基于金刚石热历史的超硬磨具激光增材制造工艺与组织性能优化

超硬磨具激光增材制造过程中,金刚石极易受到激光直接辐照和高温熔池的影响,出现石墨化等热损伤现象.选取典型的金刚石磨具用金属结合剂CuSn10粉末,采用粉末床熔融(Powder Bed Fusion-laser Beam,PBF-LB)技术制备CuSn10-金刚石复合材料;围绕高能激光束和高温熔池两个影响增材制造过程中金刚石颗粒性能的关键因素,以单颗金刚石颗粒为研究对象,通过有限元模拟分析构建金刚石颗粒的温度场模型,反映了金刚石颗粒在PBF-LB中的热演化过程;阐明了PBF-LB过程金刚石的热损伤机制,发现金刚石发生石墨化转变并不是由激光的直接辐照造成的,而是由高温熔池的热影响导致,CuSn10-金刚石复合材料在PBF-LB过程中石墨化的临界温度为1491.6℃.建立了PBF-LB工艺-金刚石颗粒温度-石墨化程度-摩擦磨损性能的定量关系,发现随着金刚石颗粒温度的增加,其石墨化程度增加,严重损害了复合材料的摩擦磨损性能.

基于河南省超硬材料产业现状对产教融合和校企合作的分析

为了促进超硬材料行业产教融合和校企合作的发展,通过回顾河南省超硬材料产业发展的历程,分析了河南省超硬材料的产业优势、特色以及发展中存在的主要问题。在总结超硬材料产学研合作经验的基础上,提出了加强河南省超硬材料产教融合和校企合作的建议。

超硬材料在地质钻探中的应用与发展

超硬材料和钻探工程有着密不可分的联系,目前已成为钻探行业的重点研发材料。超硬材料在推动钻探行业向深井、超深井领域发展方面发挥了至关重要的作用。本文以金刚石、立方氮化硼和复合超硬材料为基础,介绍了超硬材料的分类及其特点。随后对钻探行业中超硬材料产品的应用和发展进行了详述,并分析钻探行业对超硬材料的需求,进而对其未来发展趋势进行展望,以期能为超硬材料在地质钻探领域的应用与发展起一定的指导作用。

基于超硬材料行业产教融合共同体的人才培养模式创新与实践

以材料工程技术专业(超硬材料方向)为例,在超硬材料行业产教融合共同体成立的背景下,对人才培养模式从培养目标到教学评价的全过程创新进行研究与实践。结合企业发展需要,将超硬材料及制品的研发与制备作为了材料工程技术专业的核心发展方向。

超硬磨料套料钻水下钻削P110钢的磨损实验

P110钢具有良好的综合力学性能,广泛用作油气井的套管,使用硬质合金工具对其进行水下钻削时工具磨损严重。实验研究3种不同超硬磨粒及结合剂的套料钻水下钻削P110钢的磨耗比,跟踪观察套料钻表面的磨粒形貌变化,并分析金刚石磨粒表面的石墨化情况。结果表明:在相同加工条件下,3种不同套料钻的端面磨耗大致相同,但使用金刚石磨粒的套料钻侧面磨损明显小于使用立方氮化硼(cBN)磨粒套料钻的;在水下加工条件下,端面金刚石磨粒会产生石墨化,但其仍保持一定的切削能力;结合剂硬度影响磨粒出露,从而导致套料钻在不同工作状态下的性能产生差异。

中国超硬材料合成装备技术发展路径综述

随着自动化技术、液压技术、机械设计制造工艺水平的发展和普及,国内超硬材料合成装备技术发展迅速。文章主要介绍了超硬材料的主要合成装备技术的发展情况,以及各自的特点和应用范围,特别肯定了无缸锻造压机和MPCVD装备的发展。文章指出:六面顶压机仍然是国内的主流合成设备,CVD沉积炉在现阶段可作为补充设备。HPHT装备技术日渐成熟,CVD相关技术装备已有产业化,但仍有很多方面处在研发阶段,成长潜力值得期待。

超硬岩露天深孔台阶爆破参数优化研究

为解决在新疆金宝铁矿露天深孔台阶爆破过程中存在的大块率高、留有根底等影响铲装效率与后续生产的问题,通过现场调查统计与分析,摸清大块产出部位,剖析大块产出与出现根底的原因,并提出相应对策。基于矿岩物理力学性质与矿山现有条件,提出针对超硬岩露天深孔台阶爆破的小孔排距爆破方案,对孔网参数及起爆网路进行了优化提升,采用115 mm孔径,孔排距3.5 m×3.0 m、堵塞长度2.5~3.0 m,孔间毫秒延期时间为11、13、18 ms,排间毫秒延期时间为21、29、37 ms。工程实践表明,小孔排距深孔台阶爆破适用于铁矿石等超硬岩的深孔台阶爆破,相比原爆破方案大块率降低约8.7%,爆后无根底,大大提高了露天矿山采剥效率,很好地满足了生产要求。爆破振动速度降幅约为28.1%,减少了对边坡岩体的扰动和破坏。小孔排距深孔台阶爆破在超硬岩露天矿山矿岩采剥中体现了良好的适用性,能够有效减少大块和消除台阶根底,可为露天矿山超硬岩深孔台阶爆破提供借鉴与参考。

