超硬材料科学与技术 上PDF电子书下载

第一篇 超硬材料与制品机理 3

第一章 碳元素与超硬材料 3

第一节 自然界中碳的存在形式及分类 3

1．1 碳在自然界中存在的形式 3

1．2 自然界中碳存在的基本分类 4

第二节 超硬材料与相关元素在周期表中的分布规律 5

2．1 硬-超硬材料的分类与其晕圈图 5

2．2 超硬材料及相关元素在周期表中的分布规律 7

第三节 材料的硬度与其内部结构的关系 13

3．1 矿物学上硬度的分类 13

3．2 材料的内部结构对其硬度的影响 14

第四节 硬-超硬材料与元素半径和杂化轨道的关系 16

4．1 元素的共价半径和金属原子半径大小与硬度关系 17

4．2 价健与硬度的关系 20

4．3 杂化轨道理论与金刚石的共价键 20

4．4 平均成键能力最大值 22

4．5 金刚石——典型的sp_3杂化轨道 23

第五节 配位多面体对金刚石硬度的影响 24

5．1 配位多面体与配位数 24

5．2 金刚石的配位数及特征 26

第六节 硬-超硬材料的密度与硬度的关系 28

第七节 晶体的原子结构对硬度的影响 29

第八节 几点结论 31

第二章 人造金刚石的基本原理与合成机理 33

第一节 关于碳的压力-温度相图 34

2．1 总则 37

第二节 人造金刚石体系中的界面结合理论 37

2．2 cosθ普适性方程 38

2．3 界面结合特征方程 40

2．4 若干推论 41

第三节 直接法人造金刚石的合成机理 41

3．1 若干实验现象 42

3．2 直接转变为立方金刚石的模式 43

3．3 直接转变为六方金刚石的模式 44

3．4 金属碳的有关问题 45

3．5 直接转变的成核与生长速率 46

第四节 熔媒法人造金刚石的合成机理 48

4．1 若干主要实验现象和规律 48

4．2 三种典型观点的合理部分和局限性 50

4．3 熔媒观点 52

4．4 熔媒效应 54

4．5 熔媒法人造金刚石的成核速率 58

第五节 外延法人造金刚石的合成机理 60

5．1 初期的若干实验现象与分析 61

5．2 金刚石多晶薄膜的合成机理 62

第三章 溶液法人造金刚石的合成机理 78

第一节 人造金刚石从熔融金属中生长的热力学原理 79

第二节 人造金刚石溶液法生长机理的实验研究 80

2．1 人造金刚石的表面特征及其与金刚石晶体生长和溶解的关系 80

2．2 人造金刚石晶体缺陷及其与晶体生长的关系 84

第三节 晶种法生长金刚石单晶的生长系统研究 87

3．1 人造金刚石生长系统研究 87

3．2 溶液体相结构分析 88

3．3 人造金刚石溶液法生长机理的进一步讨论 89

4．1 计算机模拟采用的物理模型 90

第四节 超高压高温条件下人造金刚石晶体生长的计算机模拟 90

4．2 计算机模拟步骤 92

4．3 模拟结果 93

第四章 人造金刚石合成规律的研究 94

第一节 压力等高线与等温线 95

1．1 金刚石转化率与合成温度的关系——压力等高线 95

1．2 金刚石转化率与合成压力的关系——等温线 97

1．3 小结 100

第二节 合成曲面与脊线的概念 101

2．1 合成曲面 101

2．2 脊线 101

2．3 金刚石生长速度与合成压力、温度的关系 102

3．1 质量方程 104

第三节 合成金刚石的质量与压力、温度的关系 104

3．2 讨论 105

第五章 高温高压下氮化硼晶体的结构转化机理 108

第一节 氮化硼晶体的两种结构 109

1．1 六方氮化硼(hBN)的晶体结构及其特点 109

1．2 立方氮化硼(cBN)的晶体结构及其特点 111

第二节 高温高压下hBN向cBN的结构转变 112

2．1 hBN向cBN转变的微观历程及其表达式 113

2．2 hBN向cBN转变的船形模式 116

2．3 椅形和船形两种转变模式的特点 117

第三节 触媒在BN晶体转变过程中的作用 118

3．1 触媒的作用机理 118

3．2 触媒作用下hBN向cBN转变中的微观历程表达式 119

3．3 hBN向cBN转变的本质 120

4．1 碱金属、碱土金属对cBN晶体的反转化作用 122

