自古以來，金剛石就一直引(yin)起人(ren)們(men)的(de)關(guan)注。這種極其稀(xi)有的(de)天然(ran)(ran)礦(kuang)物，大約在公元前三千年就在印度(du)被(bei)發現。“金(jin)剛石”一詞源(yuan)于阿拉伯語和(he)希臘文，說明金(jin)剛石極高的(de)硬度(du)早在古代(dai)就為人(ren)們(men)所認識。然(ran)(ran)而(er)在相當長的(de)一段時期里，人(ren)們(men)僅(jin)把開采(cai)的(de)天然(ran)(ran)金(jin)剛石當作“寶石”，主(zhu)要用來(lai)制作華麗漂亮(liang)的(de)高級裝飾(shi)品，如價值(zhi)連城的(de)鉆石項鏈(lian)和(he)鉆戒等。

       人類最早利用天然金剛石制作金剛石刀具，是利用天然金剛石自然棱角做切削刀刃進行切割加工的，如砂輪整形刀、玻璃刻刀，珠寶、玉石雕刻刀等。后來，隨著鉆石首飾研磨拋光技術(shu)的(de)(de)發展，具有(you)人工精磨而成切削刃的(de)(de)天然(ran)金(jin)剛(gang)石(shi)刀具應運而生。

▲ 精密金(jin)剛石砂輪整形刀(dao)

       二次世(shi)界大戰期間，為(wei)了滿(man)足軍事(shi)裝備的(de)(de)(de)(de)(de)(de)精(jing)密(mi)切(qie)削加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)需(xu)(xu)要，以及二戰后為(wei)滿(man)足手表精(jing)密(mi)零件(jian)，裝飾(shi)件(jian)和首(shou)飾(shi)雕花等(deng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)需(xu)(xu)要，天然(ran)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)刀(dao)具(ju)應用(yong)(yong)(yong)市(shi)場逐(zhu)漸(jian)發展起來。20世(shi)紀70年代，現代尖端科學(xue)技(ji)術(shu)領域的(de)(de)(de)(de)(de)(de)許多(duo)產品，如用(yong)(yong)(yong)于(yu)航空工(gong)(gong)(gong)業的(de)(de)(de)(de)(de)(de)陀螺儀、激光(guang)器(qi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)金(jin)(jin)屬反射鏡(jing)(jing)(jing)，雷達的(de)(de)(de)(de)(de)(de)波導(dao)管內腔，激光(guang)打印機(ji)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)多(duo)面(mian)(mian)棱(leng)鏡(jing)(jing)(jing)，錄像機(ji)磁頭、復(fu)印機(ji)硒鼓(gu)、計算機(ji)磁盤基片以及太空望遠(yuan)鏡(jing)(jing)(jing)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)大型(xing)反射鏡(jing)(jing)(jing)、紅外(wai)(wai)反射鏡(jing)(jing)(jing)、紅外(wai)(wai)透(tou)鏡(jing)(jing)(jing)、菲尼(ni)爾透(tou)鏡(jing)(jing)(jing)等(deng)，都要求(qiu)得(de)(de)到超光(guang)滑的(de)(de)(de)(de)(de)(de)加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)表面(mian)(mian)和高的(de)(de)(de)(de)(de)(de)加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)精(jing)度(du)，用(yong)(yong)(yong)傳統的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研磨拋光(guang)加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)方(fang)法，不(bu)(bu)僅(jin)加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)時間長，費用(yong)(yong)(yong)高，操作(zuo)難度(du)大，而且(qie)不(bu)(bu)易(yi)達到要求(qiu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)精(jing)度(du)。因此(ci)，亟需(xu)(xu)開發新的(de)(de)(de)(de)(de)(de)加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)方(fang)法。在現實需(xu)(xu)求(qiu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)推動(dong)下，在已(yi)有的(de)(de)(de)(de)(de)(de)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)車削技(ji)術(shu)基礎上，天然(ran)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)刀(dao)具(ju)超精(jing)密(mi)鏡(jing)(jing)(jing)面(mian)(mian)切(qie)削技(ji)術(shu)得(de)(de)到迅速(su)發展。不(bu)(bu)僅(jin)作(zuo)為(wei)超精(jing)密(mi)鏡(jing)(jing)(jing)面(mian)(mian)切(qie)削的(de)(de)(de)(de)(de)(de)關鍵(jian)技(ji)術(shu)之(zhi)一(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)天然(ran)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)刀(dao)具(ju)技(ji)術(shu)在理論(lun)和實踐方(fang)面(mian)(mian)取得(de)(de)了創(chuang)新和發展，而且(qie)天然(ran)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)超精(jing)密(mi)刀(dao)具(ju)應用(yong)(yong)(yong)市(shi)場迅速(su)擴大，天然(ran)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)需(xu)(xu)求(qiu)量(liang)也隨之(zhi)迅速(su)增加(jia)(jia)(jia)(jia)。然(ran)而，世(shi)界上天然(ran)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)中(zhong)適合制作(zuo)切(qie)削刀(dao)具(ju)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)比例非常之(zhi)小，不(bu)(bu)僅(jin)價格(ge)昂貴(gui)，而且(qie)貨源奇(qi)缺，這嚴重地影(ying)響了天然(ran)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)刀(dao)具(ju)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)(yong)領域的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴充。

