本文針對金剛石膜(CVD)在切削刀具中的應用，討論了金剛石膜焊接復合刀具對刀體材料要求和制造方法。根據金剛石良合刀具制造工藝及使用要求，對真空自活性釬焊所用釬料的化學成分的選擇進行了分析，提出了確定活性針料化學成分的原則及常用針料的化學成分。

0．前言

金剛石膜具有硬度高、耐磨損，摩擦系數小，導熱性好等特點，是制造切削有色金屬和非金屬材料刀具的理想材料。人造金剛石膜的刀具分為兩種類型：金剛石膜涂層刀具，金剛石膜焊接刀具。粘結力較弱是金剛石涂層刀具最突出的問題。粘結力較弱的原因有兩個：一是化學氣相沉積（CVD）附口過程中，產生很大的熱應力；二是基體材料存在著許多降低接頭強度的因素。近年來，利用生長基體金屬同金剛石膜的熱膨脹系數相差較大粘附強度低，在基體上沉積金剛石膜，隨著基體的冷卻，金剛石膜自動脫落，得到獨立的金剛石厚膜。文獻采用等離子體時流CVD法在Mo基體上沉積金剛石膜，獲得獨立的金剛石厚膜（0.3-1.3mm）。利用這種膜與刀體材料焊接簾（備切削刀具兼有單晶金剛石刀具和金剛石薄膜涂層刀具的優(yōu)點，是一種應用前景極為廣闊的新型刀具。

1.金剛石厚膜焊接刀具的制造方法

1-1金剛石厚膜的成型

由于金剛石厚膜硬度高，耐磨性好、而且不導電。所以常見的機械切削、線切割、超聲波加工等工藝方法均不適用于金剛石厚膜的切割加工，常用的方法是激光切割。激光切割不僅能將金剛石厚膜切割成所需要的形狀和尺寸，還能直接切出刀具的后角和修正厚膜表面。一般金剛石車刀的前角以0°為標準，根據需要可在+5°的范圍內選取。在強調車刀的耐磨性和尖刀強度的情況下。也可以采用負前角（-20°左右）。負后角一般以5°為標準，根據使用條件可在2.5~10°范圍內選取。由前刀面和后刀面構成的鍥角在85°以上，可得到高精度的刀尖。

本文針對金剛石膜(CVD)在切削刀具中的應用，討論了金剛石膜焊接復合刀具對刀體材料要求和制造方法。根據金剛石良合刀具制造工藝及使用要求，對真空自活性釬焊所用釬料的化學成分的選擇進行了分析，提出了確定活性針料化學成分的原則及常用針料的化學成分。

0．前言

金剛石膜具有硬度高、耐磨損，摩擦系數小，導熱性好等特點，是制造切削有色金屬和非金屬材料刀具的理想材料。人造金剛石膜的刀具分為兩種類型：金剛石膜涂層刀具，金剛石膜焊接刀具。粘結力較弱是金剛石涂層刀具最突出的問題。粘結力較弱的原因有兩個：一是化學氣相沉積（CVD）附口過程中，產生很大的熱應力；二是基體材料存在著許多降低接頭強度的因素。近年來，利用生長基體金屬同金剛石膜的熱膨脹系數相差較大粘附強度低，在基體上沉積金剛石膜，隨著基體的冷卻，金剛石膜自動脫落，得到獨立的金剛石厚膜。文獻采用等離子體時流CVD法在Mo基體上沉積金剛石膜，獲得獨立的金剛石厚膜（0.3-1.3mm）。利用這種膜與刀體材料焊接簾（備切削刀具兼有單晶金剛石刀具和金剛石薄膜涂層刀具的優(yōu)點，是一種應用前景極為廣闊的新型刀具。

1.金剛石厚膜焊接刀具的制造方法

1-1金剛石厚膜的成型

由于金剛石厚膜硬度高，耐磨性好、而且不導電。所以常見的機械切削、線切割、超聲波加工等工藝方法均不適用于金剛石厚膜的切割加工，常用的方法是激光切割。激光切割不僅能將金剛石厚膜切割成所需要的形狀和尺寸，還能直接切出刀具的后角和修正厚膜表面。一般金剛石車刀的前角以0°為標準，根據需要可在+5°的范圍內選取。在強調車刀的耐磨性和尖刀強度的情況下。也可以采用負前角（-20°左右）。負后角一般以5°為標準，根據使用條件可在2.5~10°范圍內選取。由前刀面和后刀面構成的鍥角在85°以上，可得到高精度的刀尖。

