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住友電工:超越金剛石的納米多晶金剛石“SUMIDIA BINDERLESS”

作者:佚名  信息來源:無憂機械電子  2013-4-4

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住友電工的金剛石業務已經有40多年的歷史。通過精進獨創的超高壓技術,向社會推出了立方晶氮化硼燒結體SUMIBORON、金剛石燒結體SUMIDIA、合成單晶金剛石SUMICRYSTAL等種種產品。這次我們新開發的是硬度比單晶金剛石更高、且攻克了單晶金剛石解理斷裂之弱點的終極新金剛石&mdash。納米多晶金剛石SUMIDIA BINDERLESS。...

  住友電工的金剛石業務已經有40多年的歷史。通過精進獨創的超高壓技術,向社會推出了立方晶氮化硼燒結體“SUMIBORON”、金剛石燒結體“SUMIDIA”、合成單晶金剛石“SUMICRYSTAL”等種種產品。這次我們新開發的是硬度比單晶金剛石更高、且攻克了單晶金剛石解理斷裂之弱點的終極新金剛石——納米多晶金剛石“SUMIDIA BINDERLESS”。致力于此項研發的角谷和推進此項研發并將研發成果應用于切削工具的村上和小畠分別從各自領域的專業角度,介紹了技術人員開拓材料新可能性的研究過程,以及研究開發工作中的樂趣。

  住友電工為什么要研究金剛石?

  住友電工開始研究合成金剛石是1970年左右。當時雖然已經確立了超硬合金廠家的地位,但我們關注到市場上對替代超硬合金的新一代刀具材質的需求,于是著手開發金剛石、立方晶氮化硼(cBN)等新硬質材料。制造金剛石、cBN需要高超的技術,來創造類似于地球內部生成天然金剛石所需的超高壓高溫條件。我們的研究就從構筑這一技術基礎開始,其后成功將燒結金剛石和燒結cBN產品化,并運用于切削工具等。我們將這一超高壓發生技術應用于單晶金剛石合成,在1980年成功地合成出了約1克拉約5-6毫米的單晶金剛石,幾年后在世界上最先實現了量產。1982年我們又成功地合成出了世界最大的1.2克拉的單晶金剛石,并于1984年作為世界最大的合成金剛石收錄于吉尼斯世界記錄。

  當時,角谷正好進入住友電工,最初從事大型合成金剛石的研發工作。1990年成功地合成出了9克拉的大型單晶金剛石。但那時的合成金剛石含有雜質(氮),顏色是黃色的。

  角谷接下去的工作就是開發完全去除氮雜質的技術。2000年前后成功地合成出了1-2克拉(直徑5-6毫米)的無色透明的高純度結晶并實用化,推進了產品質量的改善和大型化,現在我們已能合成直徑12毫米超過10克拉的大型高純度金剛石結晶(照片)。長達15年堅持不懈的研發,終于將1克拉的黃色結晶改進成約10克拉無色透明、質量超越天然產品的結晶。

  對超越單晶金剛石的材料的探索

  成功合成出大型無色透明的高純度結晶的角谷又開始了新的挑戰。單晶金剛石存在特定方向易斷裂(沿解理面斷裂※)、易磨損的特點,用作切削工具還存在問題。而已經作為切削工具材料使用的金剛石燒結體,因結合材料的影響,在硬度和耐熱性能上比單晶金剛石差很多。

  “若不使用結合材料,將粒子非常細小的金剛石燒結后,應該不存在硬度和解理斷裂問題,并能保持耐熱性能”。于是,我們嘗試不使用結合材料,燒結了金剛石粉末,但是無法使非常硬的金剛石直接結合。而我們知道,向石墨等非金剛石碳施加十幾GPa、二千幾百℃以上的超超高壓高溫的話,能直接將石墨轉換為金剛石。“利用這種直接轉換,瞬間燒結的話,是否能獲得粒子間無間隙,牢固結合的多晶金剛石呢…”,于是角谷投入于這一工藝的開發。公司已有的技術還無法做到穩定地產生這種超超高壓的狀態,需要引進一種叫多級式多頂砧的超超高壓設備,但由于此款設備非生產性設備,所以遭到了公司內部的強烈反對。

