超硬材料，顧名思義就是硬度極高的一些材料。人類最早知道的這類材料就是金剛石，或是通常所說的鉆石。從地下采掘出來的叫天然金剛石，多是單晶結構，晶體越大經濟價值就越高，其重量以克拉為單位（1克拉＝0 . 2克），主要是用在飾品上，如鉆戒、鉆項鏈等。顆粒較細的，在工業上可用來做成刀具，切削有色金屬；或是作為一種磨料，制成各種磨具。

　　人工合成的鉆石，稱為人造金剛石。國內最早知道這一信息的時間，可以追溯到上個世紀的五十年代后期。當時不少單位都知道鉆石可以人工合成，但都因為缺少高壓設備而未能付諸實施。1963年由通用機械研究所、磨料磨具磨削研究所和地質科學研究院合作研制成功我國第一顆人造金剛石。1966年，鑄造鍛壓機械研究所在磨料磨具磨削研究所的密切配合下，試制成功六面頂合成壓機，為我國人造金剛石的中間試驗和工業化生產創造了條件，開創了我國人造金剛石工業的先河。至今正好是五十個年頭。

　　成都工具研究所開始涉及超硬材料制品較晚，這同當時的大環境和工具所的具體情況密切相關。所內搞工藝的人員，長期無法開展工作，主要是缺少設備條件，只能同各工具廠合作。工具廠如果具備條件，問題還好辦些，如果搞些新的項目要求廠方投資、添置設備，在沒看到效益或前景的條件下，工廠也是不愿冒風險的。另外，一些認識問題也影響著工具所的發展，即工具研究所是僅僅為工具行業服務，還是要服務于全國的機械加工行業；是以刀具的結構、設計為主，還是要兼顧全面。于是在六十年代中期，硬質合金、陶瓷等實驗室相繼建立。一些技術人員，也從原來搞工藝轉向了材料研究。

　　當時介入這一領域的，只有兩名技術人員，我和另一名技術人員馮世光。后者參與了由四川省科委牽頭組織的立方氮化硼協作組，進一步收集有關資料，而我則利用外語較好的條件，對外國的資料進行了瀏覽。通過查看國外的資料（如美國的 R. H. Wentorf， F. P. Bundy，蘇聯的Л. Ф. Верещагин, Н. Е. Филоненко 等人的專利和文章），發現繼人造金剛石之后出現的立方氮化硼，是一種很有潛力的新型刀具材料。于是從1973年就開始組建立方氮化硼實驗室。建立實驗室耗時兩年，于1975年完成。

　　在建立實驗室的過程中，我們主要進行了下列工作：進一步收集資料，了解六方氮化硼轉化成立方結構的實踐，合成出來的立方氮化硼單晶的進一步燒結（即當時所說的聚晶）以及變為多晶體后的情況。由于我們沒有條件，又缺少這方面的感性認識，于是在1974年我就到處于貴陽郊區的第六砂輪廠進行了考察和學習，并由六砂提供100個多晶立方氮化硼燒結體，由我們做成車刀并進行初步的切削試驗。主要目的是想認識一下把立方氮化硼作為切削刀具材料的可能性、前景以及存在的問題，從而明確今后應走的道路。作為這段工作的結果，我們寫出了《立方氮化硼車刀應用范圍的初步探索》一文。我記得在離開六砂的時候，我就同六砂的合作伙伴李鐘歧說過，要想把立方氮化硼作為刀具材料，必須走與硬質合金復合燒結的道路。時間應該是1974年，更為重要的是這一判斷是在我們親自實踐后提出來的，并不是來源于國外的資料。

　　七十年代中期是我國大環境比較亂的一段時間。作為科技人員，還要參加一些政治活動，因此課題工作時斷時續，進度不是很快。1975年提出的課題“超硬復合刀片的研制”，直到1978年才能正式開展工作。應該說這與國家整個政策的改變不無關系。
在“超硬復合刀片的研制”課題（部控課題）正式開始之前，工具所還完成了一項省科委項目：“立方氮化硼及其多晶燒結體”，時間跨度應該是1973－1978年。該項目獲得了1978年全國科技大會獎和四川省革命委員會科技成果二等獎，1985、1989年又以“立方氮化硼聚晶機理及應用”的名稱分別上報，獲四川省人民政府科技進步二等獎 和國家科技進步三等獎，我是該課題的參加者。
“超硬復合刀片的研制”課題，提出的時間是1975年，而成為部控課題的時間是1978年（起止時間是1978年4月――1980年12月）。這個課題的主要研究內容是：人造金剛石與硬質合金、立方氮化硼與硬質合金的復合燒結機理；溫壓參數及組裝方法的影響；復合燒結體做成刀具后的切削試驗。人造金剛石與硬質合金的復合燒結體，牌號定為FJ；立方氮化硼與硬質合金的復合燒結體，牌號定為FD。課題完成后，寫出了《超硬材料與硬質合金復合材料的高壓燒結機理的研究》，并在中國科學院物理學會組織的第二屆全國高壓物理學術討論會上宣讀，納入了論文集（第二屆全國高壓學術討論會縮編文集第21頁，2.10）。 所技術委員會對該課題的評價是：在國內首次研制成功立方氮化硼與硬質合金的復合燒結體，填補了國內空白；工藝上有突破。課題于1982年獲得了成都市重大科技成果二等獎，機械工業部三等獎。

