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超硬新材料的应用
据报道，超硬材料的用途非常广泛，无论是钻探石油和修公路用的钻头，还是精密仪器和手表表面的抗摩涂层，都需要使用超硬材料。加州大学洛杉矶分校科学家开发出一种制造超硬材料的新方法，他们制造的超硬材料具有的耐摩性和抗裂性。他们的发现已经刊登在4月20日出版的《科学杂志》上。 这项研究的合著者查德·B·凯恩是加州大学洛杉矶分校无机化学、材料科学和工程学教授。他认为，金刚石之所以是世界上硬的材料，是因为金刚石的碳原子间具有极短的共价键。实事上，世界上所用的大多数金刚石都是人工合成的，而且价格非常昂贵。金刚石粉未可用于制造石油钻头、筑路机和挖山洞用的挖穴机。然而，金刚石不能用于切割钢铁，因为切割钢铁将毁坏金刚石刀片。凯恩说，立方结构的氮化硼是金刚石的替代品，可以用来用来切割钢铁，但它是在非常高的温度和压力条件上合成的，其价格比金刚石还要昂贵。 超硬材料具有“超级不可压缩性”，意思是它们具有抵抗外形变化的抗性，这正是产生硬度的必要条件。制造超硬材料的方法有两种：一种是通过使用碳元素并将其与硼或氮合成在一起来仿制金刚石，从而保持较短的共价键；另一种是寻找具有“不可压缩性”的金属并设法使其坚硬。凯恩和他的同事正在发展第二种方法。凯恩说：“我们的设想是合成一种‘不可压缩的’金属，这种金属碰巧是低硬度的，但它具有可以使其变硬的短共价键。”凯恩是加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究院成员，该研究院鼓励通过跨学科合作来解决纳米科学和纳米技术领域的相关问题。石材 锇是一种相对柔软的金属元素，是目前所知道的具“不可压缩性”的金属，2005年，凯恩的研究团队把锇元素与短共价键原子合成在一起，制造出一种几乎与金刚石同样“不可压缩的”材料。它是如此坚硬，甚至可以在硬度达9级的蓝宝石上划出痕迹（硬度的划分级别为1－10级）。“我们发现，如果我们把硼和锇结合在一起，我们只能使锇金属中锇原子的分隔距离扩大10%，这已经非常不错了；如果你想尽可能地缩小原子之间的分隔距离，就需要寻找更好的过渡金属。”凯恩说：“于是我们仔细搜索了所有过渡金属以确认是否有比锇更好的过渡金属，从而使膨胀系数少于10%。我们发现只有铼具有这种潜力，因此，我们制造出二硼化铼。” 铼是一种高密度、低硬度的金属，它在元素周期表中刚好排在锇元素的后面。“我们合成出了短共价键，我们只能使铼金属中铼原子的分隔距离扩大5%，从而使其既具有‘不可压缩性’又非常坚硬。铼金属中的铼原子之间的距离仅膨胀了5%——这是这篇科学论文的关键。在某个方向上，二硼化铼的‘不可压缩性’与金刚石相同，在另一个方向上，二硼化铼的‘可压缩性’仅比金刚石稍高。”在低作用力下，二硼化铼的硬度与立方结构的氮化硼相等，而氮化硼是第二硬的材料。在更高的作用力下，二硼化铼的硬度仅比氮化硼稍低。凯恩称：“我们的材料非常坚硬，足以划破金刚石，比二硼化锇要硬得多。” 而且其它超硬材料，包括金刚石和立方结构的氮化硼都是在昂贵的高压条件下制造出来的。凯恩说，“我们的材料只需要通过一种简单的程序就可以制造出来，不需要使用压力。”在谈到合作时，凯恩说，“我之所以来到加州大学洛杉矶分校，之所以喜欢这个地方，是因为无论你做什么，比如，以我个人来说，无论你何时想要制造一种新材料，你经常需要你自己不具有的设备和技能。而加州大学洛杉矶分校拥有材料制造领域的和相应的设备，每次我有疑问时，所有人都乐于帮助我进行实验并积极地与我合作。”凯恩认为，尽管新超硬材料有的潜力，但它们还不可能在短时间内取代金刚石。