第四节 立方氮化硼晶体的反转化 122

4．2 过渡金属对cBN晶体的反转化作用 123

4．3 问题讨论 124

第五节 新型超硬材料BCN 125

5．1 BCN三元素单晶体的理论结构 126

5．2 问题讨论 128

第六章 金刚石的粘结机理及金刚石表面金属化 130

第一节 固体表面间的粘结原理 130

第二节 人造金刚石聚晶的粘结机理 132

第三节 粘结剂的选择原则 135

3．1 结构对应原则 135

3．2 定向成键原则 135

3．3 低熔点原则 136

4．1 金刚石与低熔点纯金属的浸润性 138

第四节 金刚石与金属合金的浸润性 138

4．2 合金元素对金刚石浸润性的影响 139

4．3 添加强碳化物形成元素合金对金刚石浸润性的机理 140

4．4 金属合金与金刚石结合界面物相的微观分布 140

第五节 金属合金粘结金刚石工艺 142

5．1 真空焊接金刚石的方法 142

5．2 粉体合金材料粘结金刚石的工艺 143

第六节 金刚石表面金属化的理论与技术 145

6．1 表面金属化金刚石模型 145

6．2 金刚石表面金属化的几种途径 147

6．3 金刚石表面金属化后的性能 148

第七章 金刚石制品的烧结合金化原理 152

第一节 粘结剂中金属元素的性能 152

1．1 粘结剂金属或合金 152

1．2 骨架材料 153

1．3 碳化物形成元素 154

1．4 稀土元素 156

第二节 常用粘结剂中主要元素的行为 157

2．1 国内常用的粘结剂种类 157

2．2 粘结剂主要元素的行为机制 160

第三节 金属和合金对金刚石的润湿 172

3．1 相关概念 172

3．2 金属和合金对金刚石的润湿 174

第四节 金刚石表面金属化 176

4．1 金刚石表面金属化的概念与分类 176

4．2 金刚石表面金属化的常用途径 176

4．3 金刚石—金属键合金表面金属化 176

4．4 表面金属化金刚石的合理应用 183

5．1 烧结 184

第五节 烧结与烧结合金化 184

5．2 常用热压烧结的原理概述 185

5．3 烧结合金化 185

第六节 相关测试及仪器简介 186

6．1 粉末性能的测定 186

6．2 成分、组织、结构的测定 187

第八章 岩石的几种破碎机理 189

第一节 影响岩石破碎和加工的主要物理力学性质 189

1．1 地质特征对岩石机械物理性能的影响 190

1．2 岩石的微观结构对其机械物理性能的影响 191

1．3 与岩石破碎和加工的难易程度有关的岩石力学性质的主要因素 192

第二节 钻进过程岩石破碎机理的分析 198

2．1 粗粒径表镶金刚石工具碎岩机理 201

2．2 孕镶金刚石工具碎岩机理 206

第三节 磨削和锯切机理的分析 211

3．1 石材加工时的磨削机理 212

3．2 石材加工时磨削过程的分析 213

第四节 金刚石工具的磨损机理 217

4．1 连续磨损形式 217

4．2 啮合式磨损形式 218

4．3 磨粒磨损形式 218

4．4 润滑对工具磨损的影响及润滑机理 219

第九章 岩石在外力作用下的破碎机理与金刚石钻进原理 221

第一节 工具压人岩石时的压力分布和应力状态 221

第二节 岩石在外载作用下的破碎发展过程 226

第三节 岩石破碎效果与破碎过程各参数间的关系 231

3．2 破碎工具形状的影响 233

3．1 载荷大小的影响 233

3．3 工具加载性质的影响 234

第四节 岩石可钻性能的确定 236

4．1 岩石压人硬度Py的测定结果 237

4．2 岩石的塑性系数K的测定 238

第五节 回转切削钻进与岩石性能的关系 240

5．1 切向力Fs与轴向力FA的关系 241

5．2 切糟深度与轴向力的关系 242

5．3 切槽宽度与轴向力的关系 242

5．4 单位位移破碎的体积△V/△S与轴向力FA的关系 242

5．5 单位位移破碎功W/△V与轴向力FA的关系 243

第六节 金刚石的钻进原理 244

6．1 调控钻进工艺的基本参量——刃具对岩石的切入量 244

6．2 定切人量钻进工艺指标的国外应用情况 247

