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第一篇 超硬材料与制品机理3

第一章 碳元素与超硬材料3

第一节 自然界中碳的存在形式及分类3

1．1 碳在自然界中存在的形式3

1．2 自然界中碳存在的基本分类4

第二节 超硬材料与相关元素在周期表中的分布规律5

2．1 硬-超硬材料的分类与其晕圈图5

2．2 超硬材料及相关元素在周期表中的分布规律7

第三节 材料的硬度与其内部结构的关系13

3．1 矿物学上硬度的分类13

3．2 材料的内部结构对其硬度的影响14

第四节 硬-超硬材料与元素半径和杂化轨道的关系16

4．1 元素的共价半径和金属原子半径大小与硬度关系17

4．2 价健与硬度的关系20

4．3 杂化轨道理论与金刚石的共价键20

4．4 平均成键能力最大值22

4．5 金刚石——典型的sp_3杂化轨道23

第五节 配位多面体对金刚石硬度的影响24

5．1 配位多面体与配位数24

5．2 金刚石的配位数及特征26

第六节 硬-超硬材料的密度与硬度的关系28

第七节 晶体的原子结构对硬度的影响29

第八节 几点结论31

第二章 人造金刚石的基本原理与合成机理33

第一节 关于碳的压力-温度相图34

2．1 总则37

第二节 人造金刚石体系中的界面结合理论37

2．2 cosθ普适性方程38

2．3 界面结合特征方程40

2．4 若干推论41

第三节 直接法人造金刚石的合成机理41

3．1 若干实验现象42

3．2 直接转变为立方金刚石的模式43

3．3 直接转变为六方金刚石的模式44

3．4 金属碳的有关问题45

3．5 直接转变的成核与生长速率46

第四节 熔媒法人造金刚石的合成机理48

4．1 若干主要实验现象和规律48

4．2 三种典型观点的合理部分和局限性50

4．3 熔媒观点52

4．4 熔媒效应54

4．5 熔媒法人造金刚石的成核速率58

第五节 外延法人造金刚石的合成机理60

5．1 初期的若干实验现象与分析61

5．2 金刚石多晶薄膜的合成机理62

第三章 溶液法人造金刚石的合成机理78

第一节 人造金刚石从熔融金属中生长的热力学原理79

第二节 人造金刚石溶液法生长机理的实验研究80

2．1 人造金刚石的表面特征及其与金刚石晶体生长和溶解的关系80

2．2 人造金刚石晶体缺陷及其与晶体生长的关系84

第三节 晶种法生长金刚石单晶的生长系统研究87

3．1 人造金刚石生长系统研究87

3．2 溶液体相结构分析88

3．3 人造金刚石溶液法生长机理的进一步讨论89

4．1 计算机模拟采用的物理模型90

第四节 超高压高温条件下人造金刚石晶体生长的计算机模拟90

4．2 计算机模拟步骤92

4．3 模拟结果93

第四章 人造金刚石合成规律的研究94

第一节 压力等高线与等温线95

1．1 金刚石转化率与合成温度的关系——压力等高线95

1．2 金刚石转化率与合成压力的关系——等温线97

1．3 小结100

第二节 合成曲面与脊线的概念101

2．1 合成曲面101

2．2 脊线101

2．3 金刚石生长速度与合成压力、温度的关系102

3．1 质量方程104

第三节 合成金刚石的质量与压力、温度的关系104

3．2 讨论105

第五章 高温高压下氮化硼晶体的结构转化机理108

第一节 氮化硼晶体的两种结构109

1．1 六方氮化硼(hBN)的晶体结构及其特点109

1．2 立方氮化硼(cBN)的晶体结构及其特点111

第二节 高温高压下hBN向cBN的结构转变112

2．1 hBN向cBN转变的微观历程及其表达式113

2．2 hBN向cBN转变的船形模式116

2．3 椅形和船形两种转变模式的特点117

第三节 触媒在BN晶体转变过程中的作用118

3．1 触媒的作用机理118

3．2 触媒作用下hBN向cBN转变中的微观历程表达式119

3．3 hBN向cBN转变的本质120

