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超硬材料基础知识大全
浏览:19743    时间:2018-12-08    来源:深圳誉和

超硬材料具有其他材料无可比拟的特殊性质,成为了工业应用领域不可替代的新材料,已经被广泛应用于冶金、石油钻探、建筑工程、机械加工、仪器仪表、电子行业、航空航天以及现代尖端科学领域,用量最大的石材工业设置离开超硬材料及其工具就极难发展。今天小誉带你看看超硬材料的相关知识。

目前由于金刚石和立方氮化硼等材料有其极高的硬度,所以统称为超硬材,具有硬度高、耐磨和热传导性能好、热膨胀系数低等优异性能。


超硬材料的分类


超硬材料则是指硬度可与金刚石相比拟的材料。目前使用的超硬材料主要是立方氮化硼与金刚石,但是还有许多超硬材料正在研发中。

金刚石是目前已知的世界上最硬的物质,立方氮化硼硬度仅次于金刚石。这两种超硬材料的硬度都远高于其它材料的硬度,包括磨具材料刚玉、碳化硅以及刀具材料硬质合金、高速钢等硬质工具材料。

因此,超硬材料适用于制造加工其它材料的工具,尤其是在加工硬质材料方面,具有无可比拟的优越性,占有不可替代的重要地位。正因如此,超硬材料在工业上获得了广泛应用。除了用来制造工具之外,超硬材料在光学、电学、热学方面具有一些特殊性能,是一种重要的功能材料,引起了人们的高度重视,这方面的性能和用途正在不断地得到研究开发。


一、金刚石为什么不适合加工铁基金属材料

由于金刚石在磨削高温下能与Fe基金属材料发生化学作用,金刚石中的碳与这些元素发生作用,生成碳化物,产生粘刀显现,使用寿命缩短,加工质量下降,因此,金刚石不适合加工钢材,包括普通钢和各种韧性合金钢。 此类材料一般使用CBN工具加工。


二、超硬材料今后的主要发展方向


(1)

单晶合成

采用不同原料、不同的高温高压合成设备和不同工艺,合成不同的单晶产品。


(2)

单晶分选

合成的单晶产品,按照颗粒形状、粒度、堆积密度、杂质含量以及强度、韧度、耐热性等性能指标的不同进行分选,从而分为不同的单晶晶种。


(3)

表面镀覆

经过分选的不同品种的单晶,利用化学镀、电镀、真空镀等表面镀覆


(4)

聚晶制造

利用金刚石单晶粉末或石墨粉以及适当的金属粉和非金属粉等原材料,按照适当的配方,采用相应的工艺方法(高压高温烧结法或直接生长法),制造具有不同的形状、规格、性能和用途的聚晶。


(5)

薄膜生长

采用在低压条件下的各种气相沉积生长法,制造具有特殊性能和较大尺寸的金刚石薄膜或类金刚石薄膜。


三、人造金刚石合成基本方法


动态高压法、静态高压法、化学气相沉积(CVD)--亚稳态生长



四、静压触媒法


是指在金刚石热力学稳定的条件下,在恒定的高压高温和触媒参与的条件下合成金刚石的方法。



五、列举金刚石的主要优异性能


最大硬度、最大热导率、最小压缩率、最宽透光波段、耐腐蚀。



六、金刚石结构的电子结构和晶体结构

(1)

电子结构

根据杂化理论,C原子在反应时,激发一个2s电子到2pz轨道上去。一个s轨道和三个p轨道混合起来,形成四个新轨道---sp3等价杂化轨道,每个sp3杂化轨道具有1/4的s成分和3/4的p成分,形状都相同,这四个轨道的对称轴之间的夹角都是109度、28度。


(2)

晶体结构

在金刚石晶体中,每个C原子与相邻的四个C原子按照等价的sp3杂化轨道形成四个共价键。所有价电子都参与成键,晶体中没有自由电子。

金刚石晶体是典型的共价键晶体,具有共价键的结构特性---方向性和饱和性。

因此金刚石的硬度和熔点极高,而且不导电。


七、碳的 P-T 相图


八、金刚石生长的温度梯度法

温度梯度法是在高温高压条件下,石墨转化为金刚石并溶于触媒中,在一定温度梯度驱动下扩散并在晶种上开始生长。即由于温度的不同,金刚石将由高温处的高浓度区向低温处的低浓度区扩散,并在低温晶种处结晶析出。温度梯度法的生长驱动力(过剩溶解度)与轴向温度梯度正比。


九、金刚石的晶形与生长区域的关系图


十、静压触媒法合成金刚石

静压触媒法合成金刚石用的原材料,主要包括以下三种:作为碳源的石墨;作为触媒的过渡金属及其合金;作为传压和密封介质的叶腊石。

石墨材料的选择原则:

(1) 较高石墨化度(90%左右);

(2) 较高密度,有一定气孔率,且气孔分布均匀(28%左右) ;

(3) 纯度高,有害杂质尽可能消除。灰分在0.02%以下。

触媒材料的选择原则:Fe 、Ni、Mn、Co、Cr等元素及其合金,是合成金刚石最基本、最有效的触媒。其中添加B、Cu、Zn、Nb等元素,可赋予金刚石以特殊性能,如半导体特性;添加B、Ti则得蓝色金刚石,耐热性高;添加少量V、W有利于颗粒长大。另外希望成本低,易加工成型。

