介紹了我國(guó)超硬材料的發(fā)展及在機(jī)械加工中的應(yīng)用情況。說明了人造金剛石、立方氮化硼的性能特點(diǎn)、適用范圍及應(yīng)用于機(jī)械加工的實(shí)例，指出了進(jìn)一步加強(qiáng)超硬材料制品研究開發(fā)及推廣應(yīng)用的重要性。
一、概 述
人造金剛石和立方氮化硼（CBN）統(tǒng)稱超硬材料。1963年鄭州磨料磨具磨削研究所在兄弟院所的通力協(xié)作下，研制成功我國(guó)第一顆人造金剛石，1966年完成中間試驗(yàn)并投入批量生產(chǎn)，當(dāng)年生產(chǎn)人造金剛石10000克拉。同年，該所又研制成功我國(guó)第一顆立方氮化硼（CBN）。從此我國(guó)具有了批量生產(chǎn)超硬材料的能力。
我國(guó)超硬材料從誕生到八十年代末，產(chǎn)量增加緩慢，經(jīng)歷了一個(gè)從無到有，不斷完善生產(chǎn)工藝和逐步提高產(chǎn)品質(zhì)量的階段。八十年代末，隨著中國(guó)石材加工業(yè)需求的急劇增長(zhǎng)，超硬材料進(jìn)入了高速發(fā)展階段，1997年年產(chǎn)量達(dá)到5億克拉左右，已躍居世界超硬材料生產(chǎn)大國(guó)之首。
金剛石是世界上已知的最硬物質(zhì)，并具有高導(dǎo)熱性、高絕緣性、高化學(xué)穩(wěn)定性、高溫半導(dǎo)體特性等多種優(yōu)良性能，可用于高效優(yōu)質(zhì)加工鋁、銅等有色金屬，非凡適合于加工硬脆非金屬材料。立方氮化硼是硬度僅次于金剛石的超硬材料，具有高硬度、高熱穩(wěn)定性、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，非凡適合于加工硬、韌、難加工的金屬材料。金剛石和立方氮化硼還具有良好的紅外透過性和較寬的禁帶寬度，近年來已作為功能材料制作透明窗口、高溫半導(dǎo)體等高技術(shù)產(chǎn)品，廣泛用于電子、航天等尖端工業(yè)領(lǐng)域。
超硬材料除少部分直接用于研磨、拋光、涂層等工藝外，絕大部分制成各種工具用于不同的工業(yè)領(lǐng)域（見表1）。
表1 超硬材料制品的種類及應(yīng)用領(lǐng)域
| 產(chǎn)品種類 |
鋸片 |
砂輪 |
刀具 |
燒結(jié)體 |
薄壁鉆 |
電鍍制品 |
珩磨條精
磨片油石 |
磨盤磨
輥磨輪 |
滾輪 |
| 應(yīng)
用
領(lǐng)
域 |
石材 |
機(jī)械 |
汽車 |
拉絲 |
建材 |
石材 |
機(jī)械 |
石材 |
普通砂輪 |
| 建材 |
汽車 |
摩托車 |
機(jī)械 |
建筑 |
機(jī)械 |
電子 |
建材 |
超硬砂輪 |
| 建筑 |
摩托車 |
機(jī)床 |
石油 |
裝修 |
寶石加工 |
工量具 |
玻璃 |
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| 裝修 |
硬質(zhì)合金 |
軸承 |
地質(zhì) |
公路 |
半導(dǎo)體材料 |
玻璃 |
耐火材料 |
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| 玻璃 |
玻璃 |
工具 |
煤炭 |
機(jī)場(chǎng) |
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油泵油嘴 |
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| 陶瓷 |
木材 |
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木材 |
石材 |
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| 耐火材料 |
石材 |
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水泥制品 |
耐火材料 |
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| 公路 |
復(fù)合片 |
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工程 |
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| 機(jī)場(chǎng) |
家電 |
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雕刻 |
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| 雕刻 |
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二、我國(guó)超硬材料的發(fā)展
