第一讲金刚石及其工具分类2

1、金刚石工具设计与制造,Design and Manufacture of Diamond Tools,主讲：段隆臣,教授,方小红,讲师,2016.02.26,教学大纲,一、课程内容简介,金刚石工具的设计与制造课程是地质工程、勘查技术与,工程（钻探、钻井工程）专业的重要课程。该课程重点讲授金,刚石的物理力学性质,金刚石工具的分类及其应用,金刚石钻,头的设计、制作原理和工艺，以及金刚石钻头的合理选用等基,本知识,二、课程的作用和教学目标,通过金刚石工具的设计与制造这门课的讲授和实习，使,学生了解,碎岩工具,的典型代表金刚石工具的制造原理、制造工,艺方法及选用的基本原则，从而使学生掌握金刚石工具选型

2、和,金刚石工具使用的知识和原则，具备初步设计和动手制作金刚,石工具的能力,三、课程性质,1,总学时数：讲课学时数,26,实验学时数,6,2,教材：金刚石工具的设计与制造，段隆臣主编,3,教学参考书：金刚石与金刚石工具，张绍和主编,人造金刚石合成与金刚石工具制造，袁公昱主编,四、考核方式与评价结构比例,闭卷考试,平时成绩,40,其中课堂出勤和课后作业各占,20,考试,成绩,60,目,录,第一讲,金刚石与金刚石工具概论,第二讲,电镀基础知识金刚石工具制造,第三讲,粉末冶金基础知识与金刚石工具制造,第四讲,焊接法制造金刚石工具,第五讲,油用金刚石钻头简介及选型,第一讲：金刚石及金刚石工具概论,Int

3、roduction to diamond & its tools,第一节,金刚石及其复合超硬材料,第二节,金刚石工具分类（按加工方法,第三节,金刚石性质及预处理,第一节,金刚石及其复合超硬材料,Diamond and Composite Super-hard Materials,1.1,天然金刚石,natural diamond,1.2,人造金刚石,man-made diamond/synthetic,diamond,1.2.1,单晶金刚石,mono-crystalline diamond,1.2.2,聚晶金刚石,poly-crystalline diamond/PCD,1.2.3,金刚石复合

4、片,poly-crystalline diamond,compact/PDC,1.1,天然金刚石,natural diamond,adamas,不可征服,钻石恒久远,一颗永留传,45,亿年,钻石的形成条件一般为压力在,4.5,6.0Gpa,相当于,150-200km,的深度,温度为,1100,1500,主要出现在橄榄岩和榴辉岩中,含钻石的橄榄岩主要包括两种,金,伯利岩,kimberlite,（名字源于南非,的一地名金伯利）和,钾镁煌斑岩,lamproite,（澳大利亚西部阿盖尔,Argyle,。这两种岩石均是由火,山爆发作用产生的，形成于地球深处,的岩石由火山活动被带到地表或地球,浅部，这种岩

5、浆多以岩管状产出，因,此俗称“管矿”（即原生矿,天然金刚石从哪里来,天然金刚石原生矿主要产于,金伯利岩,中。这种岩筒是地壳的裂隙，往下去,可能与地幔相通。岩筒中的金伯利岩是金刚石矿床的母岩。关于天然金刚石,的成因，目前尚未定论。一种较为普遍的看法认为，天然金刚石是在地壳深,处的超基性岩浆（按照多元论提法）中结晶形成的,深度大约在地表下,100,300Km,最适宜的结晶条件是,57GPa,压力,12001800,早在火山爆发,以前，金刚石就已经在深部岩浆中，并成为金伯利岩、橄榄岩这类超基性岩,的组成部分,随着火山爆发，金伯利岩浆把金刚石晶体携带到地表来。因此，可以认为,金伯利岩是地幔派驻地表的使

