摘　要：介紹了我國(guó)超硬材料的發(fā)展及在機(jī)械加工中的應(yīng)用情況。說明了人造金剛石、立方氮化硼的性能特點(diǎn)、適用范圍及應(yīng)用于機(jī)械加工的實(shí)例，指出了進(jìn)一步加強(qiáng)超硬材料制品研究開發(fā)及推廣應(yīng)用的重要性。
　　
　　關(guān)鍵詞：超硬材料　人造金剛石　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
　　
　　人造金剛石和立方氮化硼（CBN）統(tǒng)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(xié)作下，研制成功我國(guó)第一顆人造金剛石，1966年完成中間試驗(yàn)并投入批量生產(chǎn)，當(dāng)年生產(chǎn)人造金剛石10000克拉。同年，該所又研制成功我國(guó)第一顆立方氮化硼（CBN）。從此我國(guó)具有了批量生產(chǎn)超硬材料的能力。
　　我國(guó)超硬材料從誕生到八十年代末，產(chǎn)量增加緩慢，經(jīng)歷了一個(gè)從無到有，不斷完善生產(chǎn)工藝和逐步提高產(chǎn)品質(zhì)量的階段。八十年代末，隨著中國(guó)石材加工業(yè)需求的急劇增長(zhǎng)，超硬材料進(jìn)入了高速發(fā)展階段，1997年年產(chǎn)量達(dá)到5億克拉左右，已躍居世界超硬材料生產(chǎn)大國(guó)之首。
　　金剛石是世界上已知的最硬物質(zhì)，并具有高導(dǎo)熱性、高絕緣性、高化學(xué)穩(wěn)定性、高溫半導(dǎo)體特性等多種優(yōu)良性能，可用于高效優(yōu)質(zhì)加工鋁、銅等有色金屬，特別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(wěn)定性、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，特別適合于加工硬、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(dǎo)體等高技術(shù)產(chǎn)品，廣泛用于電子、航天等尖端工業(yè)領(lǐng)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(yè)領(lǐng)域（見表1）。  

　二、我國(guó)超硬材料的發(fā)展
　　
　　1．人造金剛石
　　我國(guó)第一個(gè)人造金剛石及其制品的專業(yè)生產(chǎn)廠——第六砂輪廠于1969年投產(chǎn)，標(biāo)志著我國(guó)人造金剛石進(jìn)入了工業(yè)化生產(chǎn)階段。1970年我國(guó)人造金剛石產(chǎn)量為46萬克拉，1980年產(chǎn)量達(dá)到450萬克拉，10年間增長(zhǎng)了近10倍；1990年產(chǎn)量為3500萬克拉，比1980年又增長(zhǎng)了約8倍。進(jìn)入九十年代后，我國(guó)金剛石生產(chǎn)進(jìn)入了迅猛發(fā)展時(shí)期（見圖1）。這種發(fā)展勢(shì)頭主要受石材加工行業(yè)蓬勃發(fā)展的帶動(dòng)，此外，鉆探及切削用PCD復(fù)合片和磨削用金剛石砂輪的大量使用也起到了較大推動(dòng)作用。我國(guó)1990～1997年間人造金剛石產(chǎn)量增加了14倍，成為世界人造金剛石生產(chǎn)大國(guó)，也推動(dòng)了石材、玻璃、耐火材料、地質(zhì)鉆探等行業(yè)的發(fā)展，為中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出了重要貢獻(xiàn)。
 

　　我國(guó)人造金剛石產(chǎn)量雖居世界首位，但產(chǎn)品質(zhì)量與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在較大差距，主要表現(xiàn)為產(chǎn)品的沖擊強(qiáng)度和高溫沖擊強(qiáng)度較低，雜質(zhì)、缺陷較多，能夠用于制造鋸片的高強(qiáng)度金剛石僅占產(chǎn)品總量的20％左右，而RVD、MBD級(jí)產(chǎn)品約占80％。
　　
　　2．立方氮化硼
　　立方氮化硼（CBN）具有高硬度、高耐磨性、高熱傳導(dǎo)率及耐熱性、低摩擦系數(shù)等優(yōu)良的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，特別適合用于鐵族金屬材料的加工，是提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量的優(yōu)良材料，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)的CBN產(chǎn)品誕生至今已32年，但在1966年至1989年的20多年間發(fā)展比較緩慢。進(jìn)入九十年代后，我國(guó)汽車、摩托車工業(yè)的高速發(fā)展為CBN的發(fā)展提供了強(qiáng)大動(dòng)力，產(chǎn)量大幅度增加（見圖2）。
 