国内曾经使用的触媒有:Ni70Mn25Co5,Ni40Mn30Fe30等,目前,最常用的触媒为FeXNi1-X,同时添加少量其他元素。


十一、三除法金刚石提纯


除金属、除石墨、除叶腊石



十二、超硬材料化学镀

化学镀是指借助于合适的还原剂使溶剂中的金属离子被还原为金属状态,并沉积在基体表面上的一种镀覆金属的方法。


十三、电镀定义

是在电流作用下的氧化还原过程。电镀的基本过程是,保持一定的pH值、温度等条件,在直流电作用下,阳极发生氧化反应,金属铜失去电子,成为铜离子进入溶液;同时,阴极发生还原反应,铜离子在阴极上得到电子,还原为金属铜。


十四、金刚石微粉的定义

按照现行国家标准GB/T7991-1997的规定,粒度等于或细于54μm的金刚石粉,称为金刚石微粉。


十五、金刚石微粉的主要应用

⑴ 直接被使用或制成研磨膏

⑵ 作为制造大颗粒聚晶的原料

⑶ 将微粉镀在某些工件表面上以增加其耐磨性

⑷ 微粉有时也可用于制造研磨用的电镀磨具。


十六、金刚石聚晶及人造金刚石聚晶的三种方法

金刚石聚晶(PCD):是泛指由许多细晶粒(0.1~100μm)金刚石在高温高压下聚结而成的一类超硬材料产品。


人造金刚石聚晶按照烧结机理分为3个类型:

烧结型(S-型)(聚晶是以金刚石细粉为原料,在有添加剂或无添加剂和高温高压条件下,使之烧结而成的块状聚结体,其结构与卡布那多相似,晶粒排列无序、无方向性、无解理面。)

生长型(G-型)(聚晶是以石墨为原料,在触媒参与和高温高压条件下,使之转变成多晶金刚石。因为在合成过程中伴有成核、生长过程,故称之为生长型。)

生长-烧结型(G-S)(聚晶是以金刚石和石墨为原料,在触媒的参与和超高温高压条件下,石墨(包括部分逆转化的石墨)向金刚石转化过程之中,与原有金刚石交互生长在一起,这种结合方式的多晶体,称之为生长-烧结型聚晶。)


十七、膜生长法

在磨料级金刚石的生长过程中,由于在金刚石晶体外侧包有一层薄薄的(~100μm)金属膜(介于金属两侧的分别是石墨和金刚石),通常也将磨料级金刚石生长方法称之为膜生长法(FGM)。


十八、合成金刚石对反应容器的要求

(1) 传压性能良好

(2) 密封性能良好

(3) 绝缘性能良好

(4) 隔热性能良好

(5) 热稳定性好

(6) 化学稳定性好

(7) 机械加工性能良好


十九、六面顶压机

国产六面顶压机合成金刚石的合成棒中压力和温度的分布规律

合成棒中温度分布规律:

沿轴线方向,两端温度低于中间;沿直径方向,外围温度低于内部。合成棒的中心部位温度最高。轴向和径向均存在温度梯度。温度梯度的数值可能达到15~25℃/mm。

合成棒中压力分布规律:

沿轴线方向,两端压力高,中间压力低;沿直径方向,外围压力高,内部压力低。合成棒的中心部位压力最低。轴向和径向均存在压力梯度。压力梯度可达0.1~0.2MPa。


二十、粉碎法

人造金刚石微粉绝大部分(90%以上)是以静压触媒法制造的粗粒度金刚石为原料,经过球磨破碎、粉碎等工序加工而成。是国内外普遍采用的微粉生产方法,可称为静压合成-球磨粉碎法,简称粉碎法。


二十一、超硬材料的用处


(1)

磨具

金刚石磨具主要用于下列材料的研磨、抛光或切割:硬质合金、陶瓷及耐火材料、玻璃、石墨、宝石、有色金属材料及非金属材料等。

CBN磨具主要用作各种高速钢、轴承钢、铸铁、不锈钢、耐磨涂层、高温合金等难磨材料的磨加工和抛光。



(2)

刀具(包括薄膜涂层刀具)

金刚石刀具主要用于各种非金属材料及有色金属材料的车、铣、镗、钻等工序,如玻璃钢、硬塑料、橡胶、建筑材料、碳纤维、陶瓷、耐火材料、铜、铝基复合材料及合金等。

CBN刀具主要用于淬火钢、冷硬铸铁、不锈钢、高温合金、耐磨涂层等材料的加工。



(3)

钻具

用于地质、石油、煤田、工程施工等的勘探和采掘。


(4)

锯切工具

主要用于石材、建筑材料、陶瓷、耐火材料、电碳制品、半导体、宝石、木材等的切割;也用于马路、机场跑道、建筑构件的切槽和切断。


(5)

拉拔工具

用于拉拔下列金属材料的丝材及线材,钨、钼、铜、铝、不锈钢、镀锌钢、钢以及合金等。


(6)

修整工具

用于普通磨具的成型修整、整形、修锐等。


(7)

其它工具

用于硬质合金模具、量具刃具加工的手工工具,还有玻璃刀、医用工具、压砧及压头等。




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