6、者,有兴趣可以观看地心历险记,Journey to the Center of the Earth,含,钻,石,的,金,伯,利,岩,天然钻石主要产区,全世界钻石的储量和生产概况,目前，已探明天然钻石储量大约有,25,亿克拉,其中澳,大利亚,6.5,亿克拉，扎伊尔,5.5,亿克拉,全球钻石年产量,一亿克拉,产量前五位的国家是,澳大利,亚、扎伊尔、博茨瓦纳、俄罗斯、南非,这五个国家的钻,石产量占全世界钻石产量的,90,左右,我国第,10,名，年产量在,20,万克拉，钻石主要在辽宁瓦房,店、山东蒙阴和湖南沅江流域,宝石级天然钻石,natural gem grade diamond,有工业开采价值的金

7、刚石在,0.1ct/t,矿石以上,单位,1,克拉,ct,carat,0.2,克,100,分,克拉一词，源自希腊语中的克拉,keration,指长角豆树（或稻子豆,carobseed,，一克拉即,等于一粒小角树种子的重量,坚硬,稀少,璀璨,永恒,勇敢,权利,地位,尊贵,于,1655,年,发现于印度戈尔康达地区的科勒尔矿山,原石,800ct,现,105.6ct,最古老的巨钻,光明之山,Koh-I-Noor,印度教经文,谁拥有它，谁就拥有整个世界,谁拥有它，谁就得承受它,所带来的灾难。唯有上帝或一位女人拥有它，才不会承受任何惩罚,财富和权力的象征，也是流血和死亡的祸根,最大的粉色巨钻,光明之海,Nu

8、r-UI-Ain,发现于,17,世纪初，与光明之山同出自印度,Golconde,地区,著名的,kollur,矿石，原石重达,787ct,The Cullinan,是,premier,矿井,的经理是福莱德里克威,尔士在,1905,年,1,月,25,日于南,非,premier,矿场中发现，重,量高达,3106ct,纯净透明,带有淡蓝色调。由约瑟,夫阿彻尔等人分割打磨,成九颗巨钻,全球最大的钻石原石,The Cullinan,蓝钻石含硼原子,库里南钻石,The Cullinan (75,亿美元,托马斯库里南,非洲之星,Cullinan I (530.20 ct) Cullinan II (317.4

9、0 ct,与,1,克拉钻石对比图,非洲之星,Cullinan I (530.20 ct) Cullinan II (317.40 ct,镶嵌于英王权杖,镶嵌于英王王冠,现存于英国伦敦塔里的珍宝馆,黄钻石含氮,无以伦比”钻石,世界上第三大的裸钻,最大的有色钻石，这,颗重达,407.48,克拉钻,石是从一颗,890,克拉,重,的钻坯切割而来,重,273,克拉，仅次于,Cullinan,一号及二号,1980,年在南非发现，原,石重,599,克拉，经过加,比托尔库斯基工作组,耗时,3,年研究、切割、打,磨,247,面），终于展露,万丈光芒,世纪之钻,彩钻颜色的形成原因,纯净的钻石为无色透明，钻石之所以

10、呈现不同的颜色，是因为钻石在生成的,过程中含化学微量元素不同和内部晶体结构变形所致。下面一一列举不同彩钻的,成色原因,黄钻,呈浅黄、金黄色。钻石在形成过程中，当,氮原子,取代钻石晶体中的某,些碳原子时（每一百万个碳原子中，有一百个被取代），开始吸收蓝，紫色光线,因而使钻石呈现黄色,蓝钻,呈淡蓝色、艳蓝色。钻石在形成过程中，吸收,微量硼元素,钻石便显,天蓝色,红钻,呈粉红色、红色。钻石在形成过程中,晶格结构扭曲,而使钻石呈现,红色,绿钻,呈淡绿、艳绿色。绿色钻石的形成原因，是受到自然辐射而,改变晶格,结构所致,黑钻,成色原因由深色的内含物,包裹体,所致,人不学不知义，玉不琢不成器,钻石的璀璨光辉