　　“超硬復合刀片的研制”課題，從1978年4月開始至1980年12月完成，歷時兩年多。 此后，從1981年開始了“超硬復合刀片的中間試驗”課題（部控課題），中心任務是在前一個課題所取得成果的基礎上，進一步解決FJ人造金剛石與硬質合金和FD立方氮化硼與硬質合金燒結體向批量生產過渡的問題，包括設計適合這種新型材料的車刀結構，完善工藝規程，穩定產品質量等內容。值得一提的是，在進行這一課題時，我們采取了邊研究、邊試驗、邊宣傳、邊推廣、邊生產的做法，目的是為了進一步擴大產品的適用范圍，保證生產出的刀具能有穩定的市場。因此參加了多次的全國性宣傳推廣會議，在宣傳立方氮化硼刀具性能的同時，也了解了很多用戶的需求，為下一步的生產找到了方向。由于這種幾條腿走路的方法，在進行本課題的過程中，為工具研究所創造了近20萬的產值，解決了工人們的獎金問題。

　　“超硬復合刀片的中間試驗”課題中的產品，FJ復合人造金剛石和FD復合立方氮化硼系列刀具，獲得了國家經濟委員會頒發的優秀新產品證書和金龍獎牌。本課題所用的時間是1981－1986年，其中中斷了兩年，原因是另外購買六面頂壓機（購買原因不在此敘述）。當時機床局的領導，雖然非常支持，曾令人專門給青海一機床打電話，但遺憾的是到該廠以后，才知道廠方已經停產這種設備。無奈之下，只好另辟途徑。最后還是通過熟人關系，在四川省找到了一臺舊的六面頂。這樣，才總算能把課題進行下去。

　　在進行“超硬復合刀片的研制”課題的同時，還插入了另外幾項課題：“復合立方氮化硼制品—車刀、銑刀、鏜刀”， “復合人造金剛石制品―鉆頭、車刀、鏜刀”兩項部控課題。這兩個項目，只完成了復合立方氮化硼立銑刀的設計、制造與試驗，其它內容由于當時條件限制未能完成。

　　除了上述課題外，還插入了兩項“七五”攻關課題：“噴涂焊耐磨零件的精密機械加工工藝的研究”和“雜質泵過流部件的精密機械加工工藝的研究”。前一個項目，由于工具研究所參加了全國熱噴涂協作組，是其成員，主要是負責解決涂層的后加工問題，所以同不少廠家進行了合作，下面舉幾個具體例子介紹。

　　1．1982年10月，在博山水泵廠開始了早期的用FD刀具對噴焊層（G112合金粉末）的車削試驗。結果表明，加工質量完全符合要求，加工時間僅為0.5小時，而原來用磨削則需48小時（6個班）。

　　2. 1983年初，我們又在上海工業展覽會刀具館，用FD刀具對噴涂焊層進行了車削表演，同樣收到了很好的效果。

　　3. 1983年4月，天津市舉辦了“科技交易交流會”，簡稱“雙交會”。我們參加的是熱噴涂材料的技術攻關項目。熱噴涂技術是在零件表面上噴一層高硬度材料，以便提高零件的耐磨性和耐腐蝕性的工藝方法。 我們加工的對象是經過噴涂的計量泵柱塞，使用FD 刀具在車床上直接將外圓車到產品尺寸。試驗結果表明，用了十分鐘就加工完了，而且表面光潔度達到▽7。 而以前用磨的方法加工時，磨一根柱塞至少需要8小時（達到▽7）。加工成本由原來的24元降到了1元5角。這使得許多搞了幾十年切削工藝的老工人，贊不絕口。會后，集體接受了當時的天津市市長李瑞環的接見，并在1983年4月10日的天津日報上，進行了宣傳報道。

