王秦生，李利紅，林 玉，趙清國，劉 杰

（1.中原工學院 ，鄭州450007；2.河南省金剛石及制品工程技術(shù)研究中心，鄭州450001）

超硬材料制品可分為加工工具、功能元件、耐磨器件等幾大類［1］.

加工工具：精密、高效、節(jié)能、降耗、綠色、先進加工工具，主要有磨削工具、鋸切工具、鉆進工具、切削刀具、修正工具、拉絲模具等.

功能元件：具有特殊的聲、光、電、熱等物理性能的功能元件.

耐磨器件：機床導軌、硬度計壓頭、制動器件、軸承、粗糙度測定儀等.

這些產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各行各業(yè)，并在國防和科研中扮演越來越重要的角色.例如，用于加工原子反應(yīng)堆的中子控制棒，加工長二捆火箭，加工導彈防流罩，用作激光器的發(fā)射窗口，用作LED光源等.

1 產(chǎn)品的發(fā)展

超硬材料工具半個多世紀的發(fā)展歷程，大體可劃分為5個階段（5次浪潮）：

1.1 第一次浪潮（20世紀60年代起）——磨具熱

磨削工具（圖1、圖2）包括：通用磨具（砂輪、砂瓦、磨石、磨頭等）；專用石材磨具（盤磨輥等）和光學玻璃磨具（精磨丸片、磨邊砂輪等）；特殊磨具（電解磨輪，柔性磨具等）.

圖1 ADI系列產(chǎn)品

超硬材料（金剛石、CBN）磨具與普通磨料（碳化硅、剛玉）相比，具有巨大的優(yōu)越性：加工精度高、加工效率高、使用壽命延長數(shù)十至數(shù)百倍.例如，用金剛石砂輪加工硬質(zhì)合金，其壽命是碳化硅砂輪的200多倍.又如，用立方氮化硼砂輪可以解決剛玉砂輪不能解決的問題——對飛機發(fā)動機的噴油嘴進行精密磨削加工，以保證其足夠長的使用壽命，從而延長飛機的遠程巡航時間.

圖2 NICOLAI系列磨具

精密加工用金剛石磨具和立方氮化硼磨具，是現(xiàn)代制造業(yè)中數(shù)控機床、自動加工線、柔性加工中心配套的必不可少的先進加工工具，在“十二五”規(guī)劃中被列入戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè).

金剛石磨具和立方氮化硼磨具越來越多地取代用普通磨料制造的碳化硅磨具和剛玉磨具.所謂A（aliumina，剛玉）→ B（borazon，立方氮化硼）、C（carborunoum，碳化硅）→D（diamond，金剛石）進展，即“A→B、C→D進展”，是世界公認的磨料磨具工業(yè)發(fā)展的路徑［2］.

1.2 第二次浪潮（20世紀70年代起）——鉆頭熱

鉆進工具（圖3）包括以下4類：

地質(zhì)鉆頭——用金剛石單晶或柱狀聚晶制造而成，用于地質(zhì)勘探取巖芯.

石油鉆頭——用聚晶復合片制成，用于打油井，進行石油開采.

工程鉆頭——又稱薄壁鉆，用于工程施工中鉆孔、打巷道等.

套料刀——在寶石、玉器、光學玻璃加工中，用于套料或掏孔.

在我國普遍開展的大規(guī)模地質(zhì)勘查工作中，金剛石鉆頭逐漸替代鋼質(zhì)鉆頭，并得到推廣應(yīng)用.金剛石鉆頭可以一次連續(xù)鉆進上千米的地層而不需要像其他鉆頭那樣多次提鉆更換鉆桿，而且可以鉆透最硬的碧玉級地層；鉆井口徑小、井斜度小，效率高，消耗動力少、勞動強度低.在全世界地質(zhì)鉆頭和石油鉆頭鉆探總量中，金剛石鉆頭工作量已經(jīng)占80%以上.

圖3 鉆頭

1.3 第三次浪潮（20世紀80年代起）——鋸片熱

鋸切工具包括金剛石圓鋸（圖4）、排鋸、繩鋸（圖5）、半導體線鋸、超薄切割片等.這是一類高效、節(jié)能、降耗、無公害的綠色新型鋸切工具.

圖4 圓鋸

圓鋸：大型（?1 000mm～?5 000mm），單鋸或組合鋸，用于解板（鋸切整塊板材）；中型（?300mm～?500mm），用 于 板 材 分 割；小 型 （?100mm～?200mm），用于現(xiàn)場施工中切割邊角料.

圖5 繩鋸

排鋸：60條以上鋸條組合成框架鋸，用于大理石解板.

采用粉末冶金和焊接方法制造的金屬結(jié)合劑金剛石圓鋸、排鋸，在20世紀70年代后得到迅速發(fā)展，隨后又開發(fā)了各種磨盤、激光焊接圓鋸和繩鋸，從而成為金剛石工具中的一個大類.這類用于加工天然和人造石材等建筑材料的工具所耗用的金剛石數(shù)量，在國內(nèi)外耗用的工業(yè)金剛石總量中上升到第一位，占50%左右.近年來，又出現(xiàn)了光伏行業(yè)加工單晶硅和多晶硅的金剛石線鋸.