PCD/PcBN超硬刀片的刃磨

近几十年,超硬刀片被广泛应用于汽车制造、3C电子等要求刀具寿命长、生产节拍高的领域。这也对超硬刀片的批量化生产提出了更高的要求。本文对超硬刀具及材料特性、制作工艺与特点进行了探究,介绍了超硬刀片刃磨的三种加工方式,尤其对机械磨削方式进行了深入探讨,在中小批量人工刃磨的工艺基础上,创造和研发了自动化无人值守生产所需的刃磨工艺及算法,并融入其自动化机床产品当中。

李志宏:未来超硬材料产业发展有四大机遇

中国机床工具工业协会超硬材料分会高级顾问,河南省超硬材料协会秘书长,超硬材料技术专家委员会副主任李志宏围绕超硬材料的概念、产业现状、成果以及未来发展趋势进行了分享。据李志宏介绍,超硬材料在中国的发展可划分为四个阶段,1963年到1984年超硬材料处于从无到有的艰难发展阶段,全中国金刚石产量仅为1000万克拉;1984年到2000年进入快速发展阶段,中国金刚石已经成长为世界领军者。从数量上看,中国金刚石产量已经是世界最大的,但是在质量水平上与国外仍有差别;2000年到2008年处于从弱到强的转型升级过程,中国金刚石的产量为世界第一,质量水平也完全达到发达国家的标准;2008年至今正处于持续创新引领世界的阶段,这是立方氮化硼的发展阶段,它在超硬材料中的占比较低。随着超硬材料行业的不断发展,超硬材料的装备也不断升级。

培育钻石在超硬材料行业的“造富神话”正回归价格规律

2023年上半年培育钻石毛坯价跌幅高达60%,多家上市公司因此遭遇业绩、股价“戴维斯双杀”,不过自三季度起,培育钻石价格跌幅有所缩小。财联社记者从业内采访获悉,因培育钻石价格低迷,国内超硬材料厂商对工业用金刚石和培育钻石产能进行调控,人造金刚石在半导体领域的应用或成为行业新增量。

地壳内高温高压环境下超硬材料合成的热力学与动力学研究

高温高压技术对地质矿物学物理化学以及金刚石立方氮化硼等人造超硬材料的合成研究具有重要作用。本研究采用第一性原理热力学和分子动力学模拟方法,对地壳内高温高压环境生成两种重要的超硬材料:钻石和立方氮化硼进行模拟研究。结果显示,在高压环境下,金刚石合成的稳定温度窗口大于立方氮化硼。在动力学方面,通过模拟计算,发现立方氮化硼的合成反应速率低于钻石,说明在地壳内高温高压环境下生成超硬材料的过程动力学限制是主要的。相对于降低合成反应的激活能,提高反应速率成为改进其合成技术的关键。以上研究结果为深入理解地壳内高温高压环境下超硬材料合成的热力学和动力学过程提供了重要信息,对于研发新的合成技术以及拓展超硬材料的应用领域有重要指导意义。

超硬B-C-N材料的电子结构、硬度和光学性质的第一性原理计算

本文基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法计算了z-BC_(2)N和z-B2CN的4种晶体结构的电子结构、硬度和光学性质。结果表明,z-BC_(2)N(2)为直接带隙半导体,其禁带宽度2.449 eV,z-BC_(2)N(1)为间接宽带隙半导体,其禁带宽度为3.381 eV,而z-B2CN(1)和z-B2CN(2)为导体;硬度结果显示z-BC_(2)N(1)、z-BC_(2)N(2)和z-B2CN(1)为超硬材料。最后通过计算z-BC_(2)N基本光学函数与光子能量的关系表征了其光学性质。分析结果表明,z-BC_(2)N结构可以用作良好的耐磨材料和窗口耐热材料。

结构化超硬磨料砂轮设计与制备研究进展

从减摩降力、导屑促排、储液换热的角度出发,探索结构化砂轮在降低磨削力及磨削温度、抑制工件表面热损伤、提高工件加工表面完整性等方面的有效方法。以砂轮表面/基体结构的几何形状、三维尺寸及排布方式等因素对磨削性能的影响为主线,对结构化砂轮设计、制备的基本原理与最新进展进行了全面的论述和总结,重点揭示了结构表征参数-砂轮磨削性能-工件表面质量的内在关联,深入剖析了结构化砂轮在磨削中的优越性,并预测了其未来发展趋势,旨在为推进超硬磨料结构化砂轮的设计及制备技术发展提供理论指导和实践经验。