当前机械工业发展中存在着以下四个问题
06年年底，人们在预测今年机械工业增长速度的时候，采取了比较谨慎的态度，一般认为增长速度在20%左右。然而，从一年的实际运行结果来看，增长速度远远人们的预期。尽管目前的统计数据仍是1～10月的，但根据以往的经验，全年的增长情况已尽在掌握之中。机械工业将在连续4年高速增长的基础上，收获又一个高增长的年份，增长速度将达到28%左右。 持续快速的增长容易使我们对加快转变经济增长方式的紧迫性有所放松，同时还会向社会发出错误信息，进一步诱发产能过度扩张，掩盖我国机械工业供过于求的矛盾，推迟爆发的时间，加剧未来的矛盾。 中国机械工业联合会会长于珍在分析机械工业现状时指出，一方面，产品供不应求、低端产品供过于求的状况至今尚未根本改变，“大而不强”仍是我国机械工业产业结构的主要矛盾；另一方面，对今年机械工业过快增长所可能带来的负面影响要有充分认识。于珍认为，当前机械工业发展中存在着以下四个问题： 一是行业振兴的主体弱而不稳。尽管一批行业排头兵企业进步不小，但就其达到的规模和水平而言，放到世界舞台上既不大更不强。加上现在外资并购我国优势企业的来势很猛，若应对不当，行业振兴的主体将失去依靠，我国机械工业将被长期固化于国际产业链的低端。 二是经济增长方式转变不快，地表现在：过度依赖实物产量的增长，行业发展亟待突破外延增长的惯性；与发达国家的同行相比，现代制造服务业发展不快，成为我们的软肋和短腿；单位产出的能耗和钢材消耗下降缓慢，尤其是2000年后单位产出的能耗钢耗下降明显趋缓；固定资产投资增长过快，产能扩张过猛。 三是自主创新能力不能适应结构升级的需要。以前我国机械工业的产品升级主要依赖于技术引进，但随着差距的缩小，外方对我戒心日深，今后继续依靠引进技术实现产品升级越来越困难，亟须转变技术支撑点，将立足点转移到依靠自主创新的基点上来。由于自主创新的能力尚不适应产品升级需要，核岛装备、燃气轮机、抽水蓄能机组、大型风电机组等产品的竞争力很弱，电站铸锻件尤其是核电所需要的铸锻件严重依赖进口。核级泵阀及仪控系统也是如此，数控系统及数控机床、高水平的低压电器、刀具和模具等关键基础件也不能满足用户要求。近年来，机械工业加工装备的更新改造成绩显著，而研究开发条件没有大的改观。由于长期依靠引进技术，自主创新的经验积累和人才培育严重滞后。 四是主要原材料供应的瓶颈约束日趋强烈。继2004年电站设备用钢材价格上涨后，2005年又出现了冷轧矽钢片价格暴涨。今年更增加了铜、铝、镍等原材料供应奇紧、价格飞涨，同时能源、运输价格也在不断上涨，使上游行业对机械工业发展的约束越来越强。
刀具材料应具备的性能及常用材料
刀具材料是决定刀具切削性能的根本因素，对于加工效率、加工质量、加工成本以及刀具度影响很大。使用碳工具钢作为刀具材料时，切削速度只有10m/min左右；20世纪初出现了高速钢刀具材料，切削速度提高到每分钟几十米；30年代出现了硬质合金，切削速度提高到每分钟一百多米至几百米；当前陶瓷刀具和超硬材料刀具的出现，使切削速度提高到每分钟一千米以上；被加工材料的发展也大大地推动了刀具材料的发展。 一刀具材料应具备的性能 性能优良的刀具材料，是刀具工作的基本条件。刀具切削部分在强烈摩擦、高压、高温下工作，应具备如下的基本要求。 高硬度和高耐磨性 刀具材料的硬度被加工材料的硬度才能切下金属，这是刀具材料的基本要求，现有刀具材料硬度都在60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削条件较复杂，材料的耐磨性还决定于它的化学成分和金相组织的稳定性。 