第一讲金刚石及其工具分类(2)介绍

金刚石工具设计与制造DesignandManufactureofDiamondTools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：62.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(Introductiontodiamond&itstools)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DiamondandCompositeSuper-hardMaterials1.1、天然金刚石（naturaldiamond）1.2、人造金刚石（man-madediamond/syntheticdiamond）1.2.1.单晶金刚石（mono-crystallinediamond）1.2.2.聚晶金刚石（poly-crystallinediamond/PCD）1.2.3.金刚石复合片（poly-crystallinediamondcompact/PDC）1.1、天然金刚石naturaldiamond——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5~7GPa压力，1200~1800℃。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者。有兴趣可以观看《地心历险记》JourneytotheCenteroftheEarth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naturalgemgradediamond有工业开采价值的金刚石在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Nur-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。TheCullinan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——TheCullinan蓝钻石含硼原子库里南钻石TheCullinan(75亿美元)托马斯·库里南非洲之星CullinanI(530.20ct)CullinanII(317.40ct)与1克拉钻石对比图非洲之星CullinanI(530.20ct)CullinanII(317.40ct)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Naturalindustrialgradediamond1.2.人造金刚石man-madediamond1.2.1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(ElementSix)公司从我国进口六面顶压机。1.2.2.金刚石聚晶Polycrystallinediamond（PCD)金刚石微粉Diamondpowder36/54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Φ19~Φ25mm，今后要开发Φ40mm以上的复合片，大尺寸复合片还靠国外进口。除了尺寸之外，还要注意提高现有产品的耐热度，国外产品已达到800℃以上。WC+CoPCDPDC1.2.3.金刚石复合片Polycrystallinediamondcompact(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可达7mm宝石级金刚石。1.2.4人造金刚石及其应用简介(Introductiontodiamondanditsapplication)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，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diamondtoolsclassification2.1、钻drilling金刚石钻头（diamondbit）2.2、切sawing金刚石锯片/绳锯（diamondsawblade/diamondwiresaw）2.3、磨grinding金刚石砂轮/磨盘（diamondgrindingwheel/disk）2.1.地质勘探钻头Drillbitforminingandgeologicalprospecting金刚石钻头分类Classificationofdiamondbits●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表镶天然金刚石钻头Nat