基于超快激光的PCD超硬材料加工研究

选取聚晶金刚石(PCD)为研究对象,利用1064 nm皮秒激光采用不同激光功率、重复频率、加工速度、填充线宽、加工次数等参数进行加工,并对各区域的加工深度和烧蚀现象进行观测。结果表明,不同激光参数对PCD的烧蚀程度不同,其加工深度与激光功率和加工次数呈正相关,与加工速度和填充线宽呈负相关。此外,加工PCD后出现了石墨化现象,证明皮秒激光对PCD超硬材料的烧蚀机制为石墨化机制。

超硬材料电镀砂轮复杂型面精密整形技术与装备发展趋势

高速/超高速成型磨削技术作为航空发动机、精密齿轮和5G智能等国之重点工程,超硬材料电镀砂轮已经成为其不可或缺的工具之一。受国外技术封锁影响,加之我国电镀砂轮起步晚,目前我国电镀砂轮技术落后。其重要原因为缺乏专业精密整形装备,制造精度低,严重制约了其工业化应用。攻克电镀砂轮复杂型面精密整形技术,突破技术封锁,对于推动高速/超高速成型磨削技术工业化,提升航空航天、军事等行业复杂型面关键零部件制造精度,保证国家安全等方面地位有着重要指导意义和战略意义。查阅了国内外超硬材料制品修整技术,分析了超硬材料电镀砂轮轮廓特征以及修整机理,揭示了目前电镀砂轮复杂型面精密整形存在的技术壁垒。通过分析现阶段业内相关修整设备,推导出“硬修整”是目前保证砂轮轮廓的可靠工艺手段。并指出未来修整装备应走定制化道路,并重点从精密对刀技术、修整干涉CNC干预技术、工具砂轮损耗规避/量化补偿等方面开展专用设备研发。同时指出激光烧蚀工业化是未来超硬材料修整的重点研究方向之一。

超硬磨料砂轮圆弧修整技术综述

超硬磨料砂轮以其优异的磨削性能获得业内普遍认可。但是,由于超硬磨料具有很高的硬度及耐磨性,使其砂轮修整极其困难。对于复杂形面砂轮修整,则更是难上加难。为此,选最简单形面-圆弧砂轮修整为研究对象,梳理了超硬磨料砂轮圆弧修整相关技术,分析了工作原理、修整特点及其应用状况。结果发现:基于金刚石的机械式修整仍是当下超硬磨料砂轮圆弧修整之主流;点轮摆动修整,适于疏松型结合剂砂轮修整;成型修整、插补修整,易损伤工具轮精度,主要用于砂轮精修整、点修整;展成法修整,主要用于精修整。普通磨料磨具,以其脆硬特性以柔克刚,主要用于密实型结合剂超硬磨料砂轮圆弧修整;往复+摆动复合修整,主要用于大圆弧修整;插补修整,用于小众砂轮圆弧修整;往复+插补复合修整,多用于小圆弧修整;电火花成型修整,适于导电性金属结合剂砂轮粗修整;激光修整,寿命超长,但修整技术尚存不足。集非接触与机械式协同之复合修整是工程界期待的超硬磨料砂轮圆弧理想修整方法,尚需深入研究。

科研成果促进教学质量提高的实践——以《超硬材料制造》课程为例

《超硬材料制造》是一门材料、化学和物理等多个学科融合的重要专业必修课,针对该课程的特点和存在的问题,本文提出将科研成果融入到《超硬材料制造》课程的教学中,通过采取利用科研成果优化教学内容,充实教学资源、建立线上平台,搭建课程网站、改变传统教学模式等一系列措施进行改革并实践,教学效果分析表明,科研成果在超硬材料制造课程教学中的应用能够提高学生学习的兴趣和参与度,培养学生的科研意识和创新能力,提升教学质量。

3D打印超硬磨粒工具研究与展望

随着加工产业向着高精密方向发展,超硬磨粒工具的应用越来越广泛。传统制造业很难实现对于具有内外部复杂结构、高加工精密度、高度个性化加工工具制造。新兴的增材制造技术又称3D打印,与传统的材料成型技术最大的区别在于它的材料利用率较高,可以以一种快速的由原材料层层累加的方式生产出任意形状的产品,有望击破传统超硬磨粒工具生产壁垒。文章主要介绍了主流适用于制造超硬磨粒工具的3D打印技术,如光固化成型技术、激光烧结技术和三维打印成型技术,阐述了每种技术的工艺原理,同时指出了目前存在的问题,对未来3D打印技术成型超硬磨粒工具进行展望。

TBM刀具在超硬岩中的市场调研与应用

TBM硬岩掘进机在隧道工程施工中具有高效、经济、优质、安全、环保等特点,其中设备刀盘上滚刀刀圈为主要消耗部件,占到施工成本中很大的一部分。某工程项目隧道均在全断面超硬花岗岩地层中掘进,为降低刀具使用成本,通过对市场上部份刀具生产厂家的各类型材质刀具的性能进行测试对比,选择出使用寿命较长抗磨性能较好的刀具。结合使用情况提供给厂家不断改进的建议,对刀圈材料的选择和生产工艺上进行调整,针对不同硬岩地质条件合理选择性价比高的刀具。