足够的强度与冲击韧性 强度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎与刀杆折断所应具备的性能。一般用抗弯强度来表示。 冲击韧性是指刀具材料在间断切削或有冲击的工作条件下不崩刃的能力，一般地，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。硬度和韧性是一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一个关键。 高耐热性 耐热性又称红硬性，是衡量刀具材料性能的主要指标。它综合反映了刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、抗氧化、抗粘结和抗扩散的能力。 良好的工艺性和经济性 为了便于制造，刀具材料应有良好的工艺性，如锻造、热处理及磨削加工性能。当然在制造和选用时应综合考虑经济性。当前超硬材料及涂层刀具材料费用都较贵，但其使用寿命很长，在成批大量生产中，分摊到每个零件中的费用反而有所降低。因此在选用时一定要综合考虑。 二常用刀具材料 常用刀具材料有工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬刀具材料，目前用得多的为高速钢和硬质合金。 高速钢 高速钢是一种加人了较多的钨、铬、钒、相等合金元素的高合金工具钢，有良好的综合性能。其强度和韧性是现有刀具材料中高的。高速钢的制造工艺简单，容易刃磨成锋利的切削刃；锻造、热处理变形小，目前在复杂的刀具，如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具制造中，仍占有主要地位。 高速钢可分为普通高速钢和高速钢。 普通高速钢，如W18Cr4V广泛用于制造各种复杂刀具。其切削速度一般不太高，切削普通钢料时为40-60m/min。 高速钢，如W12Cr4V4Mo是在普通高速钢中再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元素冶炼而成的。它的度为普通高速钢的1.5-3倍。 粉末冶金高速钢是70年代投入市场的一种高速钢，其强度与韧性分别提高30%-40%和80%-90%．度可提高2-3倍。目前我国尚处于试验研究阶段，生产和使用尚少。 硬质合金 按GB2075—87(参照采用190标准)可分为P、M、K三类，P类硬质合金主要用于加工长切屑的黑色金属，用蓝色作标志；M类主要用于加工黑色金属和有色金属，用黄色作标志，又称通用硬质合金，K类主要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料，用红色作标志。 P、M、K(后面的阿拉伯数字表示其性能和加工时承受载荷的情况或加工条件。数字愈小，硬度愈高，韧性愈差。 www.stonebuy.com 中国石材网 P类相当于我国原钨钛钻类，主要成分为WC+TiC+Co，代号为YT。 K类相当于我国原钨钻类，主要成分为WC+Co，代号为YG。 M类相当于我国原钨钛钽钴类通用合金，主要成分为WC+TiC+TaC(NbC)+Co，代号为YW。 三涂层刀具简述 涂层刀具是近20年出现的一种新型刀具材料，是刀具发展中的一项重要突破，是解决刀具材料中硬度、耐磨与强度、韧性之间矛盾的一个有效措施。涂层刀具是在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性高的难熔化金属化合物而获得的。常用的涂层材料有TiC、TiN和Al2O3等。本世纪70年代初在硬质合金基体上涂覆一层碳化钛(TiC)后，把普通硬质合金的切削速度从80m/min提高到180m/min。