CFRP）、人造板材等難加工非金屬材料的加工。如華中理工大學(xué) 1990 年實現(xiàn)了用 PCD 刀具

加工玻璃；目前強(qiáng)化復(fù)合地板及其他木基板材（如 MDF）的應(yīng)用日趨廣泛，用 PCD 刀具加工

這些材料可有效避免刀具易磨損等缺陷。

人造金剛石滾輪[22]的研制成功推動了緩進(jìn)給磨削的發(fā)展?？荡好返?/span>[22]研究了天然金剛

石滾輪制造與修整問題。然而，就其人造金剛石滾輪的應(yīng)用范圍、使用壽命、生產(chǎn)效率而言，

它有很多不足之處。而天然金剛石滾輪是成型修整工具的發(fā)展方向，在許多方面都優(yōu)于人造

金剛石滾輪。

目前國內(nèi)外采用 3 種制造金剛石滾輪的方法，即外鍍法、粉末冶金燒結(jié)法、內(nèi)鍍法。為

了發(fā)展金剛石滾輪的科研成果和進(jìn)一步增加經(jīng)濟(jì)效益，提出研制天然金剛石滾輪課題。

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