▲ 天然(ran)金剛石超精密車(che)刀

       隨之出(chu)現(xian)的(de)高(gao)溫高(gao)壓人(ren)工(gong)合成(cheng)金(jin)剛(gang)(gang)石的(de)研究(jiu)始于(yu)1940年(nian)，瑞典和(he)美國(guo)通用電(dian)氣公司分別于(yu)1953 年(nian)和(he)1954年(nian)相(xiang)繼研制(zhi)成(cheng)功(gong)。于(yu)1962年(nian)和(he)1957年(nian)分別投人(ren)工(gong)業(ye)(ye)生(sheng)產(chan)；之后，南非、日(ri)本(ben)、前蘇聯(lian)等國(guo)家也(ye)相(xiang)繼宣布(bu)研究(jiu)成(cheng)功(gong)并投入生(sheng)產(chan)。我國(guo)也(ye)于(yu)1963年(nian)成(cheng)功(gong)制(zhi)得第(di)一顆金(jin)剛(gang)(gang)石。據不(bu)完(wan)全(quan)統計，目(mu)前世(shi)界上(shang)有近20個多國(guo)家和(he)地區(qu)生(sheng)產(chan)人(ren)造金(jin)剛(gang)(gang)石。隨著世(shi)界工(gong)業(ye)(ye)和(he)科學技術的(de)發展(zhan)，世(shi)界上(shang)人(ren)造金(jin)剛(gang)(gang)石工(gong)業(ye)(ye)不(bu)僅在(zai)產(chan)量上(shang)遠(yuan)遠(yuan)超過天然(ran)金(jin)剛(gang)(gang)石，而且在(zai)某些性(xing)能上(shang)（如抗沖擊(ji)韌性(xing)、抗磨(mo)均勻性(xing)、耐熱性(xing)、導熱性(xing)、透(tou)光性(xing)等）已(yi)超過天然(ran)金(jin)剛(gang)(gang)石。