1976年又出现了碳化钛—氧化铝双涂层硬质合金，把切削速度提高到250m/min。1981年又出现了碳化钛-氧化铝-氮化钴三涂层硬质合金，使切削速度提高到300m/min。 在高速钢基体上刀具涂层多为TiN，常用物理气相沉积法(PVD法)涂覆，一般用于钻头、丝锥、铣刀、滚刀等复杂刀具上，涂层厚度为几微米，涂层硬度可达80HRC，相当于一般硬质合金的硬度，度可提高2—5倍，切削速度可提高20%-40%。 硬质合金的涂层是在韧性较好的硬质合金基体上，涂覆一层几微米至十几微米厚的高耐磨、难熔化的金属化合物，一般采用化学气相沉积法(CVD法)。我国株洲硬质合金厂生产的涂层硬质合金的涂层厚度可达9µm，表面硬度可达2500-4200HV。 目前各工业发达国家对涂层刀具的研究和推广使用方面发展非常迅速。处于地位的瑞典，在车削上使用涂层硬质合金刀片已占到70%-80%，在铣削方面已达到50%以上。但是涂层刀具不适宜加工高温合金、钛合金及非金属材料，也不适宜粗加工有夹砂、硬皮的锻铸件。 四金刚石刀具 金刚石刀具分为天然金刚石和人造金刚石刀具。天然金刚石具有自然界物质中高的硬度和导热系数c但由于价格昂贵，加工、焊接都非常困难，除少数特殊用途外(如手表精密零件、光饰件和首饰雕刻等加工)，很少作为切削工具应用在工业中。随着高技术和超精密加工日益发展。例如微型机械的微型零件，原子核反应堆及其它高技术领域的各种反射镜、导弹或火箭中的导航陀螺，计算机硬盘芯片、加速器电子枪等超精密零件的加工，单晶大然金刚石能满足上述要求。近年来开发了多种化学机理研磨金刚石刀具的方法和保护气氛钎焊金刚石技术．使天然金刚石刀具的制造过程变得比较简易．因此，在超精密镜面切削的高技术应用领域．天然金刚石起到了重要作用。 20世纪50年代利用高温高压技术人工合成金刚石粉以后，70年代制造出金刚石基的切削刀具即聚晶金刚石(PCD)。PCD晶粒呈无许许序排列状态．不具方向性，因而硬度均匀。它有很高的硬度和导热性，低的热胀系数。高的弹性模量和较低的摩擦系数，刀刃非常锋利。它可加丁各种有色金属和极耐磨的非金属材料，如铝、铜、镁及其合金、硬质合金、纤维增塑材料、金属基复合材料、木材复合材料等。中国石材网http://news.stonebuy.com 制造设备 三种主要金刚石刀具材料——PCD、CVD厚膜和人工合成单晶金刚石各自的性能特点为：PCD焊接性、机械磨削性和断裂韧性高，抗磨损性和刃口质量居中，抗腐蚀性差。CVD厚膜抗腐蚀性好，机械磨削性、刃口质量和断裂韧性和抗磨损性居中，可焊接性差，人工合成单晶金刚石刃口质量、抗磨损性和抗腐蚀性好，焊接性、机械磨削性和断裂韧性差。 金刚石刀具是目前高速切削(2500~5000m/min)铝合金较理想的刀具材料，但由于碳对铁的亲和作用，特别是在高温下，金刚石能与铁发生化学反应，因此它不宜于切削铁及其合金工件。 五立方氮化硼 立方氮化硼(CBN)是纯人工合成的材料。它是20世纪50年代末用制造金刚石相似的方法合成的第二种超硬材料——CBN微粉。由于CBN的烧结性能很差，直至70年代才制成立方氮化硼结块(聚晶立方氮化硼PCBN)，它是由CBN微粉与少量粘结相(Co、Ni或TiN、TiC或Al2O3)在高温高压下烧结而成。CBN是氮化硼的致密相，有很高的硬度(仅次于金刚石)和耐热性(1300、1500度)，优良的化学稳定件(远优于金刚石)和导热性，低的摩擦系数。PCBN与Fe族元素亲和性很低，所以它是高速切削黑色金属较理想的刀具材料。
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