超硬材料切削具

烏克蘭超硬材料研究所研制的一種類似人造金剛石聚晶體的超硬材料鉆頭切削具。其硬度和耐磨性接近于天然金剛石，幾何形狀有圓柱體和片狀兩種。

將六方氮化硼和觸媒金屬置于合成腔內(nèi)，在1300～2300℃、500～900MPa的高溫高壓下，部分六方氮化硼轉變?yōu)榱⒎降鹞⒕?。也可用靜壓燒結法獲得立方氮化硼晶體。立方氮化硼的晶格與金剛石相似，其硬度和強度接近于金剛石，可作為鉆頭切削具。立方氮化硼開始氧化的溫度超過1300℃，在一定的保護環(huán)境下，可經(jīng)受1900℃以上的高溫，但脆性大，導熱性比金剛石差，熱膨脹系數(shù)大。

用高溫、高壓技術，將細粒人造金剛石單晶，二次合成為0.3～0.8mm厚的人造金剛石聚晶薄片，焊接在硬質(zhì)合金底襯上，或者用高溫、高壓技術，將細粒人造金剛石單晶與硬質(zhì)合金基體直接粘結在一起制成的鉆頭切削具。復合片多為圓形，也可用線切割的方法或直接合成所需要的其它幾何形狀。

將人造金剛石單晶與金屬粘結劑按一定比例混合，在高溫、高壓下二次合成的金剛石聚晶體鉆頭切削具。其熱穩(wěn)定性高于人造單晶金剛石。中國生產(chǎn)的聚晶，磨削比在3～5萬之間，幾何形狀有圓柱狀和三棱柱狀等。

近年來，美國和歐洲共同體的一些國家先后研制出用聚晶金剛石和立方氮化硼為基體材料的復合體切削具已有幾十種。有單元的、也有多元異型的，其幾何形狀、規(guī)格和物理機械性能各不相同，現(xiàn)有幾十種專利，并不同程度地在地質(zhì)勘探、礦山坑道鉆探、石油鉆探中進行試驗和使用。

由于合成工藝技術及設備性能等方面的原因，大多數(shù)超硬材料切削具只能在700℃以內(nèi)的溫度環(huán)境中制成產(chǎn)品。以其制造的地質(zhì)、礦山、石油鉆頭，限用于可鉆性在7級以下的非研磨性或弱研磨性巖層。2100433B

據(jù)數(shù)據(jù)顯示，隨著下游應用市場需求的不斷擴大，復合超硬材料下游需求呈現(xiàn)較快增長的態(tài)勢。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)超硬材料與制品產(chǎn)值大約在1:3-1:6之間，隨著下游復合超硬材料制品市場規(guī)模的不斷增長，復合超硬材料的市場需求隨之擴大，其中高品級金剛石的市場需求占整個市場的比例大約為60-70%。

首先，石油/天然氣鉆頭用PCD復合片的市場容量和需求主要由下游油氣鉆頭市場需求量決定，而油氣鉆頭需求量主要由油氣市場需求和油氣開采企業(yè)開采計劃決定。2009年我國石油產(chǎn)量為18,949萬噸，消費量卻高達38,384.5萬噸，石油對外依賴性強?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》中明確指出要加大石油勘探開發(fā)力度，穩(wěn)定國內(nèi)石油產(chǎn)量。

另一方面，中國天然氣產(chǎn)量和消費量總體呈增長趨勢。數(shù)據(jù)顯示，2005年到2011年我國天然氣產(chǎn)量一直呈現(xiàn)高速增長趨勢。2011年我國天然氣產(chǎn)量增長迅猛，產(chǎn)量占全球天然氣總產(chǎn)量的3.1%，達到1,025億立方米，同比增長8.12%。

隨著我國油氣產(chǎn)量的不斷增長，對于油氣用金剛石復合片的需求量也表現(xiàn)出旺盛的需求。油氣用PCD復合片全球市場規(guī)模約為110億元人民幣，我國市場空間大約為14億元人民幣，發(fā)展?jié)摿薮蟆?