1.4 第四次浪潮（20世紀90年代起）——刀具熱

超硬材料刀具（車刀、銑刀、鉸刀等）是現(xiàn)代制造業(yè)必不可少的新型刀具.

金剛石聚晶（PCD）刀具：加工對象為有色金屬（Al合金、Cu合金）、木材、塑膠.

立方氮化硼（PCBN）刀具：加工對象為硬而韌的合金鋼等難加工鋼材.

金剛石刀具和立方氮化硼刀具的出現(xiàn)，意味著刀具材料的革命性變化，解決了難以加工的硬脆材料和硬韌材料的加工問題 .

金剛石刀具具有很高的耐磨性，金剛石車刀比硬質(zhì)合金車刀壽命長上百倍.在加工汽車發(fā)動機汽缸時，利用金剛石車刀進行精車，達到很高的尺寸精度和表面粗糙度，可以收到以車代磨的顯著效果.

CBN車刀具有極低的表面粗糙度以及極高的熱硬性（1 400℃時仍保持其硬度）.這種“紅硬性”可用于高速干切削，高速切削產(chǎn)生的高溫軟化了被加工材質(zhì)，改善了材料的可加工性.該車刀在工業(yè)發(fā)達國家已廣泛用于精密數(shù)控機床、多用途機床、專用高速機床、柔性加工系統(tǒng)的自動化生產(chǎn)線.

1.5 第五次浪潮（21世紀）——整體熱

進入本世紀以來，各種超硬材料工具在我國和世界上許多發(fā)達國家得到了蓬勃發(fā)展，進入了多品種、系列化、專用化、全方位大發(fā)展的階段.

我國已成為世界超硬材料第一大國.超硬材料及制品行業(yè)被列入“十二五”規(guī)劃重點發(fā)展領(lǐng)域，并且被列入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè).

除了上述的磨具、鉆頭、鋸片、刀具等四大類工具之外，以下幾類制品也都正在蓬勃發(fā)展.

修整工具：從常規(guī)修整器（單點式、多點式的修正筆、修正快）向成型修整器（修整滾輪）的轉(zhuǎn)變，是修整工具發(fā)展的歷史性進步.復雜型面高精度滾輪，其尺寸精度達到±2μm，可實現(xiàn)超精密修正和超精密加工.

拉絲模具：人造金剛石聚晶拉絲模壽命比天然金剛石拉絲模高5倍，比硬質(zhì)合金高250倍，能夠勝任拉制特硬、特細的各種金屬絲.

其他工具：粗糙度測定儀觸頭，硬度計壓頭，牙醫(yī)磨頭，發(fā)動機氣缸珩磨油石，什錦銼，指甲銼等.

功能元件：化學氣相沉積（CVD）金剛石薄膜可以制成各種具有特殊聲光電熱性能的功能元件和器件.按照用途分為功能薄和機械膜2類.

功能類薄膜制品：熱沉元件（熱學級薄膜）、激光窗口（光學級薄膜）、介電射頻元件（電子級薄膜，圖6）等.

圖6 CVD金剛石膜射頻元件

機械類薄膜制品：薄膜刀具、薄膜修整器、耐磨器件等.

2 設(shè)備的發(fā)展

2.1 原料處理設(shè)備

自動稱料機（電子稱）代替人工稱料，應(yīng)用于自動生產(chǎn)線上；三維高效渦流混料機，提高效率10倍以上；自動制粒機的應(yīng)用，使得造粒技術(shù)得以成功推廣.

2.2 壓制成型燒結(jié)設(shè)備

自動投料機、自動冷壓機、自動燒結(jié)熱壓機、真空熱壓燒結(jié)爐、連續(xù)熱壓燒結(jié)爐等先進設(shè)備（圖7）的投入使用，為金剛石工具自動化生產(chǎn)線提供了成套裝備.鄭州金海威科技實業(yè)有限公司等單位生產(chǎn)的設(shè)備，基本滿足國內(nèi)需要，成功替代進口，而且出口到十多個國家和地區(qū).

圖7 金剛石制品專用設(shè)備

由中原工學院和鄭州金海威科技實業(yè)有限公司等單位聯(lián)合開發(fā)的規(guī)則植砂高效自動成型機，新近在國內(nèi)問世并逐漸完善，可以解決有序排列金剛石工具生產(chǎn)效率低的瓶頸問題，將會對有序排列工具新技術(shù)的推廣應(yīng)用起到巨大的促進作用.

2.3 焊接設(shè)備

自動高頻焊機得到普遍應(yīng)用；在此基礎(chǔ)上，功率2kW的激光焊機（圖8）成功應(yīng)用于焊接中型和小型規(guī)格的金剛石鋸片.?300mm以下的鋸片可以單面一次焊成；?300mm～?500mm的鋸片，由于目前激光焊機的功率不夠大，需要兩面焊接才能完成.