第七节 提高金刚石钻进钻速的途径 249

第十章 碳与石墨对人造金刚石合成的影响 255

第一节 碳原子的结构 255

第二篇 超硬材料与制品原材料 255

1．1 碳在工业用途上的分类 256

1．2 碳原子的电子层结构 257

第二节 石墨晶体的结构和性质 257

2．1 石墨晶体的结构 258

2．2 石墨化与石墨化程度 259

2．3 石墨晶体的某些物理性质 261

第三节 人造石墨的制备 264

3．1 石墨化炉的结构 265

3．2 人造石墨的制备 265

第四节 人造金刚石合成用石墨 267

4．2 石墨化程度高低对人造金刚石合成的影响 268

4．1 石墨品种和纯度对人造金刚石合成的影响 268

4．3 石墨密度、石墨与触媒润湿性对合成金刚石的影响 269

4．4 合成金刚石常用的几种石墨 270

第十一章 金属触媒材料 272

第一节 概况 272

第二节 合金触媒的组织结构和性能 274

2．1 合金触媒的组织结构 274

2．2 合金触媒的性能 274

第三节 合成金刚石时触媒的结构 279

3．1 在台阶阶段未生成金刚石 280

3．2 金刚石生长时触媒具有有序结构 280

第四节 金属包膜的作用及其本质 282

4．1 金刚石晶体表面形态和生长特征 282

4．3 石墨向金刚石转变的演化过程 285

4．2 晶体的螺位错和片层生长 285

第五节 合成片的织构与合成效果 287

第六节 合成金刚石的触媒效应 288

6．1 金刚石的光电子能谱分析(XPS) 289

6．2 合成金刚石的触媒效应 291

第七节 触媒与石墨的比表面积和金刚石的产量的关系 292

7．1 两面顶 293

7．2 六面顶 293

第八节 触媒的技术前景 294

8．1 触媒材料制备方法研究 294

8．2 研制粗颗粒高强度高转化率金刚石的合金触媒 295

8．3 开发和研究非金属触媒 295

第一节 压力密封与压力传递介质的选择原则 297

1．1 传压介质的选择原则 297

第十二章 人造金刚石合成中的压力密封和压力传递介质 297

1．2 密封介质的选择原则 298

第二节 叶蜡石的物理性质 299

2．1 叶蜡石的结构与组成 299

2．2 叶蜡石传压性能 301

2．3 叶蜡石的热性能 302

2．4 叶蜡石的热处理对传压性能的影响 303

2．5 叶蜡石高温下的脱水与相变对合成金刚石的影响 303

第三节 滑石和白云石的性质 305

3．1 滑石的性质 306

3．2 白云石的性质 307

第四节 传压介质与密封介质的制备工艺 308

4．1 六面顶压机用叶蜡石粉压块的制备 309

4．2 两面顶压机用传压介质的制备 310

第一节 硬质合金顶锤与压缸材料的选择 312

第十三章 硬质合金顶锤与压缸 312

1．1 硬质合金顶锤与压缸材料的选择 313

1．2 硬质合金顶锤与压缸的型号 314

1．3 硬质合金顶锤与压缸的技术要求 315

1．4 硬质合金顶锤的尺寸及允许偏差 316

1．5 硬质合金压缸的尺寸及允许偏差 317

第二节 硬质合金顶锤的生产技术 318

2．1 混合料的制备 318

2．2 成型 319

2．3 烧结 320

第三节 硬质合金顶锤的质量检验与控制 321

3．1 顶锤物理机械性能的检验 321

3．2 顶锤外表与尺寸的检查 321

3．3 顶锤的质量控制 322

第十四章 六方氮化硼的制备与对立方氮化硼合成的影响 325

第一节 氮化硼的结构 325

1．1 六方氮化硼(hBN)的结构 325

1．2 菱方氮化硼(rBN)的结构 326

1．3 立方氮化硼(cBN)的结构 326

1．4 纤锌矿氮化硼(wBN)的结构 327

第二节 六方氮化硼(hBN)的合成方法 327

2．1 六方氮化硼(hBN)的制备 327

2．2 六方氮化硼(hBN)的精制 329

2．3 用三氨化癸硼烷和肼在压力下制备氮化硼 332

第三节 菱方体氮化硼(rBN)的制备 333

第四节 六方氮化硼的性质对立方氮化硼合成的影响… 335

4．1 高温高压对氮化硼结构有序化的影响 336