4．1 碱金属、碱土金属对cBN晶体的反转化作用122

第四节 立方氮化硼晶体的反转化122

4．2 过渡金属对cBN晶体的反转化作用123

4．3 问题讨论124

第五节 新型超硬材料BCN125

5．1 BCN三元素单晶体的理论结构126

5．2 问题讨论128

第六章 金刚石的粘结机理及金刚石表面金属化130

第一节 固体表面间的粘结原理130

第二节 人造金刚石聚晶的粘结机理132

第三节 粘结剂的选择原则135

3．1 结构对应原则135

3．2 定向成键原则135

3．3 低熔点原则136

4．1 金刚石与低熔点纯金属的浸润性138

第四节 金刚石与金属合金的浸润性138

4．2 合金元素对金刚石浸润性的影响139

4．3 添加强碳化物形成元素合金对金刚石浸润性的机理140

4．4 金属合金与金刚石结合界面物相的微观分布140

第五节 金属合金粘结金刚石工艺142

5．1 真空焊接金刚石的方法142

5．2 粉体合金材料粘结金刚石的工艺143

第六节 金刚石表面金属化的理论与技术145

6．1 表面金属化金刚石模型145

6．2 金刚石表面金属化的几种途径147

6．3 金刚石表面金属化后的性能148

第七章 金刚石制品的烧结合金化原理152

第一节 粘结剂中金属元素的性能152

1．1 粘结剂金属或合金152

1．2 骨架材料153

1．3 碳化物形成元素154

1．4 稀土元素156

第二节 常用粘结剂中主要元素的行为157

2．1 国内常用的粘结剂种类157

2．2 粘结剂主要元素的行为机制160

第三节 金属和合金对金刚石的润湿172

3．1 相关概念172

3．2 金属和合金对金刚石的润湿174

第四节 金刚石表面金属化176

4．1 金刚石表面金属化的概念与分类176

4．2 金刚石表面金属化的常用途径176

4．3 金刚石—金属键合金表面金属化176

4．4 表面金属化金刚石的合理应用183

5．1 烧结184

第五节 烧结与烧结合金化184

5．2 常用热压烧结的原理概述185

5．3 烧结合金化185

第六节 相关测试及仪器简介186

6．1 粉末性能的测定186

6．2 成分、组织、结构的测定187

第八章 岩石的几种破碎机理189

第一节 影响岩石破碎和加工的主要物理力学性质189

1．1 地质特征对岩石机械物理性能的影响190

1．2 岩石的微观结构对其机械物理性能的影响191

1．3 与岩石破碎和加工的难易程度有关的岩石力学性质的主要因素192

第二节 钻进过程岩石破碎机理的分析198

2．1 粗粒径表镶金刚石工具碎岩机理201

2．2 孕镶金刚石工具碎岩机理206

第三节 磨削和锯切机理的分析211

3．1 石材加工时的磨削机理212

3．2 石材加工时磨削过程的分析213

第四节 金刚石工具的磨损机理217

4．1 连续磨损形式217

4．2 啮合式磨损形式218

4．3 磨粒磨损形式218

4．4 润滑对工具磨损的影响及润滑机理219

第九章 岩石在外力作用下的破碎机理与金刚石钻进原理221

第一节 工具压人岩石时的压力分布和应力状态221

第二节 岩石在外载作用下的破碎发展过程226

第三节 岩石破碎效果与破碎过程各参数间的关系231

3．2 破碎工具形状的影响233

3．1 载荷大小的影响233

3．3 工具加载性质的影响234

第四节 岩石可钻性能的确定236

4．1 岩石压人硬度Py的测定结果237

4．2 岩石的塑性系数K的测定238

第五节 回转切削钻进与岩石性能的关系240

5．1 切向力Fs与轴向力FA的关系241

5．2 切糟深度与轴向力的关系242

5．3 切槽宽度与轴向力的关系242

5．4 单位位移破碎的体积△V/△S与轴向力FA的关系242

5．5 单位位移破碎功W/△V与轴向力FA的关系243

第六节 金刚石的钻进原理244

6．1 调控钻进工艺的基本参量——刃具对岩石的切入量244