根據(jù)美國能源署（EIA）公布的《2011年全球頁巖氣資源初步評估》報告，中國是全球頁巖氣儲量最多的國家，可采儲量約為36.1萬億立方米，遠高于世界其他國家。進入“十二五”，我國將頁巖氣勘探開發(fā)作為國家能源戰(zhàn)略的重要發(fā)展領域之一，在《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》中指出“退佃煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)油氣資源開發(fā)利用”，在《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011-2015年）》明確目標要“力爭到2020年產(chǎn)量達到600-1,000億立方米”。所以，隨著頁巖氣開發(fā)利用的深入，油氣用PCD復合片必將迎來新的發(fā)展機遇，市場規(guī)模將進一步擴大。

其次，煤田/礦山工具用PCD復合片的市場需求主要受煤炭的開采量影響。國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，我國從1990年到2009年煤炭的產(chǎn)量和消費量都呈現(xiàn)不斷增長的態(tài)勢，產(chǎn)消基本平衡。2011年我國原煤總產(chǎn)量達到35.2億噸，同比增加8.7%。在煤炭產(chǎn)量的不斷帶動下我國礦用金剛石復合片市場規(guī)模不斷擴大，礦山用復合片全球市場規(guī)模近200億元，中國市場規(guī)模約為20億元。

再次，PCD高品級拉絲模胚受線材在工業(yè)生產(chǎn)和工程建設中需求量巨大的帶動，市場容量可觀，但由于PCD 拉絲模坯的生產(chǎn)成本和售價較高，有部分對拉絲效果、精度要求較高的終端用戶選用PCD 拉絲模坯，市場容量有待進一步擴大。

2013年1月17日《自然》雜志發(fā)表燕山大學多晶超硬材料合成技術突破性成果，燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術與科學國家重點實驗室田永君教授領導的研究組在國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體、重點項目、面上項目以及科技部973項目的持續(xù)資助下，與國內(nèi)外科學家合作，在多晶超硬材料合成技術和超硬材料硬化機理研究方面取得突破性進展。利用高溫高壓技術成功地合成出超高硬度的納米孿晶結構立方氮化硼塊材，提出了材料硬化新機制。其研究成果發(fā)表在2013年1月17日最新一期的Nature雜志上。優(yōu)異的綜合性能表明納米孿晶結構立方氮化硼是一種工業(yè)界期盼已久的刀具材料。這一研究成果向人們展現(xiàn)了合成高性能超硬材料的新途徑——— 獲得超細納米孿晶結構。

中國材料科學家燕山大學田永君教授領導的研究團隊與吉林大學馬琰銘教授和美國芝加哥大學王雁賓教授合作，繼2013年合成出極硬納米孿晶立方氮化硼之后再次取得突破，在高溫高壓下成功地合成出硬度兩倍于天然金剛石的納米孿晶結構金剛石塊材。研究成果發(fā)表在2014年6月12日的Nature雜志上。

超硬材料主要是指金剛石和立方氮化硼。金剛石（英文：Diamond）是已知的世界上最硬的物質(zhì),另外C60的硬度可能不亞于金剛石，但尚未定論。立方氮化硼硬度僅次于金剛石。這兩種超硬材料的硬度都遠高于其它材料的硬度，包括磨具材料剛玉、碳化硅以及刀具材料硬質(zhì)合金、高速鋼等硬質(zhì)工具材料。

因此，超硬材料適于用來制造加工其它材料的工具，尤其是在加工硬質(zhì)材料方面，具有無可比擬的優(yōu)越性，占有不可替代的重要地位。止因如此，超硬材料在工業(yè)上獲得了廣泛應用。除了用來制造工具之外，超硬材料在光學、電學、熱學方面具有一些特殊性能，是一種重要的功能材料，引起了人們的高度重視，這方面的性能和用途正在不斷地得到研究開發(fā)。