介紹了我國超硬材料的發(fā)展及在機械加工中的應用情況。說(shuō)明了人造金剛石、立方氮化硼的性能特點(diǎn)、適用范圍及應用于機械加工的實(shí)例，指出了進(jìn)一步加強超硬材料制品研究開(kāi)發(fā)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(chēng)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，研制成功我國第一顆人造金剛石，1966年完成中間試驗并投入批量生產(chǎn)，當年生產(chǎn)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(chǎn)超硬材料的能力。

　　我國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(wú)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(zhù)中國石材加工業(yè)需求的急劇增長(cháng)，超硬材料進(jìn)入了高速發(fā)展階段，1997年年產(chǎn)量達到5億克拉左右，已躍居世界超硬材料生產(chǎn)大國之首。

　　金剛石是世界上已知的最硬物質(zhì)，并具有高導熱性、高絕緣性、高化學(xué)穩定性、高溫半導體特性等多種優(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、高熱穩定性、高化學(xué)穩定性等優(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(guò)性和較寬的禁帶寬度，近年來(lái)已作為功能材料制作透明窗口、高溫半導體等高技術(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(jiàn)表1）。

　　表1　超硬材料制品的種類(lèi)及應用領(lǐng)域

　　二、我國超硬材料的發(fā)展

　　1．人造金剛石

　　我國第一個(gè)人造金剛石及其制品的專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠(chǎng)——第六砂輪廠(chǎng)于1969年投產(chǎn)，標志著(zhù)我國人造金剛石進(jìn)入了工業(yè)化生產(chǎn)階段。1970年我國人造金剛石產(chǎn)量為46萬(wàn)克拉，1980年產(chǎn)量達到450萬(wàn)克拉，10年間增長(cháng)了近10倍；1990年產(chǎn)量為3500萬(wàn)克拉，比1980年又增長(cháng)了約8倍。進(jìn)入九十年代后，我國金剛石生產(chǎn)進(jìn)入了迅猛發(fā)展時(shí)期（見(jiàn)圖1）。這種發(fā)展勢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，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，為中國經(jīng)濟建設作出了重要貢獻。

圖1　1980～1997年我國金剛石產(chǎn)量增長(cháng)曲線(xiàn)圖

　　我國人造金剛石產(chǎn)量雖居世界首位，但產(chǎn)品質(zhì)量與發(fā)達國家還存在較大差距，主要表現為產(chǎn)品的沖擊強度和高溫沖擊強度較低，雜質(zhì)、缺陷較多，能夠用于制造鋸片的高強度金剛石僅占產(chǎn)品總量的20％左右，而RVD、MBD級產(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、高熱傳導率及耐熱性、低摩擦系數等優(yōu)良的物理、化學(xué)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(chǎn)率和加工質(zhì)量的優(yōu)良材料，在工業(yè)發(fā)達國家已得到廣泛應用。我國的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，我國汽車(chē)、摩托車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展為CBN的發(fā)展提供了強大動(dòng)力，產(chǎn)量大幅度增加（見(jiàn)圖2）。

圖2　我國CBN產(chǎn)量增長(cháng)示意圖

　　從1990年至今，我國CBN產(chǎn)量的年平均增長(cháng)率為25％，大大超過(guò)了發(fā)達國家CBN年耗用量15％的增長(cháng)率，但在應用領(lǐng)域和應用水平上與發(fā)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(zhì)量及性能不穩定，專(zhuān)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、揚聲器振動(dòng)膜、紅外窗口、X光檢測窗口等，應用領(lǐng)域十分廣泛。國際上從七十年代初開(kāi)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(kāi)發(fā)熱潮。我國從八十年代中期開(kāi)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(yè)化應用階段。有人預計，金剛石薄膜將是21世紀金剛石工業(yè)的主要材料，各國科學(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(zhì)合金、硅鐵合金等。我國金剛石磨料及其制品在各領(lǐng)域的應用比例見(jiàn)圖3。

圖3　我國金剛石制品在各領(lǐng)域的應用比例

　　金剛石制品在機械加工領(lǐng)域的應用量只占10％，主要用于車(chē)削加工和磨削加工。金剛石刀具有車(chē)刀、銑刀、鏜刀等品種，80％以上用于汽車(chē)和摩托車(chē)行業(yè)，其它則用于家用電器、燃氣、普通機械等領(lǐng)域。

　　（1）金剛石刀具

　　金剛石刀具在汽車(chē)和摩托車(chē)行業(yè)中主要用于加工發(fā)動(dòng)機活塞的裙部、銷(xiāo)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(xiàn)方式大批量生產(chǎn)，對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(pán)、磨輥、磨輪等產(chǎn)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(kāi)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(shù)脂結合劑、陶瓷結合劑、金屬結合劑和電鍍成型。其中，樹(shù)脂砂輪的應用范圍較廣，其應用比例見(jiàn)表4。

　　表4　樹(shù)脂金剛石砂輪的用途

　　金剛石砂輪可用于加工在機械行業(yè)中應用量大、應用面廣的各種硬質(zhì)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(yōu)越性。金剛石砂輪用于磨加工磁芯時(shí)與普通砂輪的應用效果對比見(jiàn)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(jìn)磨削工藝的應用對磨具修整技術(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、修整型面精度穩定等優(yōu)點(diǎn)，在正常情況下一個(gè)金剛石滾輪可進(jìn)行數萬(wàn)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(chǎn)中，采用金剛石滾輪對磨具進(jìn)行修整效果更為顯著(zhù)。

　　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(chē)、軸承、機床、航天、等行業(yè)中得到了不同程度的應用，且應用領(lǐng)域正不斷擴大。CBN制品在各行業(yè)中的應用比例見(jiàn)圖4。

圖4　CBN制品在各行業(yè)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(cháng)、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CBN磨具的研究開(kāi)發(fā)始于七十年代中期，通過(guò)對絲錐、滾珠絲杠、機床導軌、轉子槽、軸承內表面、齒輪、發(fā)動(dòng)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(jìn)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(xiàn)速度可達80m／s。某些產(chǎn)品的使用性能已接近甚至超過(guò)國外同類(lèi)產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)，采用各種不同砂輪的加工效果比較見(jiàn)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(chē)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(chǎn)效率提高10％，減少了輔助工時(shí)，降低了勞動(dòng)強度，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(chē)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)現以車(chē)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，其它性能也很穩定。下面列舉幾個(gè)CBN刀具車(chē)削加工實(shí)例。

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

　　②加工煉鋼爐進(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(chē)刀加工需1～1．5小時(shí)，采用CBN車(chē)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(chǎng)改造中板舊軋輥，軋輥尺寸為300×3400mm，表面硬度為47～50HRC，車(chē)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(chē)刀加工，但需運到外廠(chǎng)回火后才能車(chē)削加工，往返搬運費用很高。采用CBN車(chē)刀則可實(shí)現在本廠(chǎng)就地加工，一把CBN車(chē)刀即可加工一根軋輥，既省時(shí)又省力，節省了大量費用。

　　四、結　語(yǔ)

　　我國超硬材料的科研和生產(chǎn)發(fā)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(wèn)題是產(chǎn)品質(zhì)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(kāi)發(fā)工作，提高超硬材料質(zhì)量，增加制品種類(lèi)，加強售后服務(wù)，盡快縮小與發(fā)達國家的差距，充分發(fā)揮超硬材料在機械加工中的重要作用。