4．2 六方氮化硼的结晶程度对立方氮化硼合成的影响 339

4．3 六方氮化硼的氧化特性对立方氮化硼合成的影响 340

第十五章 人造金刚石工具材料中的合金元素 342

第一节 金刚石工具中的基体金属 342

1．1 金刚石工具材料中元素的分类 343

1．2 元素在胎体材料中的作用 343

1．3 基体金属 344

第二节 胎体材料中的合金元素 346

2．1 固溶强化元素 346

2．2 低熔点元素 347

2．3 改善铜对碳化钨的润湿性的元素 347

第三节 硬相组元材料 348

4．1 金刚石表面金属化 350

4．2 碳化物形成元素 350

第四节 碳化物形成元素 350

4．3 Cr、Ti和W元素在金刚石工具中的作用 354

第十六章 超硬材料工具制造中的的结合剂 358

第一节 金属结合剂中的原材料 358

1．1 原材料种类 358

1．2 原材料的理化性能 360

1．3 原料粉末的技术条件 364

1．4 原料粉末的工艺性能 365

1．5 原料的加工处理 366

第二节 金属结合剂的性能与配制 369

2．1 金属结合剂的种类 369

2．2 金属结合剂的主要性能 370

2．3 配方设计原则 372

2．4 结合剂的配制 375

第三节 树脂结合剂的性能与配制 376

3．1 结合剂必须具备的条件 377

3．2 树脂粘结剂 378

3．3 充填料 381

3．4 结合剂的配制 382

第四节 电镀金属结合剂 382

4．1 除油用原材料 383

4．2 浸蚀用原材料 384

4．3 电镀液用原材料 384

第五节 陶瓷结合剂的性能与制备 385

5．1 制造金刚石陶瓷结合剂磨具用原料分类 385

5．2 陶瓷结合剂的原料组成 386

5．3 原料的加工处理 388

5．4 结合剂的主要性能 389

1．1 超硬磨料晶形的影响 391

第一节 适用于电镀制品的超硬材料磨粒 391

第十七章 超硬材料电镀制品的原材料 391

1．2 超硬磨料内部杂质含量的影响 392

1．3 超硬磨料表面及混杂在颗粒群中杂质的影响 394

第三篇 超硬材料与制品设备 399

第十八章 单压源两面顶压机 399

1．1 预应力钢丝缠绕式机架机架 400

1．2 预应力拉杆式机架 400

1．3 板块式机架 401

1．4 叠板式机架 401

第二节 压机机架的应力计算 402

2．1 主油缸密封结构 403

2．2 间隙密封自动补偿结构的工作原理 406

2．3 间隙密封自动补偿结构的特点 406

3．1 金刚石压机的液压系统 407

第三节 压机的液压系统 407

3．2 金刚石压机液压系统特点 408

第十九章 铰链式六面顶液压机 410

第一节 概述 410

第二节 主机 412

第三节 增压器 414

第四节 压机的液压系统 415

4．1 概述 415

4．2 液压系统的工作原理 417

4．3 液压系统元件 421

第五节 电器控制系统 428

5．1 概述 428

5．2 继电器硬逻辑控制系统 429

5．3 PC机控制系统 431

5．4 安全保护 433

第六节 压机的调整 434

6．1 同步性的调整 434

6．2 顶锤的初装与更换时的双增双节中性调整 434

第七节 压机的使用与维护保养 435

第八节 金刚石压机的新改进 437

第二十章 超高压模具 443

第一节 概述 443

第二节 超高压模具结构形式 443

第三节 顶锤应力特征 445

3．1 侧向支承 445

3．2 底部支承 446

3．3 大质量支承 447

第四节 顶锤的条件增强 448

3．4 大质量支承顶锤的侧面支承 448

第五节 高压密封垫的特性与功能 450

第六节 硬质合金顶锤、压缸破坏特征 456

6．1 顶锤(压缸)破坏原因 457

6．2 顶锤(压缸)等静压生产特点 458

第二十一章 金刚石压机的加热体系 459

第一节 概述 459

1．1 加热系统 459

1．2 交流稳压器类型及特性 460

1．3 组合式电源装置 461

第二节 几种主要交流稳压器特性 462