11、归于独特的,高折射率和高,色散性能,然而，未经切磨的金刚石也只不,过相貌平平，只有通过准确计算、精心设计,和,完美切割抛磨,使光线充分折射出顶面才,能使美钻光芒尽显,由于硬度最高，钻石的切削和加工必须使,用,钻石粉,来进行,钻石是最坚硬的物质，无坚不摧，永不磨,损，一经切磨便光辉永恒,钻石加工,工业级天然金刚石,Natural industrial grade diamond,1.2,人造金刚石,man-made diamond,1.2.1,单晶,mono-crystalline,世界,1954,年美国,GE,公司,我国,1963,年,12,月,6,日，在,国产,300,吨,61,型两面顶超高

12、,装置上，以高纯石墨粉为,原料，以镍铬合金为触媒,研制成功了我国第一颗人,造金刚石,六面顶合成技术,世界领先,全球金刚石垄断集团戴比,尔斯集团的元素六,Element,Six,公司从我国进口六面顶,压机,1.2.2,金刚石聚晶,Polycrystalline diamond,PCD,金刚石微粉,Diamond powder,36/54,微米,300,目）以细,是由细小的金刚石颗粒、粘合剂,烧结成较大颗粒、各种形状的多,晶金刚石,PDC,是由一层金刚石聚晶薄层、一层较厚的硬质合金层复合而成。目前国内已有,1925mm,今后要开发40mm以上的复合片，大尺寸复合片还靠国外进口,除了尺寸之外，还要注

13、意提高现有产品的,耐热度,国外产品已达到800以上,WC+Co,PCD,PDC,1.2.3,金刚石复合片,Polycrystalline diamond compact(PDC,磨粒磨料,硬质合金,金刚石,聚晶,复合片,复合材料,我国自,1963,年,成功合成金刚石以来，金刚石行业一直,快速发展，特别是,六面顶合成技术,的应用后,2012,年我,国人造金刚石产量达,110,亿克拉，产量占比达全球,70,以,上，其中黄河旋风、豫金刚石、中南钻石是人工合成金,刚石单晶行业的三大巨头,目前,16/18,18/20,粗颗粒高品级金刚石投入批量生,产，已出现粒径为,2.3-3.6mm,的工业金刚石和粒径

14、可达,7mm,宝石级金刚石,1.2.4,人造金刚石及其应用简介,Introduction to diamond and its application,目前国内许多高档产品对外依赖仍然比较严重,金刚石工具的应用范围,1,地质勘探、石油钻井、工程勘察,2,石材加工,3,机加工行业,4,建筑装璜,5,其它硬脆材料加工行业（玻璃、陶瓷、宝石、印刷,电路板、半导体材料、混凝土,目前主要领域,石材、建筑、公路、铁路、地质等,高新技术领域,航空仪表轴承、光学器件等精密仪器的,加工；单晶硅、多晶硅,0.1-0.2mm,厚度片的切割加工；计,算机芯片等大规模集成电路的微细精密加工等,业界有名行话,一个国家的金

15、刚石的应用水平反映了,一个国家的工业水平,我国金刚石工具前景乐观,2012,年市场规模,超过,800,亿,元,主要包括,金刚石锯切工具,260,亿元,石油地质钻,头,90,亿元）,精密磨具,195,亿元）,PDC/PCBN,刀具,90,亿元）、刀具和陶瓷加工磨具,84,亿元）、滚轮,30,亿元）。其中，金刚石在光伏单晶硅切割领域将逐,步替代传统钢丝，市场空间达,50-75,亿元,LED,蓝宝石衬,底切割达,14,亿元市场规模。在建筑、石材和陶瓷加工渗,透迅速,金刚石锯片的国际市场超过,130,亿美元，国内超,过,250,亿元,用于混凝土等交通、建筑领域的薄壁钻国内,市场超过,70,亿元；用于采