       聚晶金剛石(簡稱PCD)刀具材料的發展始于對天然聚晶金剛石的研究。在自然界存在的聚晶金剛石中，其中有兩種命名為卡博納多（Carbonado）和巴拉斯（ballas）。卡博納多是一種由許多細小金剛石與少量其他物質聚結而成的塊狀多晶體，晶粒呈無序排列故無解理面。巴拉斯的外形似球或者橄欖形，其堅固的外殼由輻射狀的金剛石構成。此兩種天然聚晶金剛石具有硬度高、耐磨、無解理面、抗沖擊性好等優良特性。20世紀60年代初，為解決金剛石制造和加工使用過程中產生的金剛石微粉的(de)利用問題，人們提出能(neng)否(fou)將(jiang)金(jin)剛(gang)石微粉副產品加(jia)工制(zhi)造成人造卡(ka)博納(na)多(duo)的(de)發展思想。之(zhi)(zhi)后(hou)制(zhi)造卡(ka)博納(na)多(duo)的(de)嘗試和方案如雨后(hou)春筍般不(bu)斷出現。1967 年前(qian)蘇聯的(de)科學家(jia)宣布了人工合成由石墨相變聚(ju)結的(de)人造巴拉斯(si)和人造卡(ka)博納(na)多(duo)。之(zhi)(zhi)后(hou)，美國(guo)、日本相繼完成了高壓高溫(wen)(wen)燒(shao)(shao)結聚(ju)晶金(jin)剛(gang)石的(de)試驗。英(ying)國(guo)DeBeers公(gong)司早期(qi)的(de)PCD產品就是先(xian)將(jiang)金(jin)剛(gang)石微粉燒(shao)(shao)結成聚(ju)晶金(jin)剛(gang)石塊，然后(hou)通過高溫(wen)(wen)釬焊(han)或二次高壓燒(shao)(shao)結的(de)辦法，將(jiang)PCD與硬質(zhi)合金(jin)或其他基體材料焊(han)接在一起。之(zhi)(zhi)后(hou)又研究出超高壓高溫(wen)(wen)一次燒(shao)(shao)結成型。

▲ 聚晶(jing)金(jin)剛石(shi)PCD

       聚(ju)晶(jing)金(jin)(jin)剛石復(fu)合(he)(he)(he)片(pian)(簡稱PDC)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)材料(liao)的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)是(shi)(shi)在PCD研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)的(de)(de)基礎上發展起來(lai)的(de)(de)。硬(ying)質合(he)(he)(he)金(jin)(jin)作為(wei)PCD的(de)(de)基體材料(liao)，既有(you)好的(de)(de)韌性和一定的(de)(de)硬(ying)度(du)，同時(shi)又具(ju)有(you)可焊(han)(han)性以及(ji)與(yu)PCD的(de)(de)某種兼容性。因此，1973年美國(guo)GE公司(si)首(shou)批商品供應的(de)(de)Compax產品就是(shi)(shi)沿(yan)著這一認識而(er)(er)設計的(de)(de)。它(ta)是(shi)(shi)將(jiang)金(jin)(jin)剛石微粉在超高壓(ya)高溫下一次性燒結(jie)在硬(ying)質合(he)(he)(he)金(jin)(jin)基體上，從而(er)(er)將(jiang)PCD與(yu)硬(ying)質合(he)(he)(he)金(jin)(jin)復(fu)合(he)(he)(he)成(cheng)一個(ge)整體。由于(yu)它(ta)既具(ju)有(you)金(jin)(jin)剛石硬(ying)度(du)和耐(nai)磨性又具(ju)有(you)硬(ying)質合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)韌性和可焊(han)(han)性之優點(dian)，因此，它(ta)的(de)(de)出現具(ju)有(you)劃(hua)時(shi)代(dai)的(de)(de)意(yi)義(yi)。之后(hou)，英國(guo)DeBeers公司(si)于(yu)1977年推(tui)(tui)出了與(yu)Compax相(xiang)似的(de)(de)產品Syndite系列；日本(ben)住友(you)電氣公司(si)推(tui)(tui)出了DA系列；瑞典桑得維(wei)克公司(si)推(tui)(tui)出了CD系列。我(wo)國(guo)成(cheng)都工具(ju)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)所1975年研(yan)(yan)制(zhi)成(cheng)功金(jin)(jin)剛石復(fu)合(he)(he)(he)刀(dao)(dao)(dao)片(pian)FJ系列；人工晶(jing)體研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)所1979年初步制(zhi)成(cheng)? (12.5X4)mm和?(10X3)mm圓片(pian)狀復(fu)合(he)(he)(he)刀(dao)(dao)(dao)片(pian)JYF型；1981年貴州第(di)六砂(sha)輪廠(chang)研(yan)(yan)制(zhi)出了JRS-F聚(ju)晶(jing)金(jin)(jin)剛石復(fu)合(he)(he)(he)刀(dao)(dao)(dao)片(pian)，并成(cheng)功地(di)應用(yong)于(yu)車(che)刀(dao)(dao)(dao)、鏜(tang)刀(dao)(dao)(dao)、切刀(dao)(dao)(dao)、銑刀(dao)(dao)(dao)和寬刃光(guang)刀(dao)(dao)(dao)(刃長20mm)。據不完全統計，國(guo)內外約有(you)20多(duo)家生(sheng)產和研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)單位組織過60多(duo)個(ge)專家小組直接從事(shi)PCD、PDC材料(liao)的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)生(sheng)產開發。

