超硬材料基礎(chǔ)知識大全

1、超硬材料根底知識大全1超硬材料：金剛石和立方氮化硼及以金剛石和立方氮化硼為主要成分的聚晶、復(fù)合片2金剛石為什么不適合加工鐵基金屬材料:由于金剛石在磨削高溫下能與Fe基金屬材料發(fā)生化學(xué)作用,金剛石中的碳與這些元素發(fā)生作用,生成碳化物,產(chǎn)生粘刀顯現(xiàn),使用壽命縮短,加工質(zhì)量下降,因此,金剛石不適合加工鋼材,包括普通鋼和各種韌性合金鋼.此類材料一般使用 cBN工具加工.3超硬材料今后的主要開展方向:單晶合成采用不同原料、不同的高溫高壓合成設(shè)備和不同工藝,合成不同的單晶產(chǎn)品單晶分選合成的單晶產(chǎn)品,根據(jù)顆粒形狀、粒度、堆積密度、雜質(zhì)含量以及強(qiáng)度、韌度、耐熱性等性能指標(biāo)的不同進(jìn)行分選,從而分為不 同的單晶晶

2、種外表鍍覆經(jīng)過分選的不同品種的單晶,利用化學(xué)鍍、電鍍、真空鍍等外表鍍覆聚晶制造利用金剛石單晶粉末或石墨粉以及適當(dāng)?shù)慕饘俜酆头墙饘俜鄣仍牧?根據(jù)適當(dāng)?shù)呐浞?采用相應(yīng)的工藝方法高壓高溫?zé)Y(jié)法 或直接生長法,制造具有不同的形狀、規(guī)格、性能和用途的聚晶薄膜生長采用在低壓條件下的各種氣相沉積生長法,制造具有特殊性能和較大尺寸的金剛石薄膜或類金剛石薄膜4人造金剛石合成根本方法:動(dòng)態(tài)高壓法、靜態(tài)高壓法、化學(xué)氣相沉積 CVD -亞穩(wěn)態(tài)生長5靜壓觸媒法:是指在金剛石熱力學(xué)穩(wěn)定的條件下,在恒定的高壓高溫和觸媒參與的條件下合成金剛石的方法.6列舉金剛石的主要優(yōu)異性能:最大硬度、最大熱導(dǎo)率、最小壓縮率、最寬透光波段

3、、耐腐蝕7金剛石結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu):電子結(jié)構(gòu)：根據(jù)雜化理論,C原子在反響時(shí),激發(fā)一個(gè)2s電子到2Pz軌道上去.一個(gè) s軌道和三個(gè)p軌道混合起來,形成四個(gè)新軌道-sp3等價(jià)雜化軌道,每個(gè)sp3雜化軌道具有1/4的s成分和3/4的p成分,形狀都相同,這四個(gè)軌道的對稱軸之間的夾角都是10928、.雜化過F邯電通留HH 量刊滁硼B(yǎng)AWm晶體結(jié)構(gòu)：在金剛石晶體中,每個(gè) C原子與相鄰的四個(gè) C原子根據(jù)等價(jià)的sp3雜化軌道形成四個(gè)共價(jià)鍵.所有價(jià)電子都參與成鍵, 卜體中沒有自由電子.金剛石晶體是典型的共價(jià)鍵晶體,具有共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)特性-方向性和飽和性.因此金剛石的硬度和熔點(diǎn)極高,而且不導(dǎo)電.8碳的P-T相

4、圖畫圖題I：石墨糕定區(qū)和金剛石亞穩(wěn)區(qū):II：金剛石穩(wěn)定區(qū)和石墨亞穩(wěn)區(qū)F ni：觸媒反響區(qū)； tv：石鱉筵區(qū)jV：金剛石穩(wěn)定區(qū)寧VI：碳的金屬相；vn；碳的瀛相.9金剛石生長的溫度梯度法描述加畫圖溫度梯度法是在高溫高壓條件下,石墨轉(zhuǎn)化為金剛石并溶于觸媒中,在一定溫度梯度驅(qū)動(dòng)下擴(kuò)散并在晶種上開始生長.即由于溫度的不同,金剛石將由高溫處的高濃度區(qū)向低溫處的低濃度區(qū)擴(kuò)散,并在低溫晶種處結(jié)晶析出.溫度梯度法的生長驅(qū)動(dòng)力過剩溶解度與軸向溫度梯度正比.?一 my 之一10金剛石的晶形與生長區(qū)域的關(guān)系圖【區(qū)；低溫區(qū) II區(qū);中溫區(qū) III區(qū):高溫區(qū)11靜壓觸媒法合成金剛石靜壓觸媒法合成金剛石用的原材料,主要包

5、括以下三種：作為碳源的石墨；作為觸媒的過渡金屬及其合金；作為傳壓和密封介質(zhì)的葉臘石.材料選擇原那么：石墨材料的選擇原那么：1較高石墨化度90%左右；2較高密度,有一定氣孔率,且氣孔分布均勻28%左右；3純度高,有害雜質(zhì)盡可能消除.灰分在 0.02%以下.觸媒材料的選擇原那么：Fe、Ni、Mn、Co、Cr等元素及其合金,是合成金剛石最根本、最有效的觸媒.其中添加B、Cu、Zn、Nb等元素,可賦予金剛石以特殊性能,如半導(dǎo)體特性；添加B、Ti那么得藍(lán)色金剛石, 耐熱性高；添加少量V、W有利于顆粒長大.另外希望本錢低, 易加工成型.國內(nèi)曾經(jīng)使用的觸媒有：Ni70Mn25Co5 , Ni40Mn30Fe