16、煤和掘进机械的截齿,70,亿美元,用于机械加工和地质勘探潜孔钻头,60,亿美元；用于陶瓷,加工的磨盘国内市场超过,16,亿元；用于汽车和航天航空,加工的涂附磨具国内市场达到,60,亿元左右,金刚石制品是金刚石发展的动力，金刚石是制品,发展的基础,20,世纪,70,年代，以,普通砂轮,为代表的金,刚石工具的发展带动金刚石生产量的大增加，是金,刚石发展的,第一个高潮,到了,80,年代，以,钻头,为主的,开发，是推动金刚石发展的,第二个高潮,90,年代初,由于石材工业的发展,锯片的大量应用,是金刚石发,展的,第三次高潮,自,2005,年以来，金刚石大压机的发,展、粉末触媒的兴起，使金刚石产量大幅增加

17、，而,我国制品发展还滞后于金刚石的发展。由于金刚石,发展的动力在于制品的发展上，因此,还没明显形,成第四个高潮,金刚石制品制造工艺发展概况,1,表镶法,1862,年,2,粉末冶金法,1945,年,无压浸渍法、热压烧结法、冷压烧结法,3,电镀法,1970,年,镀镍、镀铜、镀铁，各种合金电镀,4,钎焊法,1990,年,第二节,金刚石工具分类,diamond tools classification,2.1,钻,drilling,金刚石钻头,diamond bit,2.2,切,sawing,金刚石锯片,绳锯,diamond saw blade/diamond wire saw,2.3,磨,grind

18、ing,金刚石砂轮,磨盘,diamond grinding wheel/disk,2.1,地质勘探钻头,Drill bit for mining and geological prospecting,金刚石钻头分类,Classification of diamond bits,按金刚石的镶嵌状态分：表镶、孕镶,按生产方法分：电铸、粉末冶金（热压、冷压,无压）、焊接,按金刚石类别分：单晶、聚晶、复合片,按钻进功能分：取心钻头、不取心（全面破碎,钻头,按钻头唇面结构分：平底、高低齿、同心圆,阶梯、齿轮等等,按胎体材料类别分,WC-Cu,基,Fe,基,Ni,基等,热压钻头,电镀钻头,金刚石的有序排列

19、,表镶天然金刚石钻头,Natural diamond-set bit by,non-pressure infiltration,热压孕镶人造金刚石钻头,Impregnated diamond core bit,by hot-press sintering,电镀孕镶人造金刚石钻头,Electroplated impregnated,diamond core bit,大陆科学钻探,CCSD-1,井,5158m,使用钻头,复合片钻头,PDC,钻头,Polycrystalline diamond compact bit,38,PDC,钻进,正在,逐步,取代,硬质,合金,钻进,热稳聚晶钻头,TSP,钻头

20、,Thermal Stable Polycrystalline,Diamond bit,金刚石扩孔器,Diamond reamer,无压浸渍扩孔器,Infiltration process with vibration,电镀扩孔器,Electroplated reamer,2.2,金刚石锯片,diamond saw blade,冷压,烧结,焊接,cold-pressing/sintering /welding,金刚石圆盘锯切割工法,金刚石有序排列技术,普通刀头,有序排列刀头,锯片金刚石的有序排列,长城齿有序排列,金刚石锯片分类按用途,diamond saw blade classificati

21、on according to usage,1,石材切割锯片,2,光学玻璃切割锯片,3,宝石等工艺品切割锯片,4,硅、锗等半导体材料切割锯片,5,工程切割片,6,耐火材料、电瓷材料、陶瓷材料切割锯片,7,塑料、层压板、有机玻璃切割锯片,8,实验室用超薄锯片,金刚石绳锯,diamond wire saw,柔性灵活,大范围,金,刚,石,绳,锯,的,应,用,海底宝藏知多少,水下打捞、沉船切割,60,60mm,串珠（本实验室研制,金刚石绳锯水下切割,金刚石绳锯水下切割钢,制构件最引人瞩目的一次应,用,切割,库尔斯克号,2000,年,8,月,12,日俄罗斯的,奥斯卡级巡航导弹核潜艇,库,尔斯克号,在巴伦