6．2 定切人量钻进工艺指标的国外应用情况247

第七节 提高金刚石钻进钻速的途径249

第十章 碳与石墨对人造金刚石合成的影响255

第一节 碳原子的结构255

第二篇 超硬材料与制品原材料255

1．1 碳在工业用途上的分类256

1．2 碳原子的电子层结构257

第二节 石墨晶体的结构和性质257

2．1 石墨晶体的结构258

2．2 石墨化与石墨化程度259

2．3 石墨晶体的某些物理性质261

第三节 人造石墨的制备264

3．1 石墨化炉的结构265

3．2 人造石墨的制备265

第四节 人造金刚石合成用石墨267

4．2 石墨化程度高低对人造金刚石合成的影响268

4．1 石墨品种和纯度对人造金刚石合成的影响268

4．3 石墨密度、石墨与触媒润湿性对合成金刚石的影响269

4．4 合成金刚石常用的几种石墨270

第十一章 金属触媒材料272

第一节 概况272

第二节 合金触媒的组织结构和性能274

2．1 合金触媒的组织结构274

2．2 合金触媒的性能274

第三节 合成金刚石时触媒的结构279

3．1 在台阶阶段未生成金刚石280

3．2 金刚石生长时触媒具有有序结构280

第四节 金属包膜的作用及其本质282

4．1 金刚石晶体表面形态和生长特征282

4．3 石墨向金刚石转变的演化过程285

4．2 晶体的螺位错和片层生长285

第五节 合成片的织构与合成效果287

第六节 合成金刚石的触媒效应288

6．1 金刚石的光电子能谱分析(XPS)289

6．2 合成金刚石的触媒效应291

第七节 触媒与石墨的比表面积和金刚石的产量的关系292

7．1 两面顶293

7．2 六面顶293

第八节 触媒的技术前景294

8．1 触媒材料制备方法研究294

8．2 研制粗颗粒高强度高转化率金刚石的合金触媒295

8．3 开发和研究非金属触媒295

第一节 压力密封与压力传递介质的选择原则297

1．1 传压介质的选择原则297

第十二章 人造金刚石合成中的压力密封和压力传递介质297

1．2 密封介质的选择原则298

第二节 叶蜡石的物理性质299

2．1 叶蜡石的结构与组成299

2．2 叶蜡石传压性能301

2．3 叶蜡石的热性能302

2．4 叶蜡石的热处理对传压性能的影响303

2．5 叶蜡石高温下的脱水与相变对合成金刚石的影响303

第三节 滑石和白云石的性质305

3．1 滑石的性质306

3．2 白云石的性质307

第四节 传压介质与密封介质的制备工艺308

4．1 六面顶压机用叶蜡石粉压块的制备309

4．2 两面顶压机用传压介质的制备310

第一节 硬质合金顶锤与压缸材料的选择312

第十三章 硬质合金顶锤与压缸312

1．1 硬质合金顶锤与压缸材料的选择313

1．2 硬质合金顶锤与压缸的型号314

1．3 硬质合金顶锤与压缸的技术要求315

1．4 硬质合金顶锤的尺寸及允许偏差316

1．5 硬质合金压缸的尺寸及允许偏差317

第二节 硬质合金顶锤的生产技术318

2．1 混合料的制备318

2．2 成型319

2．3 烧结320

第三节 硬质合金顶锤的质量检验与控制321

3．1 顶锤物理机械性能的检验321

3．2 顶锤外表与尺寸的检查321

3．3 顶锤的质量控制322

第十四章 六方氮化硼的制备与对立方氮化硼合成的影响325

第一节 氮化硼的结构325

1．1 六方氮化硼(hBN)的结构325

1．2 菱方氮化硼(rBN)的结构326

1．3 立方氮化硼(cBN)的结构326

1．4 纤锌矿氮化硼(wBN)的结构327

第二节 六方氮化硼(hBN)的合成方法327

2．1 六方氮化硼(hBN)的制备327

2．2 六方氮化硼(hBN)的精制329

2．3 用三氨化癸硼烷和肼在压力下制备氮化硼332

第三节 菱方体氮化硼(rBN)的制备333

第四节 六方氮化硼的性质对立方氮化硼合成的影响…335

