文/方啸虎 超硬材料行业专家、本刊高级顾问
十余年前曾预想总有一天，会在金刚石与制品上都烙上“中国制造”。在当前低碳经济、循环经济、绿经济的不断提出并逐步实践后，特别是“十二五”期间我国如何才能做到以人为本，继续保持高速稳定发展？中国超硬材料与制品为实现这些目标，很多工作都提到重要议事日程上了。
一、 我国超硬材料现状
1.1金刚石单晶
产量
我国金刚石产量自上世纪九十年代就遥遥领先，九十年代中后期以每年3-5亿克拉增长，而近几年都是以每年十亿左右的速度增长。2009年据权威性统计应是50-54亿克拉，而2010年总产80亿克拉左右。目前我国金刚石总产量已占全球90-95%。2011年将有望超过100亿克拉。
我国金刚石生产能力：已达120-150亿克拉/年。
2016-2020年将达200亿克拉。应该说这指的是原始合成的，如破碎的再生微粉不在统计范围内。 粒度与主要用途
为了总结目前的情况，文中作了如下的分类，并阐述了它的主要用途：
单晶大颗粒：一般来说应在≥3mm的单晶金刚石，目前人造的金刚石单晶体已可达5-10mm，目前正在向20mm迈进！多数是籽晶法生产，主要目标：一方面可直接切磨后做成金刚石刀具，另一方面以代替部分天然金刚石可做宝石用，所以多称其为宝石级金刚石，还有望在光伏材料上有所突破。用它做静态超高压的压砧也是极好的代用品。大尺寸单晶金刚石是高质量的探测器材料，特别适合需要极高探测灵敏度的应用环境。单晶金刚石是作为粒子、辐射探测器的首选材料。单晶金刚石由于不存在晶界缺陷，透光率高于微米、纳米金刚石膜，在光学窗口等领域有更广泛应用。
特粗颗粒金刚石：一般指1-3mm，目前已经可以用直接合成法获得透明度和晶体形态都相
当好的单晶颗粒。现元素六金刚石有限公司（原De Beers公司）称之为SRD系列，可以做滚轮，少部分可替代天然金刚石做饰品用。中国近年也有所突破，国内一些厂家都已有展示，并可批量供货，质量已经相当好；
粗颗粒金刚石：一般指0.5-1mm的金刚石，这类产品做滚轮是相当好的；
中粗颗粒金刚石：一般指30-60#，这类产品在金刚石钻探，特别是石材加工上发挥了极好的作用，在前5-8年国内30#-40#高品质金刚石还是有相当的困难的，在压机大型化和粉末触媒工艺推广后，迅速得到解决，其制品大大提高了钻采和石材加工的效率；
中细粒金刚石：多数指70-120#，是石材、玻璃、陶瓷加工的很好选择，所以促使了这部分粒度的开发；
细颗粒金刚石：多数指120-320#，是磁性材料、硬质合金等的加工良好材料，以前加工硬质合金都采用80/100、100/120目，现在为了提高加工精度，不少已改用120/140、140/170。而且有的磨磁性材料的砂轮往往都做得相当大，一个砂轮要用8000-10000ct的金刚石；
超细颗粒金刚石：多数指320-600#，这里在粒度上有的已经属微粉类，但应该是人工直接合成的优质品。目前生产工艺水平已经相当好，是达到镜面精度抛光的首选产品，也广泛应用于电子-微电子产业；
金刚石微粉：分为粗微粉和精微粉两小类。其粒度从0.5μm-40μm，共28个粒度号，根据国外市场要求有分得更细的。主要用于抛光和高精度抛光用，有的也用于高精度磨削用； 纳米金刚石：是近年才发展起来的纳米级新产品，主要生产方法是爆炸法，它的分散技术，应用技术是技术的核心。一般分为10nm、10-20nm、20-50nm、≥50nm、≤100nm等不同等级，目前在高级润滑技术、化工行业、复合镀层、材料抛光技术、生物医学工程等高新科技产业中正在逐步得到推广应用。 品质
由于金刚石用途越来越广泛，不同粒度、不同要求对品质要求也有所不同。这里且作为石材或钻探常用的30/40、40/45、45/50、50/60几种粒度加以说明。国内金刚石在上世纪末，片状触媒合成工艺时，金刚石高品质的只可合成到18-20kgf，而且每个品质按国标都
有确定值，不过在市场上不经常用。市场上经常分为低品级（系指RVD）：2kgf、4kgf、6kgf；中等品级（系指MBD）：8kgf、10kgf、12kgf；高品级（系指SMD）15kgf、18kgf、（20kgf）等。再高的公斤只见于标准，很难有产品。而且非常简单，用一项强度指标，金刚石质量就全部包含其中。
自从采用大型压机、粉末触媒、间接加热、剪式合成工艺等先进技术后，高品质、粗粒度的指标日新月异。≥20kgf、≥25kgf、≥30kgf、≥35kgf、≥40kgf等在市场已经普遍出现。这时再仅用公斤值表征金刚石质量就远远不能满足用户的要求，他们渴望对金刚石性质有更多的了解，并应用好金刚石的性能，服务于金刚石制品。
新的质量表征必须有颜、晶形、透明度、杂质含量、TI、TTI、粒度峰值等，见图1。这是上海某公司的质检报告单。
特别值得一提的是TI、TTI，在国际贸易中此值相当重要，他们不仅要有报告值，而且在高品质金刚石中两者差距应该越小越好。一度我国这两差距总是偏大，最近几年这关已经突破。真正高品质金刚石的质量标准，此倒是显得更为重要的指标。一般分为两至三个档次：大致为TI与TTI值在40-55%，其差值约为15-20%，TI与TTI值在60-75%，其差值约为