本文作者：倪林祥

一、影響金剛石鉆頭充分發(fā)揮技術經濟指標的因紊

1.鉆頭微燒引起拉槽,金剛石孕鑲鉆頭在鉆壓的作用下,以一定的線速度運動,‘可以簡單地把鉆頭和巖石視為一摩擦系統(tǒng),金剛石鉆頭胎體的溫升就是由于鉆頭端面在巖石表面作相對位移時,由摩擦功而引起的。因此,溫升的速度、高低與壓力、線速度成正比,和冷卻條件(包括鉆頭水馬力,水口數和胎體壁厚)成反比。孕鑲金剛石鉆頭出現拉槽,即形成“0”形圈(圖3)的原因是,當沖洗液流經鉆頭內徑,通過水口和金剛石出刃與巖石間的微隙通道,由于傳導和對流作用,將熱量帶走,在胎體壁內外徑向產生溫度梯度(見圖2)。如圖2所示的相對高溫區(qū)的瞬時溫升達到金剛石石墨化的溫度時,便出現微燒現象。其表現是鉆頭端面發(fā)黑,或者粘著一層薄薄的巖粉。由現場觀察發(fā)現,微燒現象多半出自地層軟硬變化,鉆壓忽大忽小,時效忽快忽慢,或者在硬巖層中強力鉆進,一般在進尺平穩(wěn)時很少發(fā)生。如果微燒現象不能及時發(fā)現,并采取相應的技術措施,惡性循環(huán)的結果,必然導致“o”形圈的形成。但是,金剛石層消耗到一定程度后,出現“0”形圈則不在此列。2.鉆頭異常磨損(1)目前各廠出產的鉆頭,內外徑公稱尺寸不一,其變化范圍在協38.5一協39.5之間,造成互換性差,尤其在硬巖層中鉆進,若有殘留巖心,用小內徑鉆頭套掃;抑或在硬碎巖層中鉆進,巖心碎塊脫落,磨損內徑邊緣,形成內臺階(圖5)。(2)雙管接頭的補強合金鑲嵌不牢,落入孔底,抑或孔口管與裸孔連接處出現臺階,或孔壁“探頭石”未及時清理,每當下鉆時,碰撞胎體,造成崩落,磨損鉆頭外徑邊緣,形成外臺階(圖6)。偶爾亦出現拉槽現象(圖3)。(3)金剛石出露狀態(tài)不好,有殘留巖心,鉆具振動,造成鉆頭內外徑邊緣磨損(圖7)與巖石接觸面積增加。況,或鉆桿連接處漏水,送入孔底沖洗液量不足,抑或短時間停泵,造成輕燒或嚴重燒鉆事故。4.鉆頭與巖心管絲扣加工精度不高,受扭力作用后,擰得太死,采用管鉗卸扣,或者把鋼體夾扁,抑或將胎體夾裂。5.鉆機按裝不牢,鉆具震動歷害,或者在硬巖層中鉆進,仍采用大泵量,產生脈動現象,破壞了鉆頭在孔底的正常工作條件。6.制造方面的原因。在操作過程中經常出現的有以下幾方面:(1)在壓制成形的過程中,粉末中壓力分布是不均勻的。由于顆粒間彼此摩擦,相互楔住,以及一些使顆粒移動困難的因素,而使壓力在模具側壁方向的傳遞,比在壓制方向的傳遞要小得多,粉末與模壁間存在摩擦,會使胎體在高度上出現顯著的壓力降。沿中軸線產生壓力梯度,在低壓燒結條件下較為明顯。由于壓力分布不均勻,壓制密度亦不同,層間的硬度HRc則有差異。在實際操作中可以看到,前幾個回次高度磨耗較少,爾后消耗很快,也是其中因素之一(圖s)。(2)胎體未燒透,工藝不穩(wěn)定,沒有形成粉末冶金要求的假合金,或鋼體清洗不凈,造成胎體脫落或掉塊。(3)保徑天然金剛石或聚晶深入到孕鑲層中(圖ga、b)形成硬支點,或者內外徑補強金剛石未緊貼周邊(圖10),造成鉆頭過早縮徑或擴徑。(4)表鑲鉆頭的金剛石包鑲不牢,嚴重脫粒,或孕鑲鉆頭金剛石濃度不勻,密集部分出現脫粒或剝離現象。7.表鑲鉆頭使用不合理,中一粗粒(2o一40粒/克拉)金剛石鉆頭一般只宜于在中硬以下的完整巖層中鉆進,當時效降低,金剛石磨純,基本不進尺,就應停用回收(占成本費50%)再用。但由于片面追求鉆頭進尺,在金剛石失去切削能力的情況下,仍采用強力鉆進,致使金剛石壓碎,降低其利用率。上面列舉的影響金剛石鉆頭技術經濟指標的因素,是現場最常出現的,有的往往被人們所忽視。歸納起來可分為三方面:第一是地層因素,第二是操作因素(其中也包括管理因素);第三是制造因素。除地層因素之外,只要采取相應的技術措施,便可得瓢改善。下面就四個地質隊所用的孕鑲鉆頭分別按非正常磨損(其中包括拉槽、異常磨損、燒鉆等)和正常磨損統(tǒng)計如下,進行分析,便可看出問題的嚴重性。表內列舉的52個鉆頭,總進尺2936.22米。平均鉆頭進尺56.34米。其中正常磨損的鉆頭27個,占51.92%,進尺2330米,占79.3%,平均鉆頭進尺82.59米,非正常磨損鉆頭25個,占48.08%,進尺606.22米,占20.7%,平均鉆頭進尺24.08米。正常磨損的鉆頭進尺是非正常磨損的3.73倍。表中所列數據是由7一9級的片麻巖類和花崗巖類得到的。如果將非正常磨損的鉆頭平均進尺由24.08米提高到平均進尺56.34米,每米純鉆頭成本(按240元/個計算)由10元/米左右降到4,5元/米左右,經濟效果將很顯著。由此可見,減少鉆頭非正常磨損,是當前提高金剛石鉆進技術經濟指標的關鍵。

