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金刚石材料简介

发表时间:2014-11-29

  金刚石是晶态单质碳(图1.2),是面心立方结构的原子晶体,晶格常数为0.35 nm。 目前发现的超硬材料(金刚石,立方氮化硼)和类超硬材料(BCN)它们在晶格结构方 面都极为相似,立方氮化硼和BCN在自然界中本身并不存在,而是人们通过仿照金刚石的结构合成出来的(立方氮化硼已人工合成,BCN有学者称已合成,但还没有得到社会承认。也就是说,这种结构决定了金刚石的优异的物理化学特性。金刚石的晶体结构如图1.3所示。在金刚石的晶体结构中,碳原子在四面体的顶角及中心位置, 称性极强。此种晶体中的C-C共价键很强,并且没有自由电子,所以金刚石不仅硬 度大,馆点极高,而且不导电。金刚石与其他材料的主要力学性能对比如图1.4所示, 可以看到金刚石总体性能上要远优于其它材料。这种品体结构使得优质单晶金刚石晶形 都比较规整,常见品形有立方体、四面体、六八面体、八面体菱形和十二面体等。金刚 石材料可分为单晶金刚石和多晶金刚石两种,其中单品金刚石以其完美的晶格使得各方 面性能都优于多晶金刚石。

  图1.2单晶金刚石晶体

  图1.3金刚石的晶体结构

  图1.4金刚石与其他材料的主要力学性能

  金刚石材料基本概念:金刚石就是我们常说的钻石(钻石是它的俗称),它是一种由纯 碳组成的矿物。金刚石的化学式 NC----N个C,金刚石是原子晶体,一块金刚 石是一个巨分子,N个C的聚合体.只能用它的结构式表示.代表材料:天然单晶金刚石,人造单晶金刚石,人造聚金刚石,CVD金刚石膜

  1、 天然单晶金刚石

  天然单晶金刚石是一种各向异性的单晶体。硬度达HV9000-10000,是自 然界中最硬的物质。这种材料耐磨性极好,制成刀具在切削中可长时间保持尺 寸的稳定,故而有很长的刀具寿命。 天然金刚石刀具刃口可以加工到极其锋利。可用于制作眼科和神经外科手术刀;可用于加工隐形眼镜的曲面;可用于 金刚石手术刀切割光导玻璃纤维;用于加工黄金、白金首饰的花纹;最重要的用途在于高速超精加工有色金属及其合金。如铝、黄金、巴氏合金、铍铜、紫铜等。 用天然金刚石制作的超精加工刀具其刀尖圆弧部分在400倍显微镜下观察无缺陷,用于加工铝合金多面体反射镜、无氧铜激光反射镜、陀螺仪、录像机磁鼓等。表现粗糙度可达到Ra(0.01-0.025)μm。天然金刚石材料韧性很差,抗弯强度很低,仅为(0.2-0.5)Gpa。热稳定性差,温度达到 700℃-800℃时就会失去硬度。温度再高就会碳化。另外,它与铁的亲和力很强,一般不适于加工钢铁。

  2、 人造单晶金刚石

  人造单晶金刚石作为刀具材料,市场上能买到的目前有戴比尔斯(DE-BEERS)生产的工业级单晶金刚石材料。这种材料硬度略逊于天然金刚石。其它性能都与天然金刚石不相上下。由于经过人工制造,其解理方向和尺寸变得可控和统一。 人造单晶金刚石刀具随着高温高压技术的发展,人造单晶金刚石最大尺寸已经可以做到8mm。由于这种材料有相对较好的一致性和较低的价格,所以受到广泛的注意。作为替代天然金刚石的新材料,人造单晶金刚石的应用将会有大的发展。

  3、 人造聚晶金刚石

  人造聚晶金刚石(PCD)是在高温高压下将金刚石微粉加溶剂聚合而成的多晶体材 料。一般情况下制成以硬质合金为基体的整体圆形片,称为聚晶金刚石复合片。根据 金刚石基体的厚度不同,复合片有1.6mm、 3.2mm、4.8mm等不同规格。而聚晶金 Pcd金刚石刀具刚石的厚度一般在0.5mm左右。目前,国内生产的PCD直径已经达到19mm,而国外如GE公司最大的复合片直径已经做到58mm,戴比尔斯公司更达到了74mm。据制作刀具的需要可用激光或线切割切成不同尺寸和角度的刀头,制成车刀、镗刀、铣刀等。PCD的硬度比天然金刚石低 (HV6000左右),但抗弯强度比天然金刚石高很多。另外,通过调整金刚石微粉的粒度和浓度,使PCD制品的机械物理性能发生改变,以适应不同材质、不同加工环境的需要,为刀具用户提供了多种选择。PCD刀具比天然金刚石的的抗冲击和抗震性能高出很多。与硬质合金相比,硬度高出3-4倍;耐磨性和寿命高 50-100倍;切削速度可提高5-20倍;粗糙度可达到Ra0.05μm。切削效率高、加工精度稳定。PCD同天然金刚石一样,不适合加工钢和铸铁。这种刀具主要用于加工有色金属及非金属材料,如:铝、铜、锌、金、银、铂及其合金,还有陶瓷、碳纤维、橡胶、塑料等。PCD的另一大功能是加工木材和石材。 PCD刀具特别适合加工高硅铝合金,因此在汽车、航空、电子、船舶工业中得到了广泛的应用。

  4、 CVD金刚石膜

  CVD金刚石厚膜是一种化学气相沉积法制成的金刚石材料。作为刀具材料其硬度高 于PCD。由于不含金属结合剂,所以有很高的热传导率和抗高温氧化性能。但是,目前 生产的CVD材料韧性比较差,它不能用线切割的方式进行切割加工,使用上受到了一定 CVD金刚石膜刀具

  的限制。由于没有切磨的方向性,磨加工的工艺性较差,极难磨出象天然金刚石和人造单晶金刚石一样锋利的刃口。作为切削刀具使用尚处于试验阶段,有待进一步研究和开发。

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