正文 第六章 工具陶瓷(二)(3 / 3)

超薄切割鋸片用於貴重、硬脆半導體材料,如鍺、矽、砷化镓的切割加工。金剛石鋸片還用於寶石、石英和鐵氧體的加工。

金剛石修整工具

金剛石修整工具包括修整筆和成型修整工具。修整用於碳化矽、剛玉砂輪的定期修整。成型修整工具用來在砂輪上製出各種形狀複雜的成型麵。

金剛石修整筆采用熱壓法用金屬胎體將金剛石鑲焊起來。表鑲修整筆采用粗天然金剛石或金剛石多晶體。孕鑲修整筆采用較細的金剛石。

成型修整工具分單顆粒修理筆、細顆粒孕鑲修整塊和修整滾輪三種。金剛石修整滾輪也有表可以用燒結法或製造,也可用電鍍法製造。

天然金剛石拉絲模是金剛石最早的工業應用之一,至今,仍是拉製硬金屬絲和1毫米以下細金屬絲的工具。由於天然金剛石價格昂貴、容易解理脆裂,使燒結金剛石多晶體和金剛石乂硬質合金複合體拉絲模得到發展。燒結金剛石沒有固定的解理麵,各向同性,韌性好,在某些情況下比單晶金剛石拉絲模好。例如,拉絲孔周圍磨損均勻,能保持圓形。

金剛石多晶體拉絲模適合於銅、鋁、不鏽鋼、合金鋼、低碳鋼、鎢鉬的拉絲。拉拔銅、鋁絲時,其壽命比硬質合金比天然金剛石單晶高3~5倍。

金剛石硬質合金複合體絲已用於拉製銅、鋁和不鏽鋼絲及鎢,鉬的熱拉絲,拉製鎢、不鏽鋼絲時,命名為天然金剛石的3~6倍。

其他應用

金剛石除了用作刀具和工具外,也可用作結構材料和功能材料。

金剛石具有很高的抗壓強度和彈性模量,可用作超高壓裝置的結構件、高壓頂頭等。

金剛石的全波長透過率好,從230納米到遠紅外均有良好透過率,而且化學穩定性好,可用作窗口材料,已成功用於先鋒號金星探測飛船和1986年的伽利略號木星探測飛船。前者的金剛石窗口為2.8毫米,後者為必0.2毫米。

24型金剛石導熱性好,導熱係數為銅的5倍,用作固體微波器件和固體激光器的散熱片。10型金剛石具有半導體性質,寬的禁帶,用於金剛石整流器,金剛石三極管和金剛石溫度計。金剛石薄膜的出現,擴大了金剛石的應用範圍。正在開發的金剛石薄膜的應用有:在工具上披金剛石薄膜7壽命提高幾倍到幾十倍,計算機集成電路基板;高保真揚聲器振動膜;立方氧化硼。

氧化硼是70年代迅速發展起來的超硬材料。硬度僅次於金剛石,但其熱穩定性和化學惰性好。工具在淬火鋼、耐磨鑄鐵、熱噴塗材料和鎳等難加工材料的加工中,已顯示出它的優越性。

1957年,美國通用電氣公司加04首次在高溫高壓下合成出。60年代初,磨料以商品名出現,開始工業應用。60年代中期,研製出燒結多晶體,並開始試用做刀具。70年代初,硬合金複合體研製成功。燒結多晶體和硬質合.金複合體的出現,使超硬材料的發展和應用進入一個新的階段。

結構和性質

在第五章六方氧化硼部分已談到氧化硼有三種變體。立方氧化硼和密排六方氧化硼是氧化硼的高壓相,分別具有同立方金剛石和六方金剛石類似的結構和相近的硬度。高壓相15晶體中的結合鍵同金剛石基本相同,按爐四麵體雜化相互成鍵,一個原子與四個相鄰異類原子形成四個共價鍵,構成金剛石結構。所不同的婭,金剛石是同類原子的結合,而高壓相氧化硼是異型氮硼原子的鍵合。高壓相氧化硼還存在一定的離子鍵。

高壓致密相在形成金剛石四麵體結構時,存在立方晶係和六方晶係兩種可能性。密排六方氧化硼晶體屬六方晶係,具有纖鋅礦型晶體結構,又稱纖鋅礦型氧化硼,相應於六方金剛石。立方氧化硼屬立方晶係,具有閃鋅礦型晶體結構,又稱為閃鋅礦型氧化硼,相應於立方金剛石。立方氧化硼在高壓下是穩定相,在常壓下是平穩相。密排六方氧化硼在常壓下是平穩相。邦迪認為,密排六方氧化硼在高壓下也是平穩相。

在常壓下是平穩相。在空氣中高於1400度開始發生向六方氧化硼的逆轉變。立方氧化硼的抗氧化性比金剛石和硬質合金好。金剛石在500~700度開始氧化。立方氧化硼同空氣中的氧發生反應。在晶體表麵形成氧化硼的固體保護膜,使它在不會繼續氧化。

立方氧化硼良好的化學惰性和抗氧化穩定性,也同其結構有關。在晶體中,硼、鉍原子相間排列,表麵原子不足硼原子就是氮原子。當表麵原子是硼原子時,其三個價電子間內部的三個氮原子作用成鍵,無多餘價電子。而當表麵原子是氮原子時,其三個未成對的價電子同內部的三個硼原子成鍵,而餘下的兩個價電子是配對的未共有電子對己成對的孤電子對一般不易再與外來原子成鍵。因此,當立方同氧或鐵族元素原子接觸時,盡管氧原子的2層、鐵族元素的層缺乏電子,可以吸引電子,但是,立方沒有多餘的價電子同它們作用成鍵,因此,表現出良好的抗氧化穩定性和化學惰性。而金剛石的情況則不同,其表麵碳原子尚有一個價電子可以同外來原子作用成鍵。

立方氧化硼的良好導熱性可作如下解釋:金剛石結構晶體的熱能依靠聲子傳導,即靠晶格振動來傳輸。聲頻波的“設子”稱為“聲子”。在溫度不太高時,光子熱導的作用微弱。僅僅靠聲子本身的直接作用,熱傳導率可達最高值。等導出如下的導熱係數公式:

立方氧化硼的硬度和導熱性不及金剛石的原因在於,立方氧化硼晶體中,氮、硼兩種異類原子的聯合具有一定的離子鍵,離子鍵成分約占22%。