二、提高金剛石鉆進技術經濟指標的途徑

提高金剛石鉆進技術經濟指標涉及的范圍很廣,本文僅著重分析與鉆頭有關的問題。1.根據本礦區(qū)的巖性合理選擇鉆頭,目前有的地質隊采用數理統(tǒng)計的辦法,以所鉆的巖層為基礎,按鉆頭技術參數(如金剛石品級、粒度、濃度、胎體硬度等),分別統(tǒng)計鉆頭進尺、時效、回次長度等,進行認真分析研究,然后確定鉆頭選型,并根據各類巖層的分布情況,有計劃地定購鉆頭,設專人管理、發(fā)放,不是泛泛地而是有針對性地制訂切實可靠的技術措施。遇到難于鉆進的巖層,請研究部門或制造廠協助解決。2.適當控制時效,這里所指的只限于在7一9級的中硬、中等研磨性的巖層中鉆進,其時效一般都比較高。如果仍盲目追求機械效率,必然要加大壓力,提高轉速,勢必造成巖粉過多,堵塞出露良好的金剛石出刃的通道,產生微燒,結果是“欲速則不達”,鉆頭壽命大大縮短了。至于時效應控制在什么范圍內,應以鉆頭進尺長、不輕燒、而又具有相當的時效為限度,例如7一8級的片麻巖,一般控制在2.5一2.0米/時。因此,每次起下鉆仔細觀察鉆頭磨損情況,測量鉆頭高耗,這是非常重要的,只有這樣才能制訂合理的時效和高耗的控制范圍。統(tǒng)計一些長壽命的鉆頭發(fā)現一個很有趣的現象,高耗的增量與進尺增量之比的正切,在同類巖層中,近似于常數。如鉆頭技術參數為:金剛石品級一JR3,粒度60一80目,濃度100%,HRc42,鉆進參數為:壓力600一500公斤,轉速600一700轉/分,泵量50一3-升/分。在7一8級的石榴子透輝巖和花崗巖中鉆進,進尺219.79米,回次進尺5.11米,時效3.13米,當鉆到160米處,時效高達5.2米,逐步輕燒,影響鉆頭進尺。此外,還要強調一點,鉆頭經濟效果的好壞,不只取決于鉆頭,而是以每米消耗的綜合成本來衡量的。在某些特殊需要的情況下,例如在漏失地層,潤滑劑耗量大,或孔斜嚴重的孔段,鉆桿磨損大,需要采用快速通過,在不引起微燒的前提下,而對總成本降低有利,那末提高鉆進效率,縱然鉆頭壽命有所縮短還是合算的。3.目前我國各廠家生產的鉆頭,在7一9級中等研磨性巖層中鉆進,取得了回次和鉆頭進尺都比較高的效果,適于繩索取心鉆進,應逐步推廣這一新技術。據北京101隊在片麻巖中采用繩索取心鉆進表明,平均鉆頭進尺為61.00米,每米成本為29.46元,普通雙管平均鉆頭進尺為23.70米,每米成本為43.76兀。4.為改善鉆頭在孔底的工作狀態(tài),即提高鉆頭在孔底的穩(wěn)定性,在巖心管的異徑接頭處和鉆桿的適當部位裝上穩(wěn)定器。5.功56孕鑲鉆頭的水口應不少于8個,亦可在胎體內外徑(如表鑲鉆頭)加銑棱槽,其壁厚可縮小1毫米左右,這種結構的鉆頭較之于常規(guī)結構的鉆頭拉槽現象要少得多。6.國內所采用的天然金剛石孕鑲料,多以不成晶形的低品級剛果型金剛石或回收后的金剛石碰碎而成,其中一部分呈片狀,它們在孕鑲層中切削能力較差,如果經過予處理,嚴格分選,效果要好得多。鄭州廠的天然孕鑲鉆頭能取得較好的效果與此有關。此外對人造金剛石進行嚴格分選,物盡其用.確保鉆頭質量是非常必要的。7.有的地質隊根據不同巖層,定出鉆頭進尺,實行超產獎勵的經濟管理辦法,提商了鉆頭壽命,降低了成本。這也說明,只要改進管理,金剛石鉆頭仍有潛力可挖。8.目前各地質隊都保存有大量用過的金剛石鉆頭,其中大部分可回收表、孕鑲料或補強料。只要經過回收處理,便可變座為用。

