金刚石范文10篇

本文针对金刚石膜(CVD)在切削刀具中的应用，讨论了金刚石膜焊接复合刀具对刀体材料要求和制造方法。根据金刚石良合刀具制造工艺及使用要求，对真空自活性钎焊所用钎料的化学成分的选择进行了分析，提出了确定活性针料化学成分的原则及常用针料的化学成分。

0．前言

金刚石膜具有硬度高、耐磨损，摩擦系数小，导热性好等特点，是制造切削有色金属和非金属材料刀具的理想材料。人造金刚石膜的刀具分为两种类型：金刚石膜涂层刀具，金刚石膜焊接刀具。粘结力较弱是金刚石涂层刀具最突出的问题。粘结力较弱的原因有两个：一是化学气相沉积（CVD）附口过程中，产生很大的热应力；二是基体材料存在着许多降低接头强度的因素。近年来，利用生长基体金属同金刚石膜的热膨胀系数相差较大粘附强度低，在基体上沉积金刚石膜，随着基体的冷却，金刚石膜自动脱落，得到独立的金刚石厚膜。文献采用等离子体时流CVD法在Mo基体上沉积金刚石膜，获得独立的金刚石厚膜（0.3-1.3mm）。利用这种膜与刀体材料焊接帘（备切削刀具兼有单晶金刚石刀具和金刚石薄膜涂层刀具的优点，是一种应用前景极为广阔的新型刀具。

1.金刚石厚膜焊接刀具的制造方法

1-1金刚石厚膜的成型

由于金刚石厚膜硬度高，耐磨性好、而且不导电。所以常见的机械切削、线切割、超声波加工等工艺方法均不适用于金刚石厚膜的切割加工，常用的方法是激光切割。激光切割不仅能将金刚石厚膜切割成所需要的形状和尺寸，还能直接切出刀具的后角和修正厚膜表面。一般金刚石车刀的前角以0°为标准，根据需要可在+5°的范围内选取。在强调车刀的耐磨性和尖刀强度的情况下。也可以采用负前角（-20°左右）。负后角一般以5°为标准，根据使用条件可在2.5~10°范围内选取。由前刀面和后刀面构成的锲角在85°以上，可得到高精度的刀尖。

本文针对金刚石膜(CVD)在切削刀具中的应用，讨论了金刚石膜焊接复合刀具对刀体材料要求和制造方法。根据金刚石良合刀具制造工艺及使用要求，对真空自活性钎焊所用钎料的化学成分的选择进行了分析，提出了确定活性针料化学成分的原则及常用针料的化学成分。

0．前言

金刚石膜具有硬度高、耐磨损，摩擦系数小，导热性好等特点，是制造切削有色金属和非金属材料刀具的理想材料。人造金刚石膜的刀具分为两种类型：金刚石膜涂层刀具，金刚石膜焊接刀具。粘结力较弱是金刚石涂层刀具最突出的问题。粘结力较弱的原因有两个：一是化学气相沉积（CVD）附口过程中，产生很大的热应力；二是基体材料存在着许多降低接头强度的因素。近年来，利用生长基体金属同金刚石膜的热膨胀系数相差较大粘附强度低，在基体上沉积金刚石膜，随着基体的冷却，金刚石膜自动脱落，得到独立的金刚石厚膜。文献采用等离子体时流CVD法在Mo基体上沉积金刚石膜，获得独立的金刚石厚膜（0.3-1.3mm）。利用这种膜与刀体材料焊接帘（备切削刀具兼有单晶金刚石刀具和金刚石薄膜涂层刀具的优点，是一种应用前景极为广阔的新型刀具。

1.金刚石厚膜焊接刀具的制造方法

1-1金刚石厚膜的成型

由于金刚石厚膜硬度高，耐磨性好、而且不导电。所以常见的机械切削、线切割、超声波加工等工艺方法均不适用于金刚石厚膜的切割加工，常用的方法是激光切割。激光切割不仅能将金刚石厚膜切割成所需要的形状和尺寸，还能直接切出刀具的后角和修正厚膜表面。一般金刚石车刀的前角以0°为标准，根据需要可在+5°的范围内选取。在强调车刀的耐磨性和尖刀强度的情况下。也可以采用负前角（-20°左右）。负后角一般以5°为标准，根据使用条件可在2.5~10°范围内选取。由前刀面和后刀面构成的锲角在85°以上，可得到高精度的刀尖。

