【中國(guó)超硬材料網(wǎng)訊】11月15日，2013第六屆鄭州國(guó)際超硬材料及制品研討會(huì)在鄭州國(guó)際會(huì)展中心會(huì)議中心五樓大河廳隆重舉行，本屆研討會(huì)由中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)超硬材料分會(huì)聯(lián)合國(guó)家超硬材料及制品工程技術(shù)研究中心等多家行業(yè)機(jī)構(gòu)共同主辦。         50年來(lái)，中國(guó)超硬材料從無(wú)到有，從小到大。中國(guó)超硬材料制品緊隨行業(yè)發(fā)展潮流，抓住發(fā)展機(jī)遇，經(jīng)過(guò)多年的研究實(shí)踐，已開(kāi)發(fā)出種類(lèi)繁多的超硬材料磨削、鉆進(jìn)、鋸切、切削等工具，廣泛應(yīng)用于機(jī)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(gè)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(gè)應(yīng)用領(lǐng)域取得了從弱到強(qiáng)的全球市場(chǎng)地位。本文擬通過(guò)對(duì)我國(guó)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(guó)超硬材料制品技術(shù)發(fā)展的機(jī)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(jí)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(gè)很小的分支，若要繼續(xù)保持高速發(fā)展，需不斷擴(kuò)拓應(yīng)用領(lǐng)域及將全球作為目標(biāo)市場(chǎng)，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(guò)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)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(jì)等問(wèn)題。

        該報(bào)告設(shè)計(jì)并制作了一種全新結(jié)構(gòu)的外徑只有2.0mm的超細(xì)金剛石繩鋸，通過(guò)鋸切大理石試驗(yàn)，測(cè)定鋸切參數(shù)并分析計(jì)算。結(jié)果表明:鋸切速度與外徑8.8mm的金剛石繩鋸相當(dāng)，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(jī)械等性能，用于對(duì)材料性能要求極高的國(guó)防及工業(yè)領(lǐng)域，具有寬廣的應(yīng)用前景。本報(bào)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(guò)優(yōu)選合金觸媒成分、調(diào)整合成腔體溫度場(chǎng)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(duì)稱(chēng)性和生長(zhǎng)速度。

        該報(bào)告研究C—納米蔥無(wú)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(shí)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(dá)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(guò)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^(guò)程中起到積極作用。

        淬火鋼（45~68HRC）應(yīng)用范圍廣泛，可用于動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)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(lái)在淬火鋼的加工領(lǐng)域得到迅猛發(fā)展。本報(bào)告介紹了以淬硬鋼件車(chē)削為關(guān)注點(diǎn)的全新PCBN牌號(hào)系列，研究重點(diǎn)在于延長(zhǎng)刀具壽命、提高生產(chǎn)率，從而降低淬硬鋼件車(chē)削應(yīng)用中的零件成本。無(wú)論是在連續(xù)車(chē)削還是斷續(xù)車(chē)削應(yīng)用中，PCBN新牌號(hào)都展示出改善的抗月牙洼磨損能力及刀刃韌性。

        該報(bào)告對(duì)Ti3SiC2與亞微米金剛石混合粉末進(jìn)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(qiáng))5.5GPa，溫度600~1650℃條件下，對(duì)初始材料的高壓燒結(jié)行為進(jìn)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(guò)同時(shí)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(cè)得樣品的最高硬度HV與斷裂韌性KIC分別達(dá)到了45.SGPa和14Mpa•m1/2。

        該研究旨在開(kāi)發(fā)“細(xì)胞鏡檢芯片模仁”。首先，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)雙軸式超精微CNC工具機(jī)，再于此工具機(jī)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(duì)NAK80模具鋼進(jìn)行數(shù)組微溝加工。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，通過(guò)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(duì)NAK80模具鋼成功開(kāi)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(jìn)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(shí)間。本研究亦于開(kāi)發(fā)的工具機(jī)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(dá)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(jī)制仍容許輪刀以鉆石結(jié)構(gòu)對(duì)模具鋼的鐵原子進(jìn)行差排剪切。
        利用自主研發(fā)的二級(jí)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(cè)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(duì)合成的樣品進(jìn)行了拉曼散射、掃描電子顯微鏡分析、維氏硬度測(cè)試等表征。上述工作，為推進(jìn)BCN超硬合金材料的工業(yè)應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

        該報(bào)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(jìn)行2h高溫瑕燒。采用掃描電鏡、沖擊韌性?xún)x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(duì)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(cè)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(bào)告介紹了利用作者所在實(shí)驗(yàn)室自行發(fā)展的二級(jí)大腔體靜高壓裝置，實(shí)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(guó)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(duì)合成的樣品進(jìn)行了微區(qū)X射線衍射、掃描電子顯微鏡分析、維氏硬度測(cè)試等表征，為納米聚晶金剛石在中國(guó)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行了開(kāi)拓性的嘗試。