22、支海进行军,事演戏时沉没,118,名官兵,全部遇难,打捞原因,1,研究失事原因,鱼雷爆炸,2,防止国防技术军事机密泄露,3,防止两座核反应堆泄露污染环境,核潜艇,库尔斯克号,切割打捞意义,在打捞过程中，采用金刚石绳锯切割,使库尔斯克号的艇首和艇身分割,该核潜艇的成功切割打捞也是金刚石,绳锯切割技术应用的里程碑,钎焊金刚石工具,2.3,金刚石砂轮,磨盘,diamond grinding wheel,砂轮：有金刚石砂轮和,CBN,砂轮。金刚石砂轮是环保型，它在使用过程,中的粉尘比普通,SiC,砂轮低得多，很受用户欢迎。当前磨玻璃、磨陶瓷,的砂轮市场销路好、效益好，特别是有些特种砂轮，经济效益非常可

23、观,第三节：金刚石性质及其预处理,Diamond properties and its pretreatment,3.1,金刚石的性质,properties,3.2,人造金刚石品种,classification,3.3,金刚石预处理,pretreatment,3.1,金刚石的性质,properties,3.1.1,金刚石晶体结构,等轴晶系面心立方晶格构造,碳原子位,于四面体的角顶及中心，具有高度的对称性。单位晶胞中碳,原子间以同极键相连结，距离为,0.155nm,角度为,109,28,Diamond facial cubic structure,金刚石和石墨是同素异形体,石墨和金刚石都是由碳原

24、子形,成的单质，但它们的性质却不相,同，这是由于它们的晶体结构不,同的缘故。石墨晶体是层状结构,如上图,在每一层内,碳原,子排成六边形，每个碳原子都与,其他,3,个碳原子以,共价键结合,形,成平面的网状结构,在层与层之,间,是以,分子间作用力,相结合的,由于同一层的碳原子间以较强的,共价键结合，使石墨的熔点很高,但由于层与层间的分子间作用力,较弱，容易滑动，使石墨的硬度,很小。像石墨这样的晶体一般称,为过渡型晶体或混合型晶体,Graphite,都是碳，可以是金刚石，也可以是石墨,好,3.1.2,金刚石的结晶形态,常见晶形有八面体、菱形十二面体、立方体,四面体和六八面体等,常见的金刚石晶体形态,

25、3.1.3,金刚石的主要性质,1,物理性质,physical properties,颜色，比重,密度在,3.473.55,之间，无色钻石密度为,3.52g/cm,3,人造金刚石一般,呈淡黄色,含氮和金属触媒,2,机械性质,mechanical properties,硬度，弹性模量，耐磨性,钻石的摩氏硬度为,10,石英,7,刚玉,9,新摩氏硬度,15,显微,硬度,10000kg/mm,2,显微硬度比石英高,1000,倍，比刚玉高,150,倍,金刚石硬度具有方向性，八面体晶面硬度大于菱形十二面体晶,面硬度，菱形十二面体晶面硬度大于六面体晶面硬度,弹性模量为,900GPa,具有,极高的耐磨性,超过刚

26、玉,90,倍，而高出其它磨料千倍,3,热学性质,thermal properties,导热性好,线胀系数小,金刚石的熔化温度高,金刚石的热导率一般为,136.16w/(m,k,4,光学性质,optical properties,良好的折射率和色散性能,所以有明亮的光泽,和色彩。折射率为,2.417,色散率为,0.044,5,电磁性质,electro-magnetic properties,导电磁性能差，有一种结构的是半导体，天然,金刚石,不具磁性,6,化学性质,chemical properties,化学性质稳定，极难溶于酸碱，铁族、铂族元,素高温时溶解它,具有疏水性,3.1.4,人造金刚石质