  于是,角谷開始與研究地球內部超高壓高溫狀態下的地幔狀態和礦物的愛媛大學開展了共同研究,研制出了試樣尺寸1毫米左右、較小的高純度多晶金剛石,帶回公司研究后發現這種高純度多晶金剛石由數十納米級的非常微小的金剛石粒子緊密牢固結合而成,其硬度超過單晶金剛石。借此,角谷與愛媛大學共同發表了關于納米多晶金剛石(以下簡稱NPD)的論文,被多家報紙登載,引起了極大的反響。

  ※解理斷裂:單晶上特有的結晶沿一定方向(沿解理面)斷裂

  世界首創 優于金剛石的新金剛石

  2005年成功合成出了直徑1厘米的NPD后,同年11月被NEDO※批準為實用化扶助項目,借此終于在公司內被認定為正式的開發項目,加快了事業化發展。

  要將NPD實用化,必須有加大試樣尺寸,穩定產生大容量的超超高壓高溫的量產化技術。另外,其作為刀具材料的實用性能尚不充分,材質的穩定化也是一個較大的問題。開發成員們將力量傾注在用多級式多頂砧使合成試樣大型化及開發能以工業水準進行量產的技術上。在單晶金剛石開發中積累的技術和經驗起到了作用。此外,還開發了通過改良起始原料、優化合成條件和控制微小組織提高特性和穩定性的技術,在世界上率先成功開始了可以用作切削工具的NPD的工業生產。至此,硬度比單晶金剛石更高,且攻克了解理斷裂的難題和不抗熱這一傳統燒結金剛石的弱點,一款劃時代的新金剛石——NPD(照片)問世了。

  ※NEDO:新能源和產業技術綜合開發機構

  將納米多晶金剛石應用于切削工具

  在推進研發工作的同時,角谷向開發制作金剛石切削工具的小畠他們提議是否能將NPD用作精密加工用工具材料。

  “作為材料啊,挺有趣嘛…”,小畠他們的第一反應并不很起勁。因為那時NPD的材料形狀和顏色都不均勻,用于切削加工時會出現對被加工材料造成部分損傷等問題。而且其非常硬、耐磨性好的優點反過來也使其難以加工成刀刃的形狀,要將其應用于切削工具還存在很多有待解決的問題。

  “我們想把納米多晶金剛石制作成工具!”

  另一方面,通過角谷在報紙和學會上發表的論文而得知NPD的客戶就新材料提出了不少咨詢,“我們很想評估一下,希望能將NPD制作成切削工具”,在客戶的強烈要求下,“即便要花費很大的工夫,也要嘗試制作一下刀具產品”,小畠和村上等員工開始了試制工作。

  對NPD實際進行加工后發現比想像的更困難。單晶的話,方向不同強度和硬度也不同,因此可以在柔軟部位進行加工,但NPD所有面都很硬,用傳統的加工方法無論如何都既費時又費工。村上說“后來經過現場技術人員集思廣益下功夫,終于確立了新的加工技術”。

  “這種材料好棒啊!”,歷盡艱難制作出的切削工具的試用結果不負眾望,贏得了客戶的高度好評。由此正式開始開發NPD的切削工具,2012年1月終于開始發售用NPD“SUMIDIA BINDERLESS”做刀頭材料的精細加工用圓頭槽銑刀、超精密切削工具。

  在超硬合金加工行業掀起一場革命

  最近,工業產品不斷向精細化、精密化發展,增加了很多難以切削的高硬度材料。采用NPD的刀具能將不可能變為可能。比如,傳統的單晶金剛石容易出現刀頭缺損,而燒結金剛石的刀頭精度低,且磨損快,在超硬合金加工的精度和壽命上都存在問題。而能形成鋒利的刀頭、耐缺損性和耐磨性都非常出色的NPD切削工具能使從直雕到鏡面加工等超精密加工成為可能。

  今后還將繼續研究開發

  目前是用于模具加工等特殊用途,將來想用于更多的領域。為此不僅在材料方面,還需要開發加工技術。角谷等員工今后在開發新加工技術的同時,還將充分使用NPD開發刀具產品,努力擴大產品的選擇性,從而擴大適用范圍。

  “SUMIDIA”“SUMIBORON”“SUMICRYSTAL”是住友電氣工業株式會社的注冊商標。

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