1．人造金剛石
我國(guó)第一個(gè)人造金剛石及其制品的專業(yè)生產(chǎn)廠——第六砂輪廠于1969年投產(chǎn)，標(biāo)志著我國(guó)人造金剛石進(jìn)入了工業(yè)化生產(chǎn)階段。1970年我國(guó)人造金剛石產(chǎn)量為46萬克拉，1980年產(chǎn)量達(dá)到450萬克拉，10年間增長(zhǎng)了近10倍；1990年產(chǎn)量為3500萬克拉，比1980年又增長(zhǎng)了約8倍。進(jìn)入九十年代后，我國(guó)金剛石生產(chǎn)進(jìn)入了迅猛發(fā)展時(shí)期（見圖1）。這種發(fā)展勢(shì)頭主要受石材加工行業(yè)蓬勃發(fā)展的帶動(dòng)，此外，鉆探及切削用PCD復(fù)合片和磨削用金剛石砂輪的大量使用也起到了較大推動(dòng)作用。我國(guó)1990～1997年間人造金剛石產(chǎn)量增加了14倍，成為世界人造金剛石生產(chǎn)大國(guó)，也推動(dòng)了石材、玻璃、耐火材料、地質(zhì)鉆探等行業(yè)的發(fā)展，為中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出了重要貢獻(xiàn)。
圖1 1980～1997年我國(guó)金剛石產(chǎn)量增長(zhǎng)曲線圖
我國(guó)人造金剛石產(chǎn)量雖居世界首位，但產(chǎn)品質(zhì)量與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在較大差距，主要表現(xiàn)為產(chǎn)品的沖擊強(qiáng)度和高溫沖擊強(qiáng)度較低，雜質(zhì)、缺陷較多，能夠用于制造鋸片的高強(qiáng)度金剛石僅占產(chǎn)品總量的20％左右，而RVD、MBD級(jí)產(chǎn)品約占80％。
2．立方氮化硼
立方氮化硼（CBN）具有高硬度、高耐磨性、高熱傳導(dǎo)率及耐熱性、低摩擦系數(shù)等優(yōu)良的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，非凡適合用于鐵族金屬材料的加工，是提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量的優(yōu)良材料，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)的CBN產(chǎn)品誕生至今已32年，但在1966年至1989年的20多年間發(fā)展比較緩慢。進(jìn)入九十年代后，我國(guó)汽車、摩托車工業(yè)的高速發(fā)展為CBN的發(fā)展提供了強(qiáng)大動(dòng)力，產(chǎn)量大幅度增加（見圖2）。
圖2 我國(guó)CBN產(chǎn)量增長(zhǎng)示意圖
從1990年至今，我國(guó)CBN產(chǎn)量的年平均增長(zhǎng)率為25％，大大超過了發(fā)達(dá)國(guó)家CBN年耗用量15％的增長(zhǎng)率，但在應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用水平上與發(fā)達(dá)國(guó)家差距很大，主要表現(xiàn)為磨具制造工藝和裝備不完善，磨具質(zhì)量及性能不穩(wěn)定，專用磨床和磨削工藝不配套等。
3．金剛石薄膜
金剛石薄膜是用化學(xué)氣相沉積（CVD）法或其它方法在非金剛石襯底上制備出的超硬薄膜。它不僅可用于制作各種金剛石刀具，還可作為功能材料用于制作聲傳感器、揚(yáng)聲器振動(dòng)膜、紅外窗口、X光檢測(cè)窗口等，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。國(guó)際上從七十年代初開始進(jìn)行金剛石薄膜的試制并迅速掀起金剛石薄膜研究開發(fā)熱潮。我國(guó)從八十年代中期開始此項(xiàng)研究，并已列入國(guó)家“863計(jì)劃”，現(xiàn)已能制備出80mm、厚2mm的金剛石薄膜，并在應(yīng)用研究方面取得了不少成果，但目前總體上仍處于研制階段，尚未達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用階段。有人預(yù)計(jì)，金剛石薄膜將是21世紀(jì)金剛石工業(yè)的主要材料，各國(guó)科學(xué)家都在為使金剛石薄膜產(chǎn)業(yè)化而不懈努力。
三、超硬材料制品在機(jī)械加工中的應(yīng)用
1．金剛石制品的應(yīng)用
金剛石磨料及其制品主要用于加工非鐵族金屬的各種難加工材料，如石材、玻璃、水泥制品、耐火材料、陶瓷、木材以及硬質(zhì)合金、硅鐵合金等。我國(guó)金剛石磨料及其制品在各領(lǐng)域的應(yīng)用比例見圖3。
圖3 我國(guó)金剛石制品在各領(lǐng)域的應(yīng)用比例