4．1 高温高压对氮化硼结构有序化的影响336

4．2 六方氮化硼的结晶程度对立方氮化硼合成的影响339

4．3 六方氮化硼的氧化特性对立方氮化硼合成的影响340

第十五章 人造金刚石工具材料中的合金元素342

第一节 金刚石工具中的基体金属342

1．1 金刚石工具材料中元素的分类343

1．2 元素在胎体材料中的作用343

1．3 基体金属344

第二节 胎体材料中的合金元素346

2．1 固溶强化元素346

2．2 低熔点元素347

2．3 改善铜对碳化钨的润湿性的元素347

第三节 硬相组元材料348

4．1 金刚石表面金属化350

4．2 碳化物形成元素350

第四节 碳化物形成元素350

4．3 Cr、Ti和W元素在金刚石工具中的作用354

第十六章 超硬材料工具制造中的的结合剂358

第一节 金属结合剂中的原材料358

1．1 原材料种类358

1．2 原材料的理化性能360

1．3 原料粉末的技术条件364

1．4 原料粉末的工艺性能365

1．5 原料的加工处理366

第二节 金属结合剂的性能与配制369

2．1 金属结合剂的种类369

2．2 金属结合剂的主要性能370

2．3 配方设计原则372

2．4 结合剂的配制375

第三节 树脂结合剂的性能与配制376

3．1 结合剂必须具备的条件377

3．2 树脂粘结剂378

3．3 充填料381

3．4 结合剂的配制382

第四节 电镀金属结合剂382

4．1 除油用原材料383

4．2 浸蚀用原材料384

4．3 电镀液用原材料384

第五节 陶瓷结合剂的性能与制备385

5．1 制造金刚石陶瓷结合剂磨具用原料分类385

5．2 陶瓷结合剂的原料组成386

5．3 原料的加工处理388

5．4 结合剂的主要性能389

1．1 超硬磨料晶形的影响391

第一节 适用于电镀制品的超硬材料磨粒391

第十七章 超硬材料电镀制品的原材料391

1．2 超硬磨料内部杂质含量的影响392

1．3 超硬磨料表面及混杂在颗粒群中杂质的影响394

第三篇 超硬材料与制品设备399

第十八章 单压源两面顶压机399

1．1 预应力钢丝缠绕式机架机架400

1．2 预应力拉杆式机架400

1．3 板块式机架401

1．4 叠板式机架401

第二节 压机机架的应力计算402

2．1 主油缸密封结构403

2．2 间隙密封自动补偿结构的工作原理406

2．3 间隙密封自动补偿结构的特点406

3．1 金刚石压机的液压系统407

第三节 压机的液压系统407

3．2 金刚石压机液压系统特点408

第十九章 铰链式六面顶液压机410

第一节 概述410

第二节 主机412

第三节 增压器414

第四节 压机的液压系统415

4．1 概述415

4．2 液压系统的工作原理417

4．3 液压系统元件421

第五节 电器控制系统428

5．1 概述428

5．2 继电器硬逻辑控制系统429

5．3 PC机控制系统431

5．4 安全保护433

第六节 压机的调整434

6．1 同步性的调整434

6．2 顶锤的初装与更换时的双增双节中性调整434

第七节 压机的使用与维护保养435

第八节 金刚石压机的新改进437

第二十章 超高压模具443

第一节 概述443

第二节 超高压模具结构形式443

第三节 顶锤应力特征445

3．1 侧向支承445

3．2 底部支承446

3．3 大质量支承447

第四节 顶锤的条件增强448

3．4 大质量支承顶锤的侧面支承448

第五节 高压密封垫的特性与功能450

第六节 硬质合金顶锤、压缸破坏特征456

6．1 顶锤(压缸)破坏原因457

6．2 顶锤(压缸)等静压生产特点458

第二十一章 金刚石压机的加热体系459

第一节 概述459

1．1 加热系统459

1．2 交流稳压器类型及特性460

1．3 组合式电源装置461

第二节 几种主要交流稳压器特性462

