钻石是自然界最坚硬的物质，如何让钻石更坚硬？

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钻石是自然界最坚硬的物质，如何让钻石更坚硬？

钻石是自然界最坚硬的物质，因此长期以来其也被用于切削和钻井作业。无论是开采石油和天然气，或工程车间精密成形等，任何切割的原理是，该工具必须比工件硬。然而，虽然钻石有很好的硬度，但是随之而来的其他性质却限制了其作为理想的切削工具。如今来自硬度表面专家及先进的表面涂层创新涂料解决了其中的很多问题，因此获得的钻石比原始钻石更坚硬。



使钻石更加坚硬


钻石作为切削工具的一大挑战是其非常脆。钻石是碳的一种形式，原子排列非常紧密。在面心立方结构中，每一个原子与其他四个相邻原子通过共价键连接，因此形成了一种非常强的晶体结构。不仅强度很高，这种结构也使得钻石的化学性子很稳定，有很高的导热性，低热膨胀性，平面非常光滑，以及很高的折射系数。这些性质是非常有用的。例如，晶面的光滑度及化学惰性意味着非粘性。这样的结果是，金刚石的润湿性差，与粘合剂不能很好地工作。当考虑到将钻石用于钻探工具时，就成了一个问题。要做到这一点，唯一有效的办法是将颗粒包覆在金属基体中，依托金属的机械强度，将其固定。


热量是另一个难题，使得其很容易氧化或者还原为石墨。尽管大家都认为“钻石恒久远”，但事实是当温度高于400℃的时候，钻石会迅速石墨化，变成柔软的石墨—尤其是有金属存在的情况下。最终，虽然金刚石各向异性晶格结构非常强，但它确实存在断裂面，沿着该晶面晶体会发生粉碎。


对于最后一个问题的解决方案，则是多晶钻石，即由非常多小型钻石晶体组合而成。由于这些小型钻石的排列非常随机，因此不易形成连续的断裂面，从而使得其不利发生断裂。


多晶钻石有两种类型：多晶金刚石复合物和热力学稳定型多晶金刚石复合物。对于表面硬化工具，TSP类型显然是更好的选择，然而其也面临新的挑战。尤其是使用镍涂层来帮助烧结钻石成矩阵时会导致许多的上述问题。镍会与钻石形成弱的化学键，当材料膨胀的时候，这些键会发生断裂。此外，镍也会促进金刚石向石墨的转变。


Hardide Coatings和Cutting & Wear宣布开发了一种新型涂层，叫做Hardide-D。该方法使用碳化钨来包覆金刚石。该方法的秘密就在于采用化学气相沉积法在金刚石晶体表面形成Hardide涂层。该过程中碳化钨从气体冷凝时可将原子形成在钻石表面，这会形成很强的化学键，并且不会形成气孔。具有涂层的钻石其润湿性有了很大的提高，使多晶金刚石可以更好地嵌入切削工具。实验室测试证实了这些分析。断裂测试表明即使是在断裂的情况下，这些涂层仍然与金刚石成键。


当全球寻找石油和天然气储量移动到更加偏远的地区时，钻头的重要性则更加明显。因此工程和制造方面的压力就更大了。这项全新的新技术可以获得世界上最坚硬的材料，在很多关键方面扮演着举足轻重的角色。