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金刚石和超硬材料的应用与展望

 1 概述
自1955年美国GE公司采用高温高压的方法获得人造金刚石以来,引起全世界的关切,尤其是对缺乏天然金刚石矿藏的国家具有巨大的吸引力。1957年以高温高压的方法合成了立方氮化硼。(CBN)。这些人造材料大大地丰富了材料宝库,特别有利于切削工具的发展。当时这些材料在机械加工领域的主要用途是作磨料。经过20多年的努力,1977年GE公司又成功地开发了金刚石烧结体(PCD)和CBN烧结体(PCBN),并制造成刀片,使人造超硬材料的用途进一步扩展,由磨削扩展到了切削。
更可喜的是大颗粒的单晶金刚石和单晶CBN的合成,为取代天然金刚石创造了条件。据资料表明,当前已经合成的人造单晶金刚石中,蕞大的竟重达34.2克拉,但是要实际应用尚有待进一步的研究、探索,而且现在的成本也昂贵。
我国在人造金刚石方面的发展也十分迅速,据统计,1993年全世界的产量为9亿克拉,而我国已达到2.1~2.3亿克拉,居世界首位。这表明我国在这个领域的潜力相当大。这门技术的发展为推动超硬材料在我国的广泛应用创造了前提。
化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)技术的突破,对切削工具的发展来说是一次**,先是涂复各种陶瓷材料,而今发展到了类金刚石膜、金刚石膜、和CBN膜的超硬材料的涂层。这种发展几乎使所有切削工具相应地提高了表面硬度。而今气相沉积技术依然在发展,就金刚石而言,已从薄膜向厚膜扩展,其沉积的速度由一般的每小时数微米发展到了蕞大每小时0.93mm。
今天科技在飞速发展,新材料大量涌现,其中相当一部分是高合金钢、高硅铝合金、高强度的复合材料、这些都属于难切削材料,如宇航工业常用的Inconel718镍基合金即为一例。由于超硬材料的发展,便大大缓解了这些材料难加工的局面。
当前,工业发达的国家已将这些新材料的研究成果迅速地应用到了制造行业,从而提高了生产率,特别是欧美和日本。我国虽然在这方面有了长足的进步,但是在提高和应用上存在着相当大的差距。面对21世纪的挑战,人造金刚石、人造CBN等超硬材料必将发挥出巨大的作用,人们可以拭目以待。

2金刚石、超硬材料的特性与作用

天然单晶金刚石是世界上蕞硬的物质,所以作为磨料和切削工具,其性能是无与伦比的,以金刚石车刀为例,其刃口圆弧半径可以刃磨到连扫描电子显微镜,SEM,也无法检测,直到现在还没有一种材料能取而代之,利用它来切削加工,往往可以直接获得镜面,当前被广泛地应用于仪表、电子、光学等领域,成为不可缺少的切削工具的材料,但是因成本昂贵,刃磨需要高超的技艺,所以一直妨碍其广泛的应用。
超硬材料由于性能优越,应用不断地在扩大,已从金属加工发展到了光学玻璃加工、石材加工、陶瓷加工、硬脆材料加工等传统加工难进行的领域。
天然单晶金刚石,由于具有各向异性,因此各晶面的硬度相差甚大,在刀具刃磨时,择其软的一面作为研磨面,而将其硬的面作为前刀面或后刀面,这给研磨带来了有利的条件,因其各向异性,所以在使用中,必须考虑到晶面的合理选择,例如,硬度计的压砧,在使用中,利用压入或弹跳来衡量被测材料的硬度,但由于工作面的硬度不同,结果也各异,当然采用硬的面,有利于延长寿命,又如天然金刚石制造的拔丝模,由于孔的工作面由各晶面构成,因此硬度不一致,磨损便不均匀,同时会给线材的圆截面造成应力差异,硬度不匀,而影响使用,金刚石烧结体和厚膜金刚石,由于各向同性,在这类产品上运用就变得非常有利。
PCD、PCBN,因其晶粒不同,浓度不同,性能也就不同,必须合理选择。
厚膜金刚石是纯金刚石,其硬度接近天然金刚石,而PCD、PCDN是金刚石粉与结合剂混合在一起烧结而成,因此硬度受到结合剂的影响,其硬度不如前者。
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