2．1 可控硅调阻抗式交流稳压器 462

2．2 电机伺服调压或补偿式调压交流稳压器 464

2．3 可控硅调功式交流稳压器 465

2．4 可控硅调压式交流稳压器 469

第三节 降压变压器 470

第二十二章 金刚石分选检测设备 472

第一节 电解设备 472

1．1 用途与特征 472

1．2 使用工作环境条件 472

1．3 整流设备的主要技术参数 473

1．4 结构特点 473

1．5 整流设备的电路及工作原理 474

1．6 安装与使用 478

1．7 维护与检修 479

2．3 结构 480

2．2 主要技术性能参数 480

第二节 YCY-1型金刚石合成棒粉碎机 480

2．1 概述 480

2．4 安装 481

2．5 使用 481

第三节 拍击式标准振筛机 483

3．1 概述 483

3．2 主要技术规格与结构原理 483

3．3 安装 485

第四节 CQX25系列超声波洗筛机 486

4．1 概述 486

4．2 技术参数 486

4．3 工作原理 487

第五节 XXⅡ*92型金刚石选形机 488

5．1 用途和适用范围 488

4．5 维护和保养 488

4．4 使用方法 488

5．2 主要技术参数 489

5．3 结构与工作原理 489

5．4 安装与操作 489

5．5 维修与保养 492

第六节 YTDS-Ⅱ型金刚石强度微机测量仪 492

6．1 概述 492

6．2 仪器的基本工作原理和结构 493

6．3 仪器的主要技术指标及功能 493

6．4 仪器的操作程序 494

6．5 使用、维护与保养 495

7．2 技术指标和参数 496

7．3 基本原理和结构 496

7．1 概述 496

第七节 WCF-3电磁分选仪 496

7．4 励磁电源 499

7．5 安装和检查 500

7．6 使用方法和步骤 502

7．7 维护和保养 502

第二十三章 金刚石工具制造设备 503

第一节 GDZ-Ⅱ型金刚石滚动电镀镀衣设备 503

1．1 原理与特点 503

1．2 主要参数及技术指标 504

第二节 金刚石、cBN镀钛合金成套技术及装备 504

2．1 概述 504

2．2 真空微蒸发镀技术及设备特点 505

2．3 真空微蒸发镀技术装备主要技术经济指标 507

第三节 超硬磨具的磨料制粒设备 508

3．1 金刚石磨料的制粒原理 508

3．2 制粒设备简介 508

第四节 金刚石混料设备 509

4．1 摇摆式混料机 510

4．2 翻滚式混料机 511

4．3 滚筒式混料机 511

第五节 金刚石工具烧结压机 512

5．1 概况 512

5．2 压机的液压系统 513

5．3 烧结压机的加热方式 514

5．4 温度的测量与控制 515

5．5 RYJ20C型烧结压机的性能及特点 516

第六节 金刚石锯片磨弧机 517

第七节 金刚石锯片应力调整机 518

第二十四章 金刚石工具的焊接设备 520

第一节 电子管高频焊机 520

1．1 原理和特点 520

1．2 电路原理 521

1．3 JJG15-D型高频焊机 525

第二节 晶体管高频、超音频感应焊机 526

2．1 发展情况 526

2．2 特点 527

2．3 工作原理 527

2．4 便携式高频焊机 528

2．5 JCH-1型晶体管高频焊机 528

第三节 金刚石锯片修整开刃机系列 529

3．1 机床的主要用途 529

3．2 国内外目前状况 529

3．3 机床的主要结构及性能 530

3．4 JJ91型开刃机 531

3．5 JJ60型开刃机 533

3．6 JJ105-230A型开刃机 535

3．7 JJ105-230B型开刃机 536

3．8 修整开刃工艺 537

第四节 金刚石小锯片烧结设备 538

4．1 概述 538

4．2 金刚石小锯片连续烧结炉 538

4．3 金刚石小锯片间歇烧结炉 542

4．4 各种炉型的性能比较 543

第五节 YZL-1型真空中频热压连续炉 545

5．1 结构原理 545

5．2 结构特点 548

5．3 设备的主要技术性能参数 549