▲ 聚晶金(jin)剛石(shi)復(fu)合片PDC

       低(di)溫(wen)低(di)壓(ya)化學氣(qi)相沉積(CVD)法制(zhi)備金(jin)剛(gang)石(shi)是一種神奇的(de)(de)制(zhi)備技(ji)術，起始(shi)于1970年前(qian)蘇(su)(su)聯(lian)的(de)(de)成功(gong)實(shi)驗(yan)。約在1980年前(qian)后(hou)，日(ri)本人重(zhong)復了前(qian)蘇(su)(su)聯(lian)人先前(qian)的(de)(de)工作，用實(shi)驗(yan)證實(shi)了在低(di)溫(wen)低(di)壓(ya)下非金(jin)剛(gang)石(shi)襯底上氣(qi)相沉積生長(chang)金(jin)剛(gang)石(shi)晶體(ti)(ti)是可行的(de)(de)。1986年2月，美國(guo)(guo)(guo)公(gong)開宣布(bu)也用CVD方(fang)法低(di)溫(wen)低(di)壓(ya)生長(chang)金(jin)剛(gang)石(shi)晶體(ti)(ti)取(qu)得成功(gong)。這項(xiang)新技(ji)術立即引起了世界(jie)科技(ji)界(jie)極大的(de)(de)興趣和各國(guo)(guo)(guo)政府的(de)(de)密(mi)切關注。這股(gu)研究熱潮，不僅使發達國(guo)(guo)(guo)家(jia)如日(ri)本、美國(guo)(guo)(guo)、德國(guo)(guo)(guo)等投入(ru)了大量的(de)(de)人力物力，而且使發展中國(guo)(guo)(guo)家(jia)也相繼(ji)卷入(ru)。

▲ 獨立式(shi)CVD金剛石晶片(pian)

       自然界不存在立方氮化硼，立方氮化硼(CBN)是繼人造金剛石問世以后，人工合成的硬度僅次于金剛石的第二種超硬材料。1957年美國GE公司首次成功合成CBN單晶，我國于1966年試制成功立方氮化硼。由于立方氮化硼的特殊性能和用途，作為磨料級的(de)CBN單(dan)晶發展速度非常快，產量(liang)和(he)年耗用量(liang)的(de)增長率都在迅速增長。

▲ 立方氮(dan)化(hua)硼CBN

       聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具材料是借助于聚晶金剛石合成工藝過程發展起來的。由于PCBN刀具材料具有高硬度，高的熱穩定性和與鐵族元素的惰性，它不僅可以廣泛應用于普通鋼鐵材料的切削加工，而且還可加工淬硬鋼代替傳統的磨削加(jia)工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝。因此，近年(nian)來(lai)其(qi)應(ying)用市(shi)場(chang)迅速發展。廣泛(fan)應(ying)用于汽車制造業、重型設備的(de)高(gao)耐磨部件如軋(ya)輥等的(de)加(jia)工(gong)(gong)、宇航、軍工(gong)(gong)、噴(pen)涂焊等加(jia)工(gong)(gong)工(gong)(gong)業。

▲ 聚(ju)晶(jing)立方氮化硼（PCBN）

       刀具以上是超硬刀具的發展簡史，如果想進一步了解國內最新的研究進展及前沿技術成果，敬請關注2022年11月15-17日由DT新材料&中國超硬材料網聯合舉辦的第六屆國際碳材料大會暨產業展覽會（Carbontech 2022），將于深圳國際會展中心（寶安新館）14號館盛大啟幕！

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