2.4 后處理設(shè)備

自動磨孤機、自動開刃機（圖9）、應(yīng)力檢測儀、應(yīng)力校正儀（張力調(diào)整機）等，這些金剛石工具后加工設(shè)備和產(chǎn)品質(zhì)量檢測專用儀器設(shè)備，國內(nèi)產(chǎn)品已經(jīng)成功取代進口，在全行業(yè)推廣應(yīng)用.

3 制造技術(shù)的重要進展

3.1 鐵基結(jié)合劑替代鈷基結(jié)合劑

金剛石鋸切工具中，國外廣泛使用的鈷基結(jié)合劑，燒結(jié)溫度適中，與金剛石結(jié)合強度適中，自銳性較好，性能穩(wěn)定.但我國是缺鈷的國家，國內(nèi)鈷價格昂貴.鐵基結(jié)合劑性能與鈷基結(jié)合劑類似，自銳性比鈷基結(jié)合劑稍差，性能不夠穩(wěn)定，但價格低，不足鈷基結(jié)合劑的10%.通過調(diào)整鐵基結(jié)合劑配方和燒結(jié)溫度等工藝條件來控制其性能，基本實現(xiàn)了以鐵代鈷.

3.2 有序排列金剛石工具替代無序排列金剛石工具

采用規(guī)則植砂裝置可以實現(xiàn)快速規(guī)則植砂［3］，工作效率提高5倍以上.

規(guī)則植砂的工具，可以實現(xiàn)金剛石三維有序規(guī)則排列.這種三維規(guī)則排列，根據(jù)不同要求，可以有2種狀況：其一，金剛石規(guī)則均勻排列；其二，金剛石規(guī)則非均勻排列.即金剛石在每一行或每一層中均勻排列，但在不同行或不同層中，金剛石密度可以不相等，行間距可以不相等，層間距也可以不相等.

規(guī)則排列鋸片與傳統(tǒng)的金剛石鋸片相比，實用性能顯著提高：鋸片壽命延長50%～100%，鋸切效率提高30%～50%；同時，金剛石用量減少10%～20%，成本下降約10%.

3.3 表面鍍覆耐磨料應(yīng)用于樹脂結(jié)合劑超硬材料磨具

樹脂砂輪表面未鍍金屬的磨料，在磨削時的過早脫落率為60%～70%；鍍金屬的磨料，過早脫落率下降到30%～40%甚至更低，因此耐用度顯著提高，一般可提高50%～100%，甚至提高200%.

表面鍍覆的作用，表現(xiàn)在如下4個方面：

（1）減少熱沖擊，防止樹脂結(jié)合劑熱損傷.在未鍍金屬時，金剛石把磨削產(chǎn)生的熱量直接迅速傳給樹脂，而樹脂往外傳熱很慢，因此本身容易遭受熱損傷.經(jīng)鍍金屬后，金屬鍍層導熱比金剛石慢，在砂輪高速旋轉(zhuǎn)過程中，磨削部位金剛石顆粒產(chǎn)生的熱量，必須經(jīng)過金屬鍍層，然后傳遞到結(jié)合劑，起到了一個熱量緩沖作用，使得與磨粒相接觸的樹脂能夠避免脈沖式的瞬時高溫沖擊而不被燒傷變質(zhì)，從而保持它對磨粒的把持能力.

（2）可以提高磨料的顆粒強度.對于樹脂結(jié)合劑磨具用的低強度磨料，無論金剛石或立方氮化硼，鍍覆之后，抗壓強度都有明顯提高.當增重30%時，強度提高30%～50%；當增重50%時，強度提高50%以上.

（3）可以提高磨料與結(jié)合劑的結(jié)合強度.樹脂結(jié)合劑砂輪中磨料過早脫落的原因之一，是表面光滑的磨粒與樹脂結(jié)合不牢固.當磨粒表面鍍一層金屬后，鍍層外表面粗糙、凹凸不平，與樹脂結(jié)合牢固.

（4）對磨料起隔離保護和抑止石墨化的作用.在高溫燒結(jié)和高溫磨削時，鍍層可以對金剛石起隔離保護作用，使金剛石不容易發(fā)生氧化、石墨化、溶劑化或生成碳化物.明顯的原因是包裹著金剛石的鍍層隔絕了外界的氧及其他有害雜質(zhì)［4］.

4 結(jié) 語

在我國超硬材料及制品發(fā)展過程中，相對于材料而言，制品發(fā)展滯后，材料與制品比例失調(diào).我國的超硬材料制品，大部分是中低端產(chǎn)品，高端制品與國外差距較大.因此，在國家制訂的“十二五”規(guī)劃和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中，已經(jīng)明確提出把發(fā)展制品作為主攻方向.把我國變成世界超硬材料制品強國，是當前和今后相當長一個階段的奮斗目標.

［1］王秦生.超硬材料制造［M］.北京：中國標準出版社，2002：115－119.

［2］王秦生.超硬材料及制品［M］.鄭州：鄭州大學出版社，2006：121－127.

［3］中原工學院.一種金剛石規(guī)則排列植砂裝置：中國，200820068866［P］.2008－12－03.

［4］王秦生，王小軍.金剛石表面鍍層在磨具中的作用機理［J］.金剛石與磨料磨具工程，2006（5）：5－9.