6、30 等,目前,最常用的觸媒為 FeXNi1-X ,同時(shí)添加少量其他元素.12三除法金剛石提純：除金屬、除石墨、除葉臘石13超硬材料化學(xué)鍍：化學(xué)鍍是指借助于適宜的復(fù)原劑使溶劑中的金屬離子被復(fù)原為金屬狀態(tài),并沉積在基體外表上的一種鍍覆金屬的方法.14電鍍定義是在電流作用下的氧化復(fù)原過程.電鍍的根本過程是,保持一定的pH值、溫度等條件,在直流電作用下,陽極發(fā)生氧化反響,金屬銅失去電子,成為銅離子進(jìn)入溶液；同時(shí),陰極發(fā)生復(fù)原反響,銅離子在陰極上得到電子,復(fù)原為金屬銅.15金剛石微粉的定義:根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T7991-1997的規(guī)定,粒度等于或細(xì)于54 n m的金剛石粉,稱為金剛石微粉.16金

7、剛石微粉的主要應(yīng)用:直接被使用或制成研磨膏作為制造大顆粒聚晶的原料將微粉鍍在某些工件外表上以增加其耐磨性微粉有時(shí)也可用于制造研磨用的電鍍磨具.17金剛石聚晶及人造金剛石聚晶的三種方法:金剛石聚晶(PCD):是泛指由許多細(xì)晶粒(0.1100 u m)金剛石在高溫高壓下聚結(jié)而成的一類超硬材料產(chǎn)品.人造金剛石聚晶根據(jù)燒結(jié)機(jī)理分為3個(gè)類型：燒結(jié)型(S-型)(聚晶是以金剛石細(xì)粉為原料,在有添加劑或無添加劑和高溫高壓條件下,使之燒結(jié)而成的塊狀聚結(jié)體,其結(jié)構(gòu)與 卡布那多相似,晶粒排列無序、無方向性、無解理面.)生長型(G-型)(聚晶是以石墨為原料,在觸媒參與和高溫高壓條件下,使之轉(zhuǎn)變成多晶金剛石.由于在合成

8、過程中伴有成核、生 長過程,故稱之為生長型.)生長-燒結(jié)型(G-S)(聚晶是以金剛石和石墨為原料,在觸媒的參與和超高溫高壓條件下,石墨(包括局部逆轉(zhuǎn)化的石墨)向金剛 石轉(zhuǎn)化過程之中,與原有金剛石交互生長在一起,這種結(jié)合方式的多晶體,稱之為生長-燒結(jié)型聚晶.)18膜生長法在磨料級金剛石的生長過程中,由于在金剛石晶體外側(cè)包有一層薄薄的(100 um)金屬膜(介于金屬兩側(cè)的分別是石墨和金剛石)通常也將磨料級金剛石生長方法稱之為膜生長法(FGM) o19合成金剛石對反響容器的要求:傳壓性能良好；(2)密封性能良好；(3)絕緣性能良好；(4)隔熱性能良好；(5)熱穩(wěn)定性好；(6)化學(xué)穩(wěn)定性好；(7)機(jī)械

9、加工性能良好20六面頂壓機(jī)國產(chǎn)六面頂壓機(jī)合成金剛石的合成棒中壓力和溫度的分布規(guī)律合成棒中溫度分布規(guī)律：沿軸線方向,兩端溫度低于中間；沿直徑方向,外圍溫度低于內(nèi)部.合成棒的中央部位溫度最高.軸向和徑向均存在溫度梯度.溫 度梯度的數(shù)值可能到達(dá) 1525 C /mm .合成棒中壓力分布規(guī)律：沿軸線方向,兩端壓力高,中間壓力低；沿直徑方向,外圍壓力高,內(nèi)部壓力低.合成棒的中央部位壓力最低.軸向和徑向均存在 壓力梯度.壓力梯度可達(dá)0.10.2MPa .21粉碎法人造金剛石微粉絕大局部 (90%以上)是以靜壓觸媒法制造的粗粒度金剛石為原料,經(jīng)過球磨破碎、粉碎等工序加工而成.是國內(nèi)外 普遍采用的微粉生產(chǎn)方法

10、,可稱為靜壓合成-球磨粉碎法,簡稱粉碎法.22超硬材料的用處(1)磨具金剛石磨具主要用于以下材料的研磨、拋光或切割：硬質(zhì)合金、陶瓷及耐火材料、玻璃、石墨、寶石、有色金屬材料及非金屬材料 等.CBN磨具主要用作各種高速鋼、軸承鋼、鑄鐵、不銹鋼、耐磨涂層、高溫合金等難磨材料的磨加工和拋光.(2)刀具(包括薄膜涂層刀具).金剛石刀具主要用于各種非金屬材料及有色金屬材料的車、銃、鏈、鉆等工序,如玻璃鋼、硬塑料、橡膠、建筑材料、碳纖維、陶瓷、耐火材料、銅、鋁基復(fù)合材料及合金等.CBN刀具主要用于淬火鋼、冷硬鑄鐵、不銹鋼、高溫合金、耐磨涂層等材料的加工.(3)鉆具.用于地質(zhì)、石油、煤田、工程施工等的勘探和采掘.(4)鋸切工具.主要用于石材、建筑材料、陶瓷、耐火材料、電