本文作者：倪林祥

一、影响金刚石钻头充分发挥技术经济指标的因紊

1.钻头微烧引起拉槽,金刚石孕镶钻头在钻压的作用下,以一定的线速度运动,‘可以简单地把钻头和岩石视为一摩擦系统,金刚石钻头胎体的温升就是由于钻头端面在岩石表面作相对位移时,由摩擦功而引起的。因此,温升的速度、高低与压力、线速度成正比,和冷却条件(包括钻头水马力,水口数和胎体壁厚)成反比。孕镶金刚石钻头出现拉槽,即形成“0”形圈(图3)的原因是,当冲洗液流经钻头内径,通过水口和金刚石出刃与岩石间的微隙通道,由于传导和对流作用,将热量带走,在胎体壁内外径向产生温度梯度(见图2)。如图2所示的相对高温区的瞬时温升达到金刚石石墨化的温度时,便出现微烧现象。其表现是钻头端面发黑,或者粘着一层薄薄的岩粉。由现场观察发现,微烧现象多半出自地层软硬变化,钻压忽大忽小,时效忽快忽慢,或者在硬岩层中强力钻进,一般在进尺平稳时很少发生。如果微烧现象不能及时发现,并采取相应的技术措施,恶性循环的结果,必然导致“o”形圈的形成。但是,金刚石层消耗到一定程度后,出现“0”形圈则不在此列。2.钻头异常磨损(1)目前各厂出产的钻头,内外径公称尺寸不一,其变化范围在协38.5一协39.5之间,造成互换性差,尤其在硬岩层中钻进,若有残留岩心,用小内径钻头套扫;抑或在硬碎岩层中钻进,岩心碎块脱落,磨损内径边缘,形成内台阶(图5)。(2)双管接头的补强合金镶嵌不牢,落入孔底,抑或孔口管与裸孔连接处出现台阶,或孔壁“探头石”未及时清理,每当下钻时,碰撞胎体,造成崩落,磨损钻头外径边缘,形成外台阶(图6)。偶尔亦出现拉槽现象(图3)。(3)金刚石出露状态不好,有残留岩心,钻具振动,造成钻头内外径边缘磨损(图7)与岩石接触面积增加。况,或钻杆连接处漏水,送入孔底冲洗液量不足,抑或短时间停泵,造成轻烧或严重烧钻事故。4.钻头与岩心管丝扣加工精度不高,受扭力作用后,拧得太死,采用管钳卸扣,或者把钢体夹扁,抑或将胎体夹裂。5.钻机按装不牢,钻具震动历害,或者在硬岩层中钻进,仍采用大泵量,产生脉动现象,破坏了钻头在孔底的正常工作条件。6.制造方面的原因。在操作过程中经常出现的有以下几方面:(1)在压制成形的过程中,粉末中压力分布是不均匀的。由于颗粒间彼此摩擦,相互楔住,以及一些使颗粒移动困难的因素,而使压力在模具侧壁方向的传递,比在压制方向的传递要小得多,粉末与模壁间存在摩擦,会使胎体在高度上出现显著的压力降。沿中轴线产生压力梯度,在低压烧结条件下较为明显。由于压力分布不均匀,压制密度亦不同,层间的硬度HRc则有差异。在实际操作中可以看到,前几个回次高度磨耗较少,尔后消耗很快,也是其中因素之一(图s)。(2)胎体未烧透,工艺不稳定,没有形成粉末冶金要求的假合金,或钢体清洗不净,造成胎体脱落或掉块。(3)保径天然金刚石或聚晶深入到孕镶层中(图ga、b)形成硬支点,或者内外径补强金刚石未紧贴周边(图10),造成钻头过早缩径或扩径。(4)表镶钻头的金刚石包镶不牢,严重脱粒,或孕镶钻头金刚石浓度不匀,密集部分出现脱粒或剥离现象。7.表镶钻头使用不合理,中一粗粒(2o一40粒/克拉)金刚石钻头一般只宜于在中硬以下的完整岩层中钻进,当时效降低,金刚石磨纯,基本不进尺,就应停用回收(占成本费50%)再用。但由于片面追求钻头进尺,在金刚石失去切削能力的情况下,仍采用强力钻进,致使金刚石压碎,降低其利用率。上面列举的影响金刚石钻头技术经济指标的因素,是现场最常出现的,有的往往被人们所忽视。归纳起来可分为三方面:第一是地层因素,第二是操作因素(其中也包括管理因素);第三是制造因素。除地层因素之外,只要采取相应的技术措施,便可得瓢改善。下面就四个地质队所用的孕镶钻头分别按非正常磨损(其中包括拉槽、异常磨损、烧钻等)和正常磨损统计如下,进行分析,便可看出问题的严重性。表内列举的52个钻头,总进尺2936.22米。平均钻头进尺56.34米。其中正常磨损的钻头27个,占51.92%,进尺2330米,占79.3%,平均钻头进尺82.59米,非正常磨损钻头25个,占48.08%,进尺606.22米,占20.7%,平均钻头进尺24.08米。正常磨损的钻头进尺是非正常磨损的3.73倍。表中所列数据是由7一9级的片麻岩类和花岗岩类得到的。如果将非正常磨损的钻头平均进尺由24.08米提高到平均进尺56.34米,每米纯钻头成本(按240元/个计算)由10元/米左右降到4,5元/米左右,经济效果将很显著。由此可见,减少钻头非正常磨损,是当前提高金刚石钻进技术经济指标的关键。