三、結束語

摘要：CVD和PVDTiN，TiC，TiCN，TiAlN等硬質薄膜涂層材料已經在工具、模具、裝飾等行業(yè)得到日益廣泛的應用，但仍然不能滿足許多難加工材料，如高硅鋁合金，各種有色金屬及其合金，工程塑料，非金屬材料，陶瓷，復合材料(特別是金屬基和陶瓷基復合材料)等加工要求。正是這種客觀需求導致了諸如金剛石膜、立方氮化硼(c-BN)和碳氮膜(CNx)以及納米復合膜等新型超硬薄膜材料的研究進展。本文對這些超硬材料薄膜的研究現狀及工業(yè)化應用前景進行了簡要的介紹和評述。

關鍵詞：超硬材料薄膜；研究進展；工業(yè)化應用

1超硬薄膜

超硬薄膜是指維氏硬度在40GPa以上的硬質薄膜。不久以前還只有金剛石膜和立方氮化硼(c-BN)薄膜能夠達到這個標準，前者的硬度為50-100GPa(與晶體取向有關)，后者的硬度為50～80GPa。類金剛石膜(DLC)的硬度范圍視制備方法和工藝不同可在10GPa～60GPa的寬廣范圍內變動。因此一些硬度很高的類金剛石膜(如采用真空磁過濾電弧離子鍍技術制備的類金剛石膜(也叫Ta：C))也可歸人超硬薄膜行列。近年來出現的碳氮膜(CNx)雖然沒有像Cohen等預測的晶態(tài)β-C3N4那樣超過金剛石的硬度，但已有的研究結果表明其硬度可達10GPa～50GPa，因此也歸人超硬薄膜一類。上述幾種超硬薄膜材料具有一個相同的特征，他們的禁帶寬度都很大，都具有優(yōu)秀的半導體性質，因此也叫做寬禁帶半導體薄膜。SiC和GaN薄膜也是優(yōu)秀的寬禁帶半導體材料，但它們的硬度都低于40GPa，因此不屬于超硬薄膜。

最近出現的一類超硬薄膜材料與上述寬禁帶半導體薄膜完全不同，他們是由納米厚度的普通的硬質薄膜組成的多層膜材料。盡管每一層薄膜的硬度都沒有達到超硬的標準，但由它們組成的納米復合多層膜卻顯示了超硬的特性。此外，由納米晶粒復合的TiN／SiNx薄膜的硬度竟然高達105GPa，創(chuàng)紀錄地達到了金剛石的硬度。

本文將就上述幾種超硬薄膜材料一一進行簡略介紹，并對其工業(yè)化應用前景進行評述。

一、超硬刀具材料發(fā)展概況

超硬刀具材料是指天然金剛石及硬度、性能與之相近的人造金剛石和CBN(立方氮化硼)。由于天然金剛石價格比較昂貴，所以生產上大多采用人造聚晶金剛石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)以及它們的復合材料。

