1、概 述
人造金刚石和立方氮化硼（CBN）统称超硬材料。1963年郑州磨料磨具磨削研究地点兄弟院所的通力协作下，研制成功我国第一颗人造金刚石，1966年完成中心实验并投入批量出产，昔时出产人造金刚石10000克拉。同年，该所又研制成功我国第一颗立方氮化硼（CBN）。从此我国具有了批量出产超硬材料的能力。
我国超硬材料从降生到八十年月末，产量增添迟缓，履历了一个从无到有，不竭完美出产工艺和慢慢提高产物质量的阶段。八十年月末，跟着中国石材加工业需求的急剧增加，超硬材料进入了高速成长阶段，1997年年产量到达5亿克拉摆布，已跃居世界超硬材料出产年夜国之首。
金刚石是世界上已知的最硬物资，并具有高导热性、高绝缘性、高化学不变性、高温半导体特征等多种良好机能，可用在高效优良加工铝、铜等有色金属，不凡合适在加工硬脆非金属材料。立方氮化硼是硬度仅次在金刚石的超硬材料，具有高硬度、高热不变性、高化学不变性等优良机能，不凡合适在加工硬、韧、难加工的金属材料。金刚石和立方氮化硼还具有杰出的红外透过性和较宽的禁带宽度，最近几年来已作为功能材料建造透明窗口、高温半导体等高手艺产物，普遍用在电子、航天等尖端工业范畴。
超硬材料除少部门直接用在研磨、抛光、涂层等工艺外，绝年夜部门制成各类东西用在分歧的工业范畴（见表1）。
表1 超硬材料成品的种类和利用范畴
1．人造金刚石
我国第一小我造金刚石和其成品的专业出产厂——第六砂轮厂在1969年投产，标记着我国人造金刚石进入了工业化出产阶段。1970年我国人造金刚石产量为46万克拉，1980年产量到达450万克拉，10年间增加了近10倍；1990年产量为3500万克拉，比1980年又增加了约8倍。进入九十年月后，我国金刚石出产进入了迅猛成长期间（见图1）。这类成长势头首要受石材加工行业蓬勃成长的带动，另外，钻探和切削用PCD复合片和磨削用金刚石砂轮的年夜量利用也起到了较年夜鞭策感化。我国1990～1997年间人造金刚石产量增添了14倍，成为世界人造金刚石出产年夜国，也鞭策了石材、玻璃、耐火材料、地质钻探等行业的成长，为中国经济扶植作出了主要进献。
图1 1980～1997年我国金刚石产量增加曲线图
我国人造金刚石产量虽居世界首位，但产物质量与发财国度还存在较年夜差距，首要表示为产物的冲击强度和高温冲击强度较低，杂质、缺点较多，可以或许用在制造锯片的高强度金刚石仅占产物总量的20％摆布，而RVD、MBD级产物约占80％。
2．立方氮化硼
立方氮化硼（CBN）具有高硬度、高耐磨性、高热传导率和耐热性、低磨擦系数等良好的物理、化学和机械机能，不凡合适用在铁族金属材料的加工，是提高出产率和加工质量的良好材料，在工业发财国度已获得普遍利用。我国的CBN产物降生至今已32年，但在1966年至1989年的20多年间成长比力迟缓。进入九十年月后，我国汽车、摩托车工业的高速成长为CBN的成长供给了壮大动力，产量年夜幅度增添（见图2）。
图2 我国CBN产量增加示意图
从1990年至今，我国CBN产量的年平均增加率为25％，年夜年夜跨越了发财国度CBN年耗用量15％的增加率，但在利用范畴和利用程度上与发财国度差距很年夜，首要表示为磨具制造工艺和设备不完美，磨具质量和机能不不变，专用磨床和磨削工艺不配套等。
3．金刚石薄膜
金刚石薄膜是用化学气相沉积（CVD）法或其它方式在非金刚石衬底上制备出的超硬薄膜。它不但可用在建造各类金刚石美金具，还可作为功能材料用在建造声传感器、扬声器振动膜、红外窗口、X光检测窗口等，利用范畴十分普遍。国际上从七十年月初最先进行金刚石薄膜的试制并敏捷掀起金刚石薄膜研究开辟高潮。我国从八十年月中期最先此项研究，并已列入国度“863打算”，现已能制备出80mm、厚2mm的金刚石薄膜，并在利用研究方面获得了很多功效，但今朝整体上仍处在研制阶段，还没有到达工业化利用阶段。有人估计，金刚石薄膜将是21世纪金刚石匠业的首要材料，列国科学家都在为使金刚石薄膜财产化而不懈尽力。
3、超硬材料成品在机械加工中的利用
1．金刚石成品的利用
金刚石磨料和其成品首要用在加工非铁族金属的各类难加工材料，如石材、玻璃、水泥成品、耐火材料、陶瓷、木材和硬质合金、硅铁合金等。我国金刚石磨料和其成品在各范畴的利用比例见图3。
图3 我国金刚石成品在各范畴的利用比例
金刚石成品在机械加工范畴的利用量只占10％，首要用在车削加工和磨削加工。金刚石美金具有车美金、铣美金、镗美金等品种，80％以上用在汽车和摩托车行业，其它则用在家用电器、燃气、通俗机械等范畴。
（1）金刚石美金具
金刚石美金具在汽车和摩托车行业中首要用在加工策动机活塞的裙部、销孔、汽缸体、变速箱、化油器等。因为这些部件材料含硅量较高（10％以上），而且年夜多采取流水线体例多量量出产，对美金具的利用寿命要求较高，硬质合金美金具难以胜任，而金刚石美金具的耐费用是硬质合金美金具的10～50倍，可包管零件的尺寸不变性，并可年夜年夜提高切削速度、加工效力和工件的概况质量。表2、表3别离为金刚石镗美金和金刚石铣美金与硬质合金美金具的现实利用结果比力。