金剛石制品在機(jī)械加工領(lǐng)域的應(yīng)用量只占10％，主要用于車削加工和磨削加工。金剛石刀具有車刀、銑刀、鏜刀等品種，80％以上用于汽車和摩托車行業(yè)，其它則用于家用電器、燃?xì)�、普通機(jī)械等領(lǐng)域。
�。�1）金剛石刀具
金剛石刀具在汽車和摩托車行業(yè)中主要用于加工發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的裙部、銷孔、汽缸體、變速箱、化油器等。由于這些部件材料含硅量較高（10％以上），并且大多采用流水線方式大批量生產(chǎn)，對(duì)刀具的使用壽命要求較高，硬質(zhì)合金刀具難以勝任，而金剛石刀具的耐用度是硬質(zhì)合金刀具的10～50倍，可保證零件的尺寸穩(wěn)定性，并可大大提高切削速度、加工效率和工件的表面質(zhì)量。表2、表3分別為金剛石鏜刀和金剛石銑刀與硬質(zhì)合金刀具的實(shí)際應(yīng)用效果比較。
表2 金剛石鏜刀的應(yīng)用效果
| 零件名稱 |
零件材質(zhì) |
刀具壽命比較或效果
（金剛石刀具／硬質(zhì)合金刀具） |
活塞銷孔
（ф10～45） |
A1＋11～23％Si |
10／1 |
| 汽缸頭深孔 |
A1＋11～23％Si |
尺寸穩(wěn)定，搖擺銷裝配性好 |
| 分電器座 |
A1＋11～13％Si |
20／1 |
| 油封架 |
A1＋11～13％Si |
20／1 |
表3 金剛石銑刀的應(yīng)用效果
| 零件名稱 |
零件材質(zhì) |
刀具形式 |
刀具壽命比較
（金剛石刀具／硬質(zhì)合金刀具） |
| 汽缸蓋 |
鋁合金 |
五齒面銑刀 |
30／1 |
| 變速箱體 |
鋁合金 |
八齒面銑刀 |
50／1 |
�。�2）金剛石磨具
金剛石磨具主要指砂輪、油石、精磨片、珩磨條、磨盤、磨輥、磨輪等產(chǎn)品。下面主要介紹金剛石砂輪的應(yīng)用情況。
金剛石砂輪是七十年代初開始研制和應(yīng)用的，主要用于非鐵族金屬材料的加工。按結(jié)合劑劑型區(qū)分，金剛石砂輪品種主要可分為：樹脂結(jié)合劑、陶瓷結(jié)合劑、金屬結(jié)合劑和電鍍成型。其中，樹脂砂輪的應(yīng)用范圍較廣，其應(yīng)用比例見表4。
表4 樹脂金剛石砂輪的用途
| 加工對(duì)象 |
應(yīng)用比例（％） |
| 硬質(zhì)合金、超硬復(fù)合材料 |
80 |
| 玻璃、工程陶瓷 |
8 |
| 石材精加工 |
5 |
| 磁性材料 |
5 |
| 其它 |
2 |
金剛石砂輪可用于加工在機(jī)械行業(yè)中應(yīng)用量大、應(yīng)用面廣的各種硬質(zhì)合金刀具，非凡是對(duì)一些外型復(fù)雜、精度要求很高的刀具，采用金剛石砂輪加工更能顯示其優(yōu)越性。金剛石砂輪用于磨加工磁芯時(shí)與普通砂輪的應(yīng)用效果對(duì)比見表5。
表5 金剛石砂輪與普通砂輪應(yīng)用效果對(duì)比
| 砂輪類型 |
砂輪單
價(jià)（元） |
每片砂
輪加工
零件數(shù) |
年產(chǎn)量
（萬件） |
廢品率
（％） |
加工零件成
本（元／件） |
| 普通砂輪 |
400 |
2100 |
150 |
18 |
0．19 |
| 金剛石砂輪 |
8000 |
100000 |
440 |
4．5 |
0．08 |
�。�3）金剛石滾輪
普通磨具在機(jī)械加工中應(yīng)用量很大，各種新型磨具和先進(jìn)磨削工藝的應(yīng)用對(duì)磨具修整技術(shù)提出了更高要求。金剛石滾輪是一種高效成型修整工具，用于修整砂輪時(shí)具有效率高、修整時(shí)間短、成型能力強(qiáng)、修整型面精度穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在正常情況下一個(gè)金剛石滾輪可進(jìn)行數(shù)萬次砂輪修整。非凡是在型面復(fù)雜、精度要求高的零件批量生產(chǎn)中，采用金剛石滾輪對(duì)磨具進(jìn)行修整效果更為顯著。
2．立方氮化硼制品的應(yīng)用
立方氮化硼（CBN）砂輪、刀具、油石、珩磨條等制品已在工具、汽車、軸承、機(jī)床、航天、等行業(yè)中得到了不同程度的應(yīng)用，且應(yīng)用領(lǐng)域正不斷擴(kuò)大。CBN制品在各行業(yè)中的應(yīng)用比例見圖4。
圖4 CBN制品在各行業(yè)中的應(yīng)用比例
�。�1）CBN磨具