二、提高金刚石钻进技术经济指标的途径

提高金刚石钻进技术经济指标涉及的范围很广,本文仅着重分析与钻头有关的问题。1.根据本矿区的岩性合理选择钻头,目前有的地质队采用数理统计的办法,以所钻的岩层为基础,按钻头技术参数(如金刚石品级、粒度、浓度、胎体硬度等),分别统计钻头进尺、时效、回次长度等,进行认真分析研究,然后确定钻头选型,并根据各类岩层的分布情况,有计划地定购钻头,设专人管理、发放,不是泛泛地而是有针对性地制订切实可靠的技术措施。遇到难于钻进的岩层,请研究部门或制造厂协助解决。2.适当控制时效,这里所指的只限于在7一9级的中硬、中等研磨性的岩层中钻进,其时效一般都比较高。如果仍盲目追求机械效率,必然要加大压力,提高转速,势必造成岩粉过多,堵塞出露良好的金刚石出刃的通道,产生微烧,结果是“欲速则不达”,钻头寿命大大缩短了。至于时效应控制在什么范围内,应以钻头进尺长、不轻烧、而又具有相当的时效为限度,例如7一8级的片麻岩,一般控制在2.5一2.0米/时。因此,每次起下钻仔细观察钻头磨损情况,测量钻头高耗,这是非常重要的,只有这样才能制订合理的时效和高耗的控制范围。统计一些长寿命的钻头发现一个很有趣的现象,高耗的增量与进尺增量之比的正切,在同类岩层中,近似于常数。如钻头技术参数为:金刚石品级一JR3,粒度60一80目,浓度100%,HRc42,钻进参数为:压力600一500公斤,转速600一700转/分,泵量50一3-升/分。在7一8级的石榴子透辉岩和花岗岩中钻进,进尺219.79米,回次进尺5.11米,时效3.13米,当钻到160米处,时效高达5.2米,逐步轻烧,影响钻头进尺。此外,还要强调一点,钻头经济效果的好坏,不只取决于钻头,而是以每米消耗的综合成本来衡量的。在某些特殊需要的情况下,例如在漏失地层,润滑剂耗量大,或孔斜严重的孔段,钻杆磨损大,需要采用快速通过,在不引起微烧的前提下,而对总成本降低有利,那末提高钻进效率,纵然钻头寿命有所缩短还是合算的。3.目前我国各厂家生产的钻头,在7一9级中等研磨性岩层中钻进,取得了回次和钻头进尺都比较高的效果,适于绳索取心钻进,应逐步推广这一新技术。据北京101队在片麻岩中采用绳索取心钻进表明,平均钻头进尺为61.00米,每米成本为29.46元,普通双管平均钻头进尺为23.70米,每米成本为43.76兀。4.为改善钻头在孔底的工作状态,即提高钻头在孔底的稳定性,在岩心管的异径接头处和钻杆的适当部位装上稳定器。5.功56孕镶钻头的水口应不少于8个,亦可在胎体内外径(如表镶钻头)加铣棱槽,其壁厚可缩小1毫米左右,这种结构的钻头较之于常规结构的钻头拉槽现象要少得多。6.国内所采用的天然金刚石孕镶料,多以不成晶形的低品级刚果型金刚石或回收后的金刚石碰碎而成,其中一部分呈片状,它们在孕镶层中切削能力较差,如果经过予处理,严格分选,效果要好得多。郑州厂的天然孕镶钻头能取得较好的效果与此有关。此外对人造金刚石进行严格分选,物尽其用.确保钻头质量是非常必要的。7.有的地质队根据不同岩层,定出钻头进尺,实行超产奖励的经济管理办法,提商了钻头寿命,降低了成本。这也说明,只要改进管理,金刚石钻头仍有潜力可挖。8.目前各地质队都保存有大量用过的金刚石钻头,其中大部分可回收表、孕镶料或补强料。只要经过回收处理,便可变座为用。