表2 金刚石镗美金的利用结果
50／1（2）金刚石磨具
金刚石磨具首要指砂轮、油石、精磨片、珩磨条、磨盘、磨辊、磨轮等产物。下面首要介绍金刚石砂轮的利用环境。
金刚石砂轮是七十年月初最先研制和利用的，首要用在非铁族金属材料的加工。按连系剂剂型辨别，金刚石砂轮品种首要可分为：树脂连系剂、陶瓷连系剂、金属连系剂和电镀成型。此中，树脂砂轮的利用规模较广，其利用比例见表4。
表4 树脂金刚石砂轮的用处
2金刚石砂轮可用在加工在机械行业中利用量年夜、利用面广的各类硬质合金美金具，不凡是对一些外型复杂、精度要求很高的美金具，采取金刚石砂轮加工更能显示其优胜性。金刚石砂轮用在磨加工磁芯时与通俗砂轮的利用结果对照见表5。
表5 金刚石砂轮与通俗砂轮利用结果对照
（3）金刚石滚轮
通俗磨具在机械加工中利用量很年夜，各类新型磨具和进步前辈磨削工艺的利用对磨具修整手艺提出了更高要求。金刚石滚轮是一种高效成型修整东西，用在修整砂轮时具有用率高、修整时候短、成型能力强、修整型面精度不变等长处，在正常环境下一个金刚石滚轮可进行数万次砂轮修整。不凡是在型面复杂、精度要求高的零件批量出产中，采取金刚石滚轮对磨具进行修整结果更加显著。
2．立方氮化硼成品的利用
立方氮化硼（CBN）砂轮、美金具、油石、珩磨条等成品已在东西、汽车、轴承、机床、航天、等行业中获得了分歧水平的利用，且利用范畴正不竭扩年夜。CBN成品在各行业中的利用比例见图4。
图4 CBN成品在各行业中的利用比例
（1）CBN磨具
CBN磨具具有硬度高、磨削能力强、加工精度高、利用寿命长、修整频次少、出产效力高、有益在出产主动化等长处，被誉为“半永远性磨具”。我国CBN磨具的研究开辟始在七十年月中期，经由过程对丝锥、滚珠丝杠、机床导轨、转子槽、轴承内概况、齿轮、策动机缸套、凸轮轴、曲轴、油泵油嘴和其它难加工材料的磨削加工进行年夜量实验研究工作，获得了较好的利用结果。今朝，我国CBN磨具品种规格已构成系列，CBN砂轮最年夜直径可达750mm（正在研制1100mm 砂轮），最高利用线速度可达80m／s。某些产物的利用ayx����Ϸȫվ机能已接近乃至跨越国外同类产物程度。例如，陶瓷连系剂CBN砂轮在磨加工喷油嘴针阀体的利用中即充实表现了上述长处，采取各类分歧砂轮的加工结果比力见表6（被加工零件材料为18CrNi8，淬火硬度58～63HRC）。
表6 针阀体磨加工结果
4800～7000又如，用陶瓷连系剂CBN砂轮粗磨汽车冷激铸铁凸轮轴（砂轮直径600mm，利用速度65m／s），与刚玉砂轮比拟，耐费用提高100倍以上，寿命提高40倍；砂轮和修整东西的直接费用下降15％，出产效力提高10％，削减了辅助工时，下降了劳动强度，提高了加工质量。
（2）CBN美金具
CBN美金具的最年夜特点是可以车削硬度年夜在45HRC的淬火钢零件。因为CBN与铁族金属不发生亲和力，可用在轴承钢（60～62HRC）、东西钢（57～60HRC）、高速钢（＞62HRC）等材料的切削加工，可实现以车代磨，年夜幅度提高加工效力。CBN美金具的另外一特点是耐高温，在1000℃时的硬度与硬质合金在常温下的硬度相当，其它机能也很不变。下面罗列几个CBN美金具车削加工实例。
①加工水泵辐板 辐板材质为Cr15MoV2，硬度60～62．5HRC，工件直径910～1020mm，中间环300／370mm，每把CBN车美金能加工2～3块辐板，而用硬质合金车美金加工，一块辐板即需3把美金具。CBN车美金的利用寿命约为硬质合金车美金的10倍。
②加工炼钢炉进料斗外壳密封段 工件直径为1000～1200mm，材料为G50Mn2，硬度＞55HRC，原用YS2T硬质合金车美金加工需1～1．5小时，采取CBN车美金加工则只需7～8分钟便可完成，年夜年夜提高了工作效力，且加工概况粗拙度到达Ra1．6μm以下。
③加工轧辊 某厂革新中板旧轧辊，轧辊尺寸为300×3400mm，概况硬度为47～50HRC，车加工余量为7mm，单件重量2吨，共需加工6件。原拟用硬质合金车美金加工，但需运到外厂回火后才能车削加工，来回搬运费用很高。采取CBN车美金则可实此刻本厂当场加工，一把CBN车美金便可加工一根轧辊，既省时又省力，节流了年夜量费用。
4、结 语
我国超硬材料的科研和出产成长迅猛，超硬材料在机械加工中的利用也获得了杰出结果，利用前景十分广漠。今朝存在的首要问题是产物质量有待提高，推行利用工作力度不敷。此后，一方面应加年夜对超硬材料的宣扬和推行利用力度；另外一方面要增强研究开辟工作，提崇高高贵硬材料质量，增添成品种类，增强售后办事，尽快缩小与发财国度的差距，充实阐扬超硬材料在机械加工中的主要感化。
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