　　從1990年至今，我國(guó)CBN產(chǎn)量的年平均增長(zhǎng)率為25％，大大超過了發(fā)達(dá)國(guó)家CBN年耗用量15％的增長(zhǎng)率，但在應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用水平上與發(fā)達(dá)國(guó)家差距很大，主要表現(xiàn)為磨具制造工藝和裝備不完善，磨具質(zhì)量及性能不穩(wěn)定，專用磨床和磨削工藝不配套等。
　　
　　3．金剛石薄膜
　　金剛石薄膜是用化學(xué)氣相沉積（CVD）法或其它方法在非金剛石襯底上制備出的超硬薄膜。它不僅可用于制作各種金剛石刀具，還可作為功能材料用于制作聲傳感器、揚(yáng)聲器振動(dòng)膜、紅外窗口、X光檢測(cè)窗口等，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。國(guó)際上從七十年代初開始進(jìn)行金剛石薄膜的試制并迅速掀起金剛石薄膜研究開發(fā)熱潮。我國(guó)從八十年代中期開始此項(xiàng)研究，并已列入國(guó)家“863計(jì)劃”，現(xiàn)已能制備出80mm、厚2mm的金剛石薄膜，并在應(yīng)用研究方面取得了不少成果，但目前總體上仍處于研制階段，尚未達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用階段。有人預(yù)計(jì)，金剛石薄膜將是21世紀(jì)金剛石工業(yè)的主要材料，各國(guó)科學(xué)家都在為使金剛石薄膜產(chǎn)業(yè)化而不懈努力。
　　
　　三、超硬材料制品在機(jī)械加工中的應(yīng)用
　　
　　1．金剛石制品的應(yīng)用
　　金剛石磨料及其制品主要用于加工非鐵族金屬的各種難加工材料，如石材、玻璃、水泥制品、耐火材料、陶瓷、木材以及硬質(zhì)合金、硅鐵合金等。我國(guó)金剛石磨料及其制品在各領(lǐng)域的應(yīng)用比例見圖3。
 

　　金剛石制品在機(jī)械加工領(lǐng)域的應(yīng)用量只占10％，主要用于車削加工和磨削加工。金剛石刀具有車刀、銑刀、鏜刀等品種，80％以上用于汽車和摩托車行業(yè)，其它則用于家用電器、燃?xì)?、普通機(jī)械等領(lǐng)域。
　?。?）金剛石刀具
　　金剛石刀具在汽車和摩托車行業(yè)中主要用于加工發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的裙部、銷孔、汽缸體、變速箱、化油器等。由于這些部件材料含硅量較高（10％以上），并且大多采用流水線方式大批量生產(chǎn)，對(duì)刀具的使用壽命要求較高，硬質(zhì)合金刀具難以勝任，而金剛石刀具的耐用度是硬質(zhì)合金刀具的10～50倍，可保證零件的尺寸穩(wěn)定性，并可大大提高切削速度、加工效率和工件的表面質(zhì)量。表2、表3分別為金剛石鏜刀和金剛石銑刀與硬質(zhì)合金刀具的實(shí)際應(yīng)用效果比較。
　　
 

　　我國(guó)超硬材料的科研和生產(chǎn)發(fā)展迅猛，超硬材料在機(jī)械加工中的應(yīng)用也取得了良好效果，應(yīng)用前景十分廣闊。目前存在的主要問題是產(chǎn)品質(zhì)量有待提高，推廣應(yīng)用工作力度不夠。今后，一方面應(yīng)加大對(duì)超硬材料的宣傳和推廣應(yīng)用力度；另一方面要加強(qiáng)研究開發(fā)工作，提高超硬材料質(zhì)量，增加制品種類，加強(qiáng)售后服務(wù)，盡快縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，充分發(fā)揮超硬材料在機(jī)械加工中的重要作用。