三、结束语

摘要：CVD和PVDTiN，TiC，TiCN，TiAlN等硬质薄膜涂层材料已经在工具、模具、装饰等行业得到日益广泛的应用，但仍然不能满足许多难加工材料，如高硅铝合金，各种有色金属及其合金，工程塑料，非金属材料，陶瓷，复合材料(特别是金属基和陶瓷基复合材料)等加工要求。正是这种客观需求导致了诸如金刚石膜、立方氮化硼(c-BN)和碳氮膜(CNx)以及纳米复合膜等新型超硬薄膜材料的研究进展。本文对这些超硬材料薄膜的研究现状及工业化应用前景进行了简要的介绍和评述。

关键词：超硬材料薄膜；研究进展；工业化应用

1超硬薄膜

超硬薄膜是指维氏硬度在40GPa以上的硬质薄膜。不久以前还只有金刚石膜和立方氮化硼(c-BN)薄膜能够达到这个标准，前者的硬度为50-100GPa(与晶体取向有关)，后者的硬度为50～80GPa。类金刚石膜(DLC)的硬度范围视制备方法和工艺不同可在10GPa～60GPa的宽广范围内变动。因此一些硬度很高的类金刚石膜(如采用真空磁过滤电弧离子镀技术制备的类金刚石膜(也叫Ta：C))也可归人超硬薄膜行列。近年来出现的碳氮膜(CNx)虽然没有像Cohen等预测的晶态β-C3N4那样超过金刚石的硬度，但已有的研究结果表明其硬度可达10GPa～50GPa，因此也归人超硬薄膜一类。上述几种超硬薄膜材料具有一个相同的特征，他们的禁带宽度都很大，都具有优秀的半导体性质，因此也叫做宽禁带半导体薄膜。SiC和GaN薄膜也是优秀的宽禁带半导体材料，但它们的硬度都低于40GPa，因此不属于超硬薄膜。

最近出现的一类超硬薄膜材料与上述宽禁带半导体薄膜完全不同，他们是由纳米厚度的普通的硬质薄膜组成的多层膜材料。尽管每一层薄膜的硬度都没有达到超硬的标准，但由它们组成的纳米复合多层膜却显示了超硬的特性。此外，由纳米晶粒复合的TiN／SiNx薄膜的硬度竟然高达105GPa，创纪录地达到了金刚石的硬度。

本文将就上述几种超硬薄膜材料一一进行简略介绍，并对其工业化应用前景进行评述。

碳的几种单质之一

教学目的

1．使学生了解金刚石、石墨和木炭等碳的单质的物理性质和用途。

2．通过金刚石与石墨组成元素相同而性质不同的分析，使学生加深理解结构与性质的关系。

3．培养学生阅读自学能力。

重点和难点

一、超硬刀具材料发展概况

超硬刀具材料是指天然金刚石及硬度、性能与之相近的人造金刚石和CBN(立方氮化硼)。由于天然金刚石价格比较昂贵，所以生产上大多采用人造聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)以及它们的复合材料。

