我國超硬材料的發展及在機械加工中的應用情況

　　介紹了我國超硬材料的發展及在機械加工中的應用情況。說明了人造金剛石、立方氮化硼的性能特點、適用范圍及應用于機械加工的實例，指出了進一步加強超硬材料制品研究開發及推廣應用的重要性。

　　一、概　述

　　人造金剛石和立方氮化硼（CBN）統稱超硬材料。1963年鄭州磨料磨具磨削研究所在兄弟院所的通力協作下，研制成功我國第一顆人造金剛石，1966年完成中間試驗并投入批量生產，當年生產人造金剛石10000克拉。同年，該所又研制成功我國第一顆立方氮化硼（CBN）。從此我國具有了批量生產超硬材料的能力。

　　我國超硬材料從誕生到八十年代末，產量增加緩慢，經歷了一個從無到有，不斷完善生產工藝和逐步提高產品質量的階段。八十年代末，隨著中國石材加工業需求的急劇增長，超硬材料進入了高速發展階段，1997年年產量達到5億克拉左右，已躍居世界超硬材料生產大國之首。

　　金剛石是世界上已知的最硬物質，并具有高導熱性、高絕緣性、高化學穩定性、高溫半導體特性等多種優良性能，可用于高效優質加工鋁、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、高熱穩定性、高化學穩定性等優異性能，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、高溫半導體等高技術產品，廣泛用于電子、航天等尖端工業領域。

　　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領域（見表1）。

　　表1　超硬材料制品的種類及應用領域

　　二、我國超硬材料的發展

　　1．人造金剛石

　　我國第一個人造金剛石及其制品的專業生產廠——第六砂輪廠于1969年投產，標志著我國人造金剛石進入了工業化生產階段。1970年我國人造金剛石產量為46萬克拉，1980年產量達到450萬克拉，10年間增長了近10倍；1990年產量為3500萬克拉，比1980年又增長了約8倍。進入九十年代后，我國金剛石生產進入了迅猛發展時期（見圖1）。這種發展勢頭主要受石材加工行業蓬勃發展的帶動，此外，鉆探及切削用PCD復合片和磨削用金剛石砂輪的大量使用也起到了較大推動作用。我國1990～1997年間人造金剛石產量增加了14倍，成為世界人造金剛石生產大國，也推動了石材、玻璃、耐火材料、地質鉆探等行業的發展，為中國經濟建設作出了重要貢獻。

圖1　1980～1997年我國金剛石產量增長曲線圖

　　我國人造金剛石產量雖居世界首位，但產品質量與發達國家還存在較大差距，主要表現為產品的沖擊強度和高溫沖擊強度較低，雜質、缺陷較多，能夠用于制造鋸片的高強度金剛石僅占產品總量的20％左右，而RVD、MBD級產品約占80％。

　　2．立方氮化硼

　　立方氮化硼（CBN）具有高硬度、高耐磨性、高熱傳導率及耐熱性、低摩擦系數等優良的物理、化學和機械性能，非凡適合用于鐵族金屬材料的加工，是提高生產率和加工質量的優良材料，在工業發達國家已得到廣泛應用。我國的CBN產品誕生至今已32年，但在1966年至1989年的20多年間發展比較緩慢。進入九十年代后，我國汽車、摩托車工業的高速發展為CBN的發展提供了強大動力，產量大幅度增加（見圖2）。

圖2　我國CBN產量增長示意圖

　　從1990年至今，我國CBN產量的年平均增長率為25％，大大超過了發達國家CBN年耗用量15％的增長率，但在應用領域和應用水平上與發達國家差距很大，主要表現為磨具制造工藝和裝備不完善，磨具質量及性能不穩定，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、揚聲器振動膜、紅外窗口、X光檢測窗口等，應用領域十分廣泛。國際上從七十年代初開始進行金剛石薄膜的試制并迅速掀起金剛石薄膜研究開發熱潮。我國從八十年代中期開始此項研究，并已列入國家“863計劃”，現已能制備出80mm、厚2mm的金剛石薄膜，并在應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，尚未達到工業化應用階段。有人預計，金剛石薄膜將是21世紀金剛石工業的主要材料，各國科學家都在為使金剛石薄膜產業化而不懈努力。

　　三、超硬材料制品在機械加工中的應用

　　1．金剛石制品的應用

　　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、木材以及硬質合金、硅鐵合金等。我國金剛石磨料及其制品在各領域的應用比例見圖3。

圖3　我國金剛石制品在各領域的應用比例

　　金剛石制品在機械加工領域的應用量只占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，其它則用于家用電器、燃氣、普通機械等領域。

