人造多晶超硬材料概述 李启泉

我们知道，无论是金刚石还是立方氮化硼，它们都是粉体单晶材料，粉体材料作为终极材料的应用其局限性太多，必须开拓多晶材料或者其他制品才能较好地被工业所应用。 人造多晶超硬材料就是将人造金刚石或者立方氮化硼单晶制备成多晶人造金刚石或者立方氮化硼。 本节以金刚石为例来讲授多晶超硬材料，主要介绍多晶金刚石或者称为金刚石聚晶的概念、分类、特性及应用领域几个方面。

概 念 金刚石聚晶(Polycrystalline Diamond，简称PCD)，是泛指由许多细晶粒(0.1~100µm)金刚石聚结而成的一类超硬材料产品。 在自然界中存在的天然PCD有卡布那多(Carbonado )及巴拉斯(Ballas)两种，天然的卡布那多是一种由许多细粒金刚石聚结成的块状PCD，天然的巴拉斯其外形似球，坚硬的外壳由辐射状金刚石所构成。它们除具有高硬度、高耐磨性外，还具有高韧性、无方向性、无解理面等特点。 因为天然PCD自然界中储量甚少而应用广泛，满足不了人们的需求，因此自从人造金刚石问世以来，20世纪50年代起人们就试图在超高温高压条件下，能制造出其性能及结构与天然卡布那多及巴拉斯相似的PCD。如在20世纪70年代美国GE公司推出Compax产品，是一种带硬质合金衬底的多晶金刚石复合体，De Beers公司推出的Syndite产品也属于同类型商品， 中国首先推出的JRS产品，是整体式的柱状聚晶。

人造聚晶的特性 人造聚晶具有以下四个方面的特性： (1)多晶体内部晶粒呈无序排列、无解理面、硬度均匀、无方向性； (2)多晶体具有高硬度、高耐磨性及较高的强度，特别是抗冲击性； (3)可以直接合成或加工成特定形状； (4)可以设计或预测产品的性能，赋予产品必要的特点，从而适应它的特定用途。

人造超硬材料聚晶的品种类型 金刚石聚晶是超硬材料发展中较为活跃的领域，为了满足不同需求而发展了很多品种。下面着重介绍中国、GE公司和De Beers公司的几种产品。

中国产品 (1)根据我国行业标准（JB/T 10041-1999）标准，金刚石或立方氮化硼与硬质合金复合片的品种有： ①金刚石与硬质合金复合片：代号PCD-C(金刚石颗粒尺寸范围5~40µm)，主要用于有色金属、非金属等切削加工；代号PDC-D(金刚石颗粒尺寸范围5~100 µm)，主要用于石油、地质钻头等； ②立方氮化硼与硬质合金复合片代号PCBN-C(立方氮化硼尺寸范围5~40µm)，主要用于淬火钢、冷硬铸铁等切削加工。 复合片基本形状有圆形(R)、半圆形(RL) 、扇形(RT) 、三角形(T)、长条形(L)等。 (2)人造金刚石整体烧结体的品种有：JRS型，包括圆柱状平头聚晶，圆柱状尖头聚晶其他形状的聚晶

GE公司产品 主要产品有带硬质合金衬底的各种不同规格的金刚石复合片，如Compax金刚石刀具头、Compax金刚石修整工具、Compax金刚石拉丝模芯、Stracap金刚石钻探用工具等。

De Beers公司产品 主要产品有带硬质合金衬底的各种不同规格的金刚石复合片，如Syndril金刚石岩石钻探工具、Syndite金刚石切削工具、Syndie金刚石拉丝模，热稳定性的聚晶金刚石Syndax等

金刚石聚晶的用途 人造金刚石聚晶投产20多年来，已在下列工业领域开发应用并取得优异成效。以下七个方面的应用具有代表性： 1.切削工具 PCD首先被成功地用于制造各种刀具，包括车刀、铣刀和镗刀等，用来加工铜、铝等非铁金属及其合金、硬质合金以及碳、石墨、塑料、橡胶、陶瓷、玻璃钢等非金属材料。目前用途较广泛地是用PCD刀具加工极其耐磨的过共晶硅铝合金汽缸活塞，切削时切削速度最高达7000 m/min，刀具的耐用度为硬质合金的100倍或天然金刚石的2~5倍，并能断续切削加工；另外用PCD车刀车削加工钛合金(Ti-6Al-4V)时，PCD刀具的耐用度为硬质合金刀具的1850倍。

2.拉丝模 PCD拉丝模的应用始于1974年。由于PCD是多晶结构，磨损无方向性，加上晶粒间存在间隙或晶粒间有粘结物相被磨损后出现的间隙。这些间隙在拉丝过程中正好为储存润滑油创造了良好条件，致使拉丝模的使用寿命比天然单晶金刚石模的使用寿命高。为硬质合金模的数百倍。 3.修整工具 常用于制作修块、修整笔等，用PCD替代天然金刚石作为砂轮的修整工具，使用寿命与天然单晶金刚石修整工具大致相当。

4.石油地质钻头 PCD地质取芯钻头的开发试验始于1969年，于1972年成功地用于地质钻头、扩孔器及钻头的保径。 由 PCD制成的地质钻探用的扩孔器，在砂岩中钻进，使用寿命为天然金刚石的4倍。 PCD石油钻头的开发试验始于1974年，尤其是当前资源的开发已进入地壳深层或者深海钻进都要用到金刚石聚晶。 5.麻花钻头 进入20世纪80年代后，PCD的开发应用扩展到钻孔工序。一种是麻花钻，钻头刃口镶装有屋顶式或山墙式的夹心PCD，用在石材、混凝土等非金属材料或合金上钻孔；另一种镶有PCD头的圆珠笔式简易结构的钻头，用于印刷电路板的钻孔。印刷电路板是用多层石英-聚酰乙酰胺或碳纤维-聚酰乙酰胺制成的，要在高密度的印刷电路板上钻上万个孔，由于一般钻头磨损快，寿命短，不能保证精度，因此，只有PCD钻头才能完成，现已在电子工业中得到普遍应用。

6.木材加工工具 20世纪70年代末，PCD刀具的用途扩展到木材领域。由于合成木材多是用木材碎屑加上树脂或无机胶和矿物材料合成的，它很耐磨，另外合成的碎纸胶合板、塑料贴面板都有一定磨蚀性，因此用合金钢或硬质合金刀具加工十分困难，加之木材工业中的加工自动线及数控机床日益增多，都迫切需要一种耐磨性高、生产效率高的刀具。PCD刀具的出现，不仅可以代替硬质合金刀具.，还可以使切削速度提高到2000~3000m/min，切深可达15mm，刀具寿命延长数百倍，从而提高生产效率，降低成本，同时又改善了加工质量。

7.耐磨器件 由于PCD具有极高的耐磨性和低的摩擦系数，可以用作耐磨器件，如精密轴承和精密导轨的镶衬耐磨层，量具的测爪和测头，印刷工业中的摩擦送纸轮，纺织工业中的导轮，各种模具、喷嘴和挤头等。总之，对器件的摩擦部分或接触面要求高寿命、高精度的场合都可以使用PCD。

在以上应用中，作为金属切削工具的PCD，我国全部依赖进口，不能自己制造。主要是材料的均一性达不到要求，其深层次的原因，大家课后思考一下。 同学们，本节课就讲到这里，下课。