早在20世紀50年代，美國就利用人造金剛石微粉和CBN微粉在高溫、高壓、觸媒和結合劑的作用下燒結成尺寸較大的聚晶塊作為刀具材料。之后，南非戴比爾斯(DeBeem)公司、前蘇聯和日本也相繼研制成功。20世紀70年代初又推出了金剛石或CBN和硬質合金的復合片，它們是在硬質合金基體上燒結或壓制一層0.5mm～1mm的PCD或PCBN而成，從而解決了超硬刀具材料抗彎強度低、鑲焊困難等問題，使超硬刀具的應用進入實用階段。

我國超硬刀具材料的研究與應用開始于上個世紀70年代，并于1970年在貴陽建造了我國第一座超硬材料及制品的專業(yè)生產廠第六砂輪廠，從1970—1990年整整20年中，超硬材料年產量從僅46萬克拉增至3500萬克拉。上個世紀90年代前后，不少超硬材料生產專業(yè)廠從國外引進成套的超硬材料合成設備及技術，使產量得以迅速提高，至1997年，我國人造金剛石年產量就已達到5億克拉左右，CBN年產量達800萬克拉，躍居世界超硬材料生產大國之首。

金剛石具有極高的硬度和耐磨性，其顯微硬度可達10000HV，是刀具材料中最硬的材料。同時它的摩擦系數小，與非鐵金屬無親和力，切屑易流出，熱導率高，切削時不易產生積屑瘤，加工表面質量好，能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料，如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、末燒結的硬質合金、各種纖維和顆粒加強的復合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨的木材(尤其是實心木和膠合板等復合材料)。

金剛石的缺點是韌性差，熱穩(wěn)定性低。700一800℃時容易碳化，故不適于加工鋼鐵材料。因為在高溫下鐵原子容易與碳原子作用而使其轉化為石墨結構。此外，用它切削鎳基合金時，同樣也會迅速磨損。

碳的幾種單質之一

教學目的

1．使學生了解金剛石、石墨和木炭等碳的單質的物理性質和用途。

2．通過金剛石與石墨組成元素相同而性質不同的分析，使學生加深理解結構與性質的關系。

3．培養(yǎng)學生閱讀自學能力。

重點和難點

碳的幾種單質之二

教學目標

1．使學生了解金剛石、石墨及木炭的物理特性。

2．使學生進一步了解金剛石、石墨及木炭的用途，物質的性質決定物質的用途這一辯證關系。

教學重點和難點

物質性質及用途的關系。

地質的鉆探施工，對于鉆探設備、鉆探工藝、鉆探規(guī)程和參數、人員操作方式等等都有不同于淺孔施工的要求。

1工程地質鉆探的特點及適用條件

在工程地質勘察中，鉆探是最基本最常用的勘探手段。不同類型的建筑物，不同的勘察階段，不同的工程地質條件下，凡是布置勘探工作的地段，一般均需采用鉆探方法。與地質找礦鉆探相比，工程地質鉆探的特點是：

(1)勘探工程鉆孔布置，不光要考慮自然地質條件，還需結合工程類型及特點。如水壩一般應順壩軸線布孔，工業(yè)與民用建筑則需按建筑物的輪廓線布孔等。

(2)鉆進深度一般不大，除了大型水利工程，深埋隧道以及為了解專門的地質問題(如控測深巖溶)外，孔深均為十余米至數十米，所以經常采用簡易鉆探法和輕便鉆機。

(3)鉆孔多具綜合性目的，1個鉆孔除了需查明地層巖性、地質結構和水文地質條件外，還要作各種試驗、取樣、長期觀測。有些試驗往往與鉆進同時進行，所以進尺較慢。

教學目標

知識目標

了解金剛石、石墨等碳的單質的物理性質和用途；

通過分析金剛石、石墨是由碳元素組成的兩種不同單質，進一步理解元素和單質這兩個基本概念的區(qū)別和聯系。

能力目標

通過三種單質用途的學習，繼續(xù)深化“結構決定性質”思路，培養(yǎng)對比思維能力；

教學目的：1、了解金剛石、石墨、木炭等的物理性質，并聯系性質了解它們的主要用途。

2、通過對金剛石、石墨和常見炭的學習，對學生進行共性、個性關系的認識人和學習方法的培養(yǎng)與教育。

教學的重點難點：1、金剛石、石墨的重要物性和用途;

2、金剛石和石墨物性差異很大的原因。

教學過程

【引入】講述金剛石、鉆石樣品或投影幻燈片等。展示具有金屬光澤、深灰色、鱗片狀的石墨樣品。