　　（1）金剛石刀具

　　金剛石刀具在汽車和摩托車行業中主要用于加工發動機活塞的裙部、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，對刀具的使用壽命要求較高，硬質合金刀具難以勝任，而金剛石刀具的耐用度是硬質合金刀具的10～50倍，可保證零件的尺寸穩定性，并可大大提高切削速度、加工效率和工件的表面質量。表2、表3分別為金剛石鏜刀和金剛石銑刀與硬質合金刀具的實際應用效果比較。

　　表2　金剛石鏜刀的應用效果

表3　金剛石銑刀的應用效果

　　（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、磨輪等產品。下面主要介紹金剛石砂輪的應用情況。

　　金剛石砂輪是七十年代初開始研制和應用的，主要用于非鐵族金屬材料的加工。按結合劑劑型區分，金剛石砂輪品種主要可分為：樹脂結合劑、陶瓷結合劑、金屬結合劑和電鍍成型。其中，樹脂砂輪的應用范圍較廣，其應用比例見表4。

　　表4　樹脂金剛石砂輪的用途

　　金剛石砂輪可用于加工在機械行業中應用量大、應用面廣的各種硬質合金刀具，非凡是對一些外型復雜、精度要求很高的刀具，采用金剛石砂輪加工更能顯示其優越性。金剛石砂輪用于磨加工磁芯時與普通砂輪的應用效果對比見表5。

　　表5　金剛石砂輪與普通砂輪應用效果對比

 　　（3）金剛石滾輪

　　普通磨具在機械加工中應用量很大，各種新型磨具和先進磨削工藝的應用對磨具修整技術提出了更高要求。金剛石滾輪是一種高效成型修整工具，用于修整砂輪時具有效率高、修整時間短、成型能力強、修整型面精度穩定等優點，在正常情況下一個金剛石滾輪可進行數萬次砂輪修整。非凡是在型面復雜、精度要求高的零件批量生產中，采用金剛石滾輪對磨具進行修整效果更為顯著。

　　2．立方氮化硼制品的應用

　　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、機床、航天、等行業中得到了不同程度的應用，且應用領域正不斷擴大。CBN制品在各行業中的應用比例見圖4。

圖4　CBN制品在各行業中的應用比例

　　（1）CBN磨具

　　CBN磨具具有硬度高、磨削能力強、加工精度高、使用壽命長、修整頻次少、生產效率高、有利于生產自動化等優點，被譽為“半永久性磨具”。我國CBN磨具的研究開發始于七十年代中期，通過對絲錐、滾珠絲杠、機床導軌、轉子槽、軸承內表面、齒輪、發動機缸套、凸輪軸、曲軸、油泵油嘴及其它難加工材料的磨削加工進行大量試驗研究工作，取得了較好的應用效果。目前，我國CBN磨具品種規格已形成系列，CBN砂輪最大直徑可達750mm（正在研制1100mm 砂輪），最高使用線速度可達80m／s。某些產品的使用性能已接近甚至超過國外同類產品水平。例如，陶瓷結合劑CBN砂輪在磨加工噴油嘴針閥體的應用中即充分體現了上述優點，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

 　　又如，用陶瓷結合劑CBN砂輪粗磨汽車冷激鑄鐵凸輪軸（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用降低15％，生產效率提高10％，減少了輔助工時，降低了勞動強度，提高了加工質量。

　　（2）CBN刀具

　　CBN刀具的最大特點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，可實現以車代磨，大幅度提高加工效率。CBN刀具的另一特點是耐高溫，在1000℃時的硬度與硬質合金在常溫下的硬度相當，其它性能也很穩定。下面列舉幾個CBN刀具車削加工實例。

　　①加工水泵輻板　輻板材質為Cr15MoV2，硬度60～62．5HRC，工件直徑910～1020mm，中心環300／370mm，每把CBN車刀能加工2～3塊輻板，而用硬質合金車刀加工，一塊輻板即需3把刀具。CBN車刀的使用壽命約為硬質合金車刀的10倍。

　　②加工煉鋼爐進料斗外殼密封段　工件直徑為1000～1200mm，材料為G50Mn2，硬度＞55HRC，原用YS2T硬質合金車刀加工需1～1．5小時，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。原擬用硬質合金車刀加工，但需運到外廠回火后才能車削加工，往返搬運費用很高。采用CBN車刀則可實現在本廠就地加工，一把CBN車刀即可加工一根軋輥，既省時又省力，節省了大量費用。

　　四、結　語

　　我國超硬材料的科研和生產發展迅猛，超硬材料在機械加工中的應用也取得了良好效果，應用前景十分廣闊。目前存在的主要問題是產品質量有待提高，推廣應用工作力度不夠。今后，一方面應加大對超硬材料的宣傳和推廣應用力度；另一方面要加強研究開發工作，提高超硬材料質量，增加制品種類，加強售后服務，盡快縮小與發達國家的差距，充分發揮超硬材料在機械加工中的重要作用。