        該報(bào)告根據(jù)六面頂壓機(jī)高溫高壓合成特點(diǎn)，探討了用六面頂壓機(jī)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(jì)、高溫高壓燒結(jié)工藝，并分析了各關(guān)鍵技術(shù)對(duì)合成大直徑PCD復(fù)合片的影響。通過(guò)對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)研究磁控濺射鍍氮化鈦時(shí)各因素對(duì)鍍層顏色和結(jié)合力的影響，發(fā)現(xiàn)濺射時(shí)電流大小、溫度、偏壓、真空度和氮?dú)饬髁康纫蛩貙?duì)鍍層影響明顯。實(shí)驗(yàn)表明不同材料做基體時(shí)，需要的條件因素需適當(dāng)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(shí)，氮?dú)饬髁吭?sccm是最佳鍍覆條件。

        該報(bào)告通過(guò)測(cè)量不同廠家生產(chǎn)的磨粒級(jí)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(jìn)行特種金剛石微粉生產(chǎn)。對(duì)選取的磨粒級(jí)金剛石進(jìn)行了TI值測(cè)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(shì)性對(duì)應(yīng)關(guān)系。

        該報(bào)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(jì)對(duì)最終產(chǎn)品的影響，有關(guān)傳壓介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)粉在大單晶同質(zhì)外延中的應(yīng)用特點(diǎn)是本文的重點(diǎn)。

        該報(bào)告總結(jié)概括了基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算的理論基礎(chǔ)與計(jì)算方法，重點(diǎn)闡述了材料計(jì)算在超硬材料領(lǐng)域中的研究現(xiàn)狀，分類(lèi)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(jì)算結(jié)果表明，多種新型材料的硬度指標(biāo)已經(jīng)超過(guò)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(guò)詳細(xì)地介紹國(guó)內(nèi)外材料計(jì)算在超硬材料研究中的最新進(jìn)展，希望能夠?yàn)閷?lái)的進(jìn)一步計(jì)算研究，特別是具體合成制備實(shí)驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)幫助。
        該報(bào)告通過(guò)理論分析和依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣品進(jìn)行的檢驗(yàn)驗(yàn)證表明，JB/T 7990-1998標(biāo)準(zhǔn)存在的主要問(wèn)題是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的兩種檢測(cè)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(cè)方法操作麻煩。ANSI B74.20-2004標(biāo)準(zhǔn)存在的主要問(wèn)題是對(duì)于2 μm以細(xì)的微粉，規(guī)定DS等于0是錯(cuò)誤的;不允許有長(zhǎng)寬比大于2的長(zhǎng)棒狀顆粒這一規(guī)定脫離實(shí)際情況，目前的技術(shù)和工藝難以做到;對(duì)大顆粒上界規(guī)定太大，不合理。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都存在對(duì)大顆粒規(guī)定與分布寬度不相適應(yīng)的問(wèn)題。


        報(bào)告采用了四個(gè)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(guò)掃描電鏡的觀察以及磨耗比，顯微硬度和抗彎強(qiáng)度等的檢測(cè)，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(guò)X光衍射相分析得出，添加的金屬粘結(jié)劑Al會(huì)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(bào)告總結(jié)了50年來(lái)超高壓技術(shù)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)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(duì)葉臘石實(shí)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(jìn)行試驗(yàn)，討論葉臘石的流變行為對(duì)傳壓和密封的影響。


        報(bào)告以作者的親身經(jīng)歷詳細(xì)回顧了我國(guó)在立方氮化硼單晶功能特性研究方面取得的成果，從一個(gè)側(cè)面顯示了我國(guó)超硬材料發(fā)展的驕人成果。鼓勵(lì)青年人開(kāi)闊眼界，為超硬材料的全面發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

        報(bào)告對(duì)新型超硬材料AlMgB14的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，對(duì)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(qiáng)化方面的研究進(jìn)展進(jìn)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(bào)告采用高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法制備了陶瓷結(jié)合劑超細(xì)粒度金剛石砂輪，并對(duì)單晶硅片進(jìn)行了磨削性能試驗(yàn)。結(jié)果表明:在試驗(yàn)?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(duì)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(xì)粒度金剛石砂輪。

       報(bào)告根據(jù)近年來(lái)風(fēng)電葉片的發(fā)展變化，簡(jiǎn)述了其加工所需的超硬工具規(guī)格類(lèi)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(jìn)辦法。隨著國(guó)家對(duì)綠色清潔能源的不斷重視，預(yù)計(jì)超硬工具在風(fēng)電行業(yè)中的應(yīng)用將更加廣泛。