早在20世纪50年代，美国就利用人造金刚石微粉和CBN微粉在高温、高压、触媒和结合剂的作用下烧结成尺寸较大的聚晶块作为刀具材料。之后，南非戴比尔斯(DeBeem)公司、前苏联和日本也相继研制成功。20世纪70年代初又推出了金刚石或CBN和硬质合金的复合片，它们是在硬质合金基体上烧结或压制一层0.5mm～1mm的PCD或PCBN而成，从而解决了超硬刀具材料抗弯强度低、镶焊困难等问题，使超硬刀具的应用进入实用阶段。

我国超硬刀具材料的研究与应用开始于上个世纪70年代，并于1970年在贵阳建造了我国第一座超硬材料及制品的专业生产厂第六砂轮厂，从1970—1990年整整20年中，超硬材料年产量从仅46万克拉增至3500万克拉。上个世纪90年代前后，不少超硬材料生产专业厂从国外引进成套的超硬材料合成设备及技术，使产量得以迅速提高，至1997年，我国人造金刚石年产量就已达到5亿克拉左右，CBN年产量达800万克拉，跃居世界超硬材料生产大国之首。

金刚石具有极高的硬度和耐磨性，其显微硬度可达10000HV，是刀具材料中最硬的材料。同时它的摩擦系数小，与非铁金属无亲和力，切屑易流出，热导率高，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量好，能有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、末烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材(尤其是实心木和胶合板等复合材料)。

金刚石的缺点是韧性差，热稳定性低。700一800℃时容易碳化，故不适于加工钢铁材料。因为在高温下铁原子容易与碳原子作用而使其转化为石墨结构。此外，用它切削镍基合金时，同样也会迅速磨损。

碳的几种单质之二

教学目标

1．使学生了解金刚石、石墨及木炭的物理特性。

2．使学生进一步了解金刚石、石墨及木炭的用途，物质的性质决定物质的用途这一辩证关系。

教学重点和难点

物质性质及用途的关系。

地质的钻探施工，对于钻探设备、钻探工艺、钻探规程和参数、人员操作方式等等都有不同于浅孔施工的要求。

1工程地质钻探的特点及适用条件

在工程地质勘察中，钻探是最基本最常用的勘探手段。不同类型的建筑物，不同的勘察阶段，不同的工程地质条件下，凡是布置勘探工作的地段，一般均需采用钻探方法。与地质找矿钻探相比，工程地质钻探的特点是：

(1)勘探工程钻孔布置，不光要考虑自然地质条件，还需结合工程类型及特点。如水坝一般应顺坝轴线布孔，工业与民用建筑则需按建筑物的轮廓线布孔等。

(2)钻进深度一般不大，除了大型水利工程，深埋隧道以及为了解专门的地质问题(如控测深岩溶)外，孔深均为十余米至数十米，所以经常采用简易钻探法和轻便钻机。

(3)钻孔多具综合性目的，1个钻孔除了需查明地层岩性、地质结构和水文地质条件外，还要作各种试验、取样、长期观测。有些试验往往与钻进同时进行，所以进尺较慢。

教学目标

知识目标

了解金刚石、石墨等碳的单质的物理性质和用途；

通过分析金刚石、石墨是由碳元素组成的两种不同单质，进一步理解元素和单质这两个基本概念的区别和联系。

能力目标

通过三种单质用途的学习，继续深化“结构决定性质”思路，培养对比思维能力；

教学目的：1、了解金刚石、石墨、木炭等的物理性质，并联系性质了解它们的主要用途。

2、通过对金刚石、石墨和常见炭的学习，对学生进行共性、个性关系的认识人和学习方法的培养与教育。

教学的重点难点：1、金刚石、石墨的重要物性和用途;

2、金刚石和石墨物性差异很大的原因。

教学过程

【引入】讲述金刚石、钻石样品或投影幻灯片等。展示具有金属光泽、深灰色、鳞片状的石墨样品。