2．1 可控硅调阻抗式交流稳压器462

2．2 电机伺服调压或补偿式调压交流稳压器464

2．3 可控硅调功式交流稳压器465

2．4 可控硅调压式交流稳压器469

第三节 降压变压器470

第二十二章 金刚石分选检测设备472

第一节 电解设备472

1．1 用途与特征472

1．2 使用工作环境条件472

1．3 整流设备的主要技术参数473

1．4 结构特点473

1．5 整流设备的电路及工作原理474

1．6 安装与使用478

1．7 维护与检修479

2．3 结构480

2．2 主要技术性能参数480

第二节 YCY-1型金刚石合成棒粉碎机480

2．1 概述480

2．4 安装481

2．5 使用481

第三节 拍击式标准振筛机483

3．1 概述483

3．2 主要技术规格与结构原理483

3．3 安装485

第四节 CQX25系列超声波洗筛机486

4．1 概述486

4．2 技术参数486

4．3 工作原理487

第五节 XXⅡ*92型金刚石选形机488

5．1 用途和适用范围488

4．5 维护和保养488

4．4 使用方法488

5．2 主要技术参数489

5．3 结构与工作原理489

5．4 安装与操作489

5．5 维修与保养492

第六节 YTDS-Ⅱ型金刚石强度微机测量仪492

6．1 概述492

6．2 仪器的基本工作原理和结构493

6．3 仪器的主要技术指标及功能493

6．4 仪器的操作程序494

6．5 使用、维护与保养495

7．2 技术指标和参数496

7．3 基本原理和结构496

7．1 概述496

第七节 WCF-3电磁分选仪496

7．4 励磁电源499

7．5 安装和检查500

7．6 使用方法和步骤502

7．7 维护和保养502

第二十三章 金刚石工具制造设备503

第一节 GDZ-Ⅱ型金刚石滚动电镀镀衣设备503

1．1 原理与特点503

1．2 主要参数及技术指标504

第二节 金刚石、cBN镀钛合金成套技术及装备504

2．1 概述504

2．2 真空微蒸发镀技术及设备特点505

2．3 真空微蒸发镀技术装备主要技术经济指标507

第三节 超硬磨具的磨料制粒设备508

3．1 金刚石磨料的制粒原理508

3．2 制粒设备简介508

第四节 金刚石混料设备509

4．1 摇摆式混料机510

4．2 翻滚式混料机511

4．3 滚筒式混料机511

第五节 金刚石工具烧结压机512

5．1 概况512

5．2 压机的液压系统513

5．3 烧结压机的加热方式514

5．4 温度的测量与控制515

5．5 RYJ20C型烧结压机的性能及特点516

第六节 金刚石锯片磨弧机517

第七节 金刚石锯片应力调整机518

第二十四章 金刚石工具的焊接设备520

第一节 电子管高频焊机520

1．1 原理和特点520

1．2 电路原理521

1．3 JJG15-D型高频焊机525

第二节 晶体管高频、超音频感应焊机526

2．1 发展情况526

2．2 特点527

2．3 工作原理527

2．4 便携式高频焊机528

2．5 JCH-1型晶体管高频焊机528

第三节 金刚石锯片修整开刃机系列529

3．1 机床的主要用途529

3．2 国内外目前状况529

3．3 机床的主要结构及性能530

3．4 JJ91型开刃机531

3．5 JJ60型开刃机533

3．6 JJ105-230A型开刃机535

3．7 JJ105-230B型开刃机536

3．8 修整开刃工艺537

第四节 金刚石小锯片烧结设备538

4．1 概述538

4．2 金刚石小锯片连续烧结炉538

4．3 金刚石小锯片间歇烧结炉542

4．4 各种炉型的性能比较543

第五节 YZL-1型真空中频热压连续炉545

5．1 结构原理545

5．2 结构特点548

5．3 设备的主要技术性能参数549