8-15%，TI与TTI值在85-95%，其差值约为3-8%，这样的产品在国际市场已经有了竞争力。
聚晶是人们还希望得到大颗粒金刚石，而又没有的时候想出的一个方法。在考察天然金刚石时发现自然界也同样有类似的品种， 如：圆粒金刚石（波尔特型） 、黑金刚石（卡邦那达型） 、巴拉斯型，这就是我们发展金刚石聚晶与复合片的基础。在此基础上，又发明了以硬质合金作为衬底的复合片，这样进一步提高了聚晶的适用性。
形态与产量
聚晶的形态是由用途而决定的，早在上世纪七十年代初作者就提出多层、密集排列等原则性理念。现在这种理念已被广泛应用，如河南某企业采用如图2所示的多种模具，一腔体生产出多达近百粒聚晶，形状各异，如图3。
这些聚晶包括长柱形、扁饼形、三角形、立方形、长条形等等，不同形态的聚晶自有专业厂家给予提供模具，使合成者大为省心省力！
目前，国外多数都是制作复合片予以应用。而国内是聚晶和复合片同时生产，而且聚晶的生产量远远多于复合片。从多方面信息估算国内聚晶产量应该≥2000万粒，而复合片产量约为500万粒，不过从总的趋势看，今后复合片的增长率将要高于聚晶。
磨耗比与应用
早期磨耗比比较低，经过近几十年的努力，特别是近十余年的努力，磨耗比已从几万提高到几十万（有单位称可达50万左右），因为可比性的误差，只把此作为参考！但是应该说国内好的聚晶/复合片≥30万，应该是比较成熟的。
其实磨耗比也不是越高越好！应该因用途不同而有差异。如作钻头补强用，有3-5万即可；作聚晶钻头用有8万左右即可；作石油/煤田钻进用，有10-18万即可；用于拉丝模的聚晶，因为被拉对象范围较宽，所以磨耗比从7-8万直至20余万均有；一般作刀具用则相对要高，多数在25-30万或≥30万比较合适，所以说：“人定胜天”，就是可以人为的因不同用途而易，不必千篇一律，或一味要求高磨耗比！
问题与相应的关键技术
伸缩杆
目前国内聚晶/复合片，特别是复合片存在的主要问题归纳起来有如下几个方面的问题：
1）大复合片，如≥Φ45mm复合片中间与周边磨耗比容易不均匀，只要认真设计腔体才能实现；
2）聚晶/复合片内部结构不紧密、不均匀，以至造成整个聚晶/复合片工作不稳定；
3）复合片接触面应力集中，在高强度冲击时容易分层、脱落等等。
关键技术：
1）金刚石的清洁度，特别是表面吸附物必需清除干净；ca3780
2）金刚石合成棒的真空处理及处理温度必需符合要求；
3）适当的选用粘结剂及粘结剂含量必需适量，过多影响磨耗比，过少影响粘结性；
4）合理的提高合成压力，有利于提高磨耗比；
5）聚晶与合金界面要作应力测量与采取消除应力措施等。
6）认真研究合成腔体的结构，使之整个腔体温度梯度、压力梯度更为均匀是保证复合片提高质量的重要技术。
1.3台风实时定位系统立方氮化硼
立方氮化硼是我国另一类重要的超硬材料，尽管起步相对来说较晚，但近十多年来发展较快。
产量麦饭石床垫
由于其应用面相对要小，其总产量与金刚石比相对也小很多，仅为金刚石总量的1/20左右。目前全球总产量约为5亿克拉，我国占有率为 60-65%，达3亿克拉左右。尽管从其本身所具备特点与优势看，应该发展到金刚石总量的1/5，我们也极力呼吁过，但是事与愿违，其比例没有提高，反而有所下降，究其原因，一是金刚石增量太快，二是立方氮化硼的价格相对较高，推广较慢，只有在高端产品上才可获得使用。
工艺、品质与分类
结合其工艺、质量及应用我们作了八种分类，这应该是代表了国内的水平。但国际市场要求的多样化，其可针对用户的不同要求细分出几十种规格牌号，这里不再赘述。
1）黑立方氮化硼微粉：用于制作聚晶复合片、烧结体和黑金属的研磨抛光、制作珩磨油石等。usb暖手鼠标垫
2）琥珀立方氮化硼微粉：常用于研磨、超精加工、珩磨油石，也用于聚晶复合片的制造。
3）黑低强度立方氮化硼：黑、单晶体、低强度、易破碎。广泛用于树脂结合剂立方氮化硼系列产品。
4）黑中等强度立方氮化硼：黑、中等块状、中等强度、具较高的热稳定性，兼顾了磨削效率和产品寿命，破碎强度和破碎特性较稳定、均衡。广泛用于陶瓷结合剂立方氮化硼系列产品。
5）黑锋利立方氮化硼：黑、形状不规则、中等强度、锐角突出，较好的磨削效率。广泛用于陶瓷结合剂立方氮化硼系列产品和陶瓷结合剂立方氮化硼系列产品。
6）棕黑高强度立方氮化硼：棕黑、单晶体、形状不规则、锐角突出、高强度、高热稳定性。适合于陶瓷结合剂立方氮化硼系列产品和陶瓷结合剂立方氮化硼系列产品及对强度要求较高的立方氮化硼系列产品。
金属修复7）金黄高强度立方氮化硼：金黄、高强度、高热稳定性。广泛用于电镀工具和长寿命陶瓷结合剂系列产品。
8）金黄特高强度立方氮化硼：金黄、粒状、高强度、有晶面、极高的耐热性。适用于电镀工具和金属结合剂系列产品。
本文转载于第16期《磨料磨具》杂志，参考磨商网链接：
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