CBN磨具具有硬度高、磨削能力強(qiáng)、加工精度高、使用壽命長(zhǎng)、修整頻次少、生產(chǎn)效率高、有利于生產(chǎn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“半永久性磨具”。我國(guó)CBN磨具的研究開發(fā)始于七十年代中期，通過對(duì)絲錐、滾珠絲杠、機(jī)床導(dǎo)軌、轉(zhuǎn)子槽、軸承內(nèi)表面、齒輪、發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、凸輪軸、曲軸、油泵油嘴及其它難加工材料的磨削加工進(jìn)行大量試驗(yàn)研究工作，取得了較好的應(yīng)用效果。目前，我國(guó)CBN磨具品種規(guī)格已形成系列，CBN砂輪最大直徑可達(dá)750mm（正在研制1100mm 砂輪），最高使用線速度可達(dá)80m／s。某些產(chǎn)品的使用性能已接近甚至超過國(guó)外同類產(chǎn)品水平。例如，陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪在磨加工噴油嘴針閥體的應(yīng)用中即充分體現(xiàn)了上述優(yōu)點(diǎn)，采用各種不同砂輪的加工效果比較見表6（被加工零件材料為18CrNi8，淬火硬度58～63HRC）。
表6 針閥體磨加工效果
| 砂輪類型 |
磨加工效果 |
修整間隔
（件／次） |
圓度
（μm） |
直線度
（μm） |
表面粗糙度
Ra（μm） |
加工件數(shù)
（件） |
| 中心砂輪 |
普通砂輪 |
1 |
≤2．0 |
≤3．5 |
≤0．32 |
40～45 |
| 進(jìn)口砂輪 |
15～20 |
0．45～0．60 |
1．4～3．4 |
0．11～0．15 |
1000～3000 |
| 國(guó)產(chǎn)CBN砂輪 |
40 |
≤1．2 |
0．5～1．5 |
0．12～0．15 |
4000～5500 |
| 座面砂輪 |
普通砂輪 |
1 |
≤1．5 |
≤3．0 |
≤0．25 |
80～150 |
| 進(jìn)口砂輪 |
8～15 |
|
|
|
2000～4000 |
國(guó)產(chǎn)CBN
砂輪 |
30 |
0．6～1．2 |
0．6～1．4 |
≤0．2 |
4800～7000 |
又如，用陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪粗磨汽車?yán)浼よT鐵凸輪軸（砂輪直徑600mm，使用速度65m／s），與剛玉砂輪相比，耐用度提高100倍以上，壽命提高40倍；砂輪和修整工具的直接費(fèi)用降低15％，生產(chǎn)效率提高10％，減少了輔助工時(shí)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了加工質(zhì)量。
（2）CBN刀具
CBN刀具的最大特點(diǎn)是可以車削硬度大于45HRC的淬火鋼零件。由于CBN與鐵族金屬不產(chǎn)生親和力，可用于軸承鋼（60～62HRC）、工具鋼（57～60HRC）、高速鋼（＞62HRC）等材料的切削加工，可實(shí)現(xiàn)以車代磨，大幅度提高加工效率。CBN刀具的另一特點(diǎn)是耐高溫，在1000℃時(shí)的硬度與硬質(zhì)合金在常溫下的硬度相當(dāng)，其它性能也很穩(wěn)定。下面列舉幾個(gè)CBN刀具車削加工實(shí)例。
�、偌庸に幂棸濉≥棸宀馁|(zhì)為Cr15MoV2，硬度60～62．5HRC，工件直徑910～1020mm，中心環(huán)300／370mm，每把CBN車刀能加工2～3塊輻板，而用硬質(zhì)合金車刀加工，一塊輻板即需3把刀具。CBN車刀的使用壽命約為硬質(zhì)合金車刀的10倍。
�、诩庸掍摖t進(jìn)料斗外殼密封段 工件直徑為1000～1200mm，材料為G50Mn2，硬度＞55HRC，原用YS2T硬質(zhì)合金車刀加工需1～1．5小時(shí)，采用CBN車刀加工則只需7～8分鐘即可完成，大大提高了工作效率，且加工表面粗糙度達(dá)到Ra1．6μm以下。
③加工軋輥 某廠改造中板舊軋輥，軋輥尺寸為300×3400mm，表面硬度為47～50HRC，車加工余量為7mm，單件重量2噸，共需加工6件。原擬用硬質(zhì)合金車刀加工，但需運(yùn)到外廠回火后才能車削加工，往返搬運(yùn)費(fèi)用很高。采用CBN車刀則可實(shí)現(xiàn)在本廠就地加工，一把CBN車刀即可加工一根軋輥，既省時(shí)又省力，節(jié)省了大量費(fèi)用。
四、結(jié) 語
我國(guó)超硬材料的科研和生產(chǎn)發(fā)展迅猛，超硬材料在機(jī)械加工中的應(yīng)用也取得了良好效果，應(yīng)用前景十分廣闊。目前存在的主要問題是產(chǎn)品質(zhì)量有待提高，推廣應(yīng)用工作力度不夠。今后，一方面應(yīng)加大對(duì)超硬材料的宣傳和推廣應(yīng)用力度；另一方面要加強(qiáng)研究開發(fā)工作，提高超硬材料質(zhì)量，增加制品種類，加強(qiáng)售后服務(wù)，盡快縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，充分發(fā)揮超硬材料在機(jī)械加工中的重要作用。 |