27、量检测,1,金刚石粒度组成：筛分法,PPC,筛网目数是指,1,英寸,25.4mm,长度内网孔的个数,粒度,PPC,18/20,150,20/25,250,25/30,440,30/35,720,35/40,1380,40/45,2650,45/50,5000,50/60,8300,60/70,14000,70/80,13000,GE,公司产品的,PPC,值,粒度,PPC,20/30,260,10,25/35,400,20,30/40,660,30,35/40,1075,50,40/50,1850,80,45/60,3000,150,50/70,4800,240,De Beers,公司,SDA,

28、产品的,PPC,值,PPC,Particles Per Carat,每克拉金刚石的颗粒数,De Beers,工业金刚石部,2002,年后更名为元素六,2,抗压强度：单颗人造金刚石在静压作用下，发,生破碎时的负荷值，以牛顿,N,表示,40,40,n,Q,Q,P,n,j,j,i,i,n,负荷超过平均值,2,倍的颗粒数,采用按用途划分品种和命名的原则。产品按适用结合剂种类,或加工对象划分。每个金刚石品种取主要用途的英文第一个字母,大写排在前面，金刚石用,D,写在后面进行标记。如下,1,树脂或陶瓷结合剂用金刚石标记为,RVD,Diamond grains for Resin and Vitrified

29、 bond,2,金属结合剂用金刚石标记为,MBD,Diamond grains for Metal bond tool,3,锯切用金刚石标记为,SMD,Diamond grains for Metal bond Saw,4,修整工具用金刚石标记为,DMD,Diamond grains for Metal bond Dressing tool,3.2,人造金刚石的品种,classfication,3,冲击韧性,TI(toughness index,又称冲击强度。金刚石磨,料，尤其是锯切和钻探用的高品级金刚石，在使用过程中受,到冲击、剪切、研磨等多种力的作用而破碎。所以要求金刚,石不仅要有高强度、

30、高研磨性，还要有一定的抗冲击韧性,取一定量的金刚石，连同钢球一同装入试样管内，冲击后,求得未破碎率。以未破碎率为,50,时的冲击次数表征样品的,冲击韧性,4,热冲击韧性,TTI(thermal toughness index,衡量金刚石耐,热性的指标，其数值大小表示热稳定性的高低,将金刚石放在充有惰性气体（例如氩气）的专用设备里加,热后测得的,TI,值。加热温度一般为,900,或,1100,时间,10min,金刚石预处理就是把有缺陷的金刚石通过机械或物理化学方,法进行处理,使之达到较理想的形状和表面状态,减少金刚石的内,应力,活化金刚石表面,以提高它的强度和粘结性或满足其它要求,3.3.1,机

31、械处理,1,整粒,剥离金刚石边角薄弱部分和裂纹较明显的部分,2,浑圆化处理,将不规则的金刚石颗粒毛尖磨钝,达到近似圆粒,3,抛光处理,表面粗糙的金刚石表面易碳化,增加了摩擦力,3.3.2,金刚石表面金属化处理,1,金属化处理的意义,粘结力,强度,2,金属化处理的原理,C-MeC-Me,3.3,金刚石预处理,pretreatment,S: Solid phase,L: Liquid phase,L,L,G,S,L,G,S,S,完全被润湿,部分被润湿,完全不被润湿,G: Gas phase,液相对固相的润湿性取决于两者的亲和性。云母为亲水物,质，石腊为疏水物质,金刚石属于疏水物质,但对某些金属,或合金则具有良好的湿润性。衡量物质的润湿程度常用润湿,角来度量,润湿角的大小与三相界面张力的定量关系,l,g,sl,sg,cos,lg,L,g,S,sg,sl,A,当,g