　　4. 1986年11月，有一項由國家經委下達給水利電力部、水利電力部又將項目下達給北京水利電力設計院的科研項目。協作單位是四川灌縣映秀灣水電站。噴焊由電站進行，后加工問題曾請北京市工具研究所、自貢764廠、成都420廠去現場商談，但均未敢承接。后來將加工任務委托給航空工業部611所，該所同我們有過合作，知道復合立方氮化硼刀具對這種材料有明顯的效果，所以就同工具研究所合作，使用FD復合立方氮化硼刀具在一個月內完成了加工任務，質量（精度和表面粗造度）均達到要求，并對把立方氮化硼刀具用于粗車提出了要求和建議。由于工件較大，需要大尺寸的FD復合立方氮化硼刀片以提高加工效率。

　　除了實際的應用以外，在這段時間內還發表了幾篇文章：1980年6月，在《工具技術》上發表了“用立方氮化硼車刀加工噴涂噴焊材料的初步試驗”，這是關于這方面的最早報道，先于美國GE公司；1982年4月，在《新工藝新技術》上發表了“超硬刀具及其應用”，其中把噴涂焊層的加工，列入了CBN刀具的應用范圍；1986年6月，在《機械工人》（冷加工）上，介紹了“熱噴涂噴焊層的車削”，作為一項成熟經驗加以推廣。

　　關于這段時間所參加的各種會議以及下廠親自推廣的次數和內容較多，不能按時間前后一一敘述。總體來說，通過這一階段的推廣試驗，基本上搞清了FJ復合人造金剛石和FD復合立方氮化硼系列刀具的適用范圍，除了前面介紹的熱噴涂焊材料外，還包括銅（電機整流子）、機械用碳、玻璃鋼、各種有色金屬、新型復合材料、淬火鋼、各種高硬度鑄鐵（如冷硬鑄鐵）以及某些金屬的光加工等難加工材料。所涉及的工廠有機車車輛廠、有色金屬壓延廠、電機廠、儀表廠、電碳廠、汽車廠、石化廠、水泵廠、各軍工系統的工廠以及有難加工問題的生產廠等等。

　　1984年，由機械工業部機械科學研究院牽頭，成立了機械系統“難加工材料切削加工技術聯絡網”，參加單位包括了各高等學校、中央和地方的各專業研究所和各省市的機械制造廠。本想在國內難加工領域，再開展一些推廣和攻關活動，使新出現的超硬刀具能夠被更多的人認識和使用，為提高國內機械加工水平發揮些作用，但因為某些原因無果而終。1983年11月，收到了七機部三院某所的一封信，向我介紹了華北技術交流會上的一些情況。說用我們的FD 刀具加工淬火硬度高達HRc 62-65 的9Cr18 鋼，表面粗造度達到了▽8，可以車代磨，而且耐用度好。但北京某所用另一廠生產的立方氮化硼刀具，耐用度卻太低，車不完一個零件。我看了信，雖然為我們所的產品能用于生產感到高興，但也產生了一些歉意，“各為其主”，“身不由己”。1986年，在一份“寧夏回族自治區職工技術協作委員會文件”（寧工技字［1986］第四號）上，有這樣一段介紹：“成都工具研究所表演的復合立方氮化硼車刀，可以切削各種淬火鋼（HRc 60-67）,耐磨鑄鐵，噴涂材料，特殊合金和有色金屬的光加工（▽7－▽10）。當場表演的車削淬火鋼和硬質合金，使代表們看得目瞪口呆。有些代表說：“這種刀可以車削硬質合金，過去別說看過，就是聽也沒聽說過，真不可想象，簡直神了……”。這應該能說明推廣普及的意義吧？

　　下面介紹幾個比較突出的、前無古人的例子，來說明超硬刀具、尤其是FD復合立方氮化硼刀具對國內機械行業的貢獻。

　　（1）1987年3月，蘭州石油化工機械工業公司一分廠，不停機對100,000千瓦發電機組的付勵磁機滑環修復（因日久磨損，徑向跳動太大），獲得了成功。機組轉速為3,000 轉／分，滑環直徑為200毫米，因此使切削速度達到了1885米／分，走刀量為0.11-0.23毫米／轉。其它刀具上去就燒了，根本無法使用。該廠一位長期搞機械加工的人員說，他還從未見過用這么高的切削速度去加工A3材料，這使他對FD立方氮化硼刀具有了新的認識。應該說，不停機修復就是一項創新，而使用近2000米／分切削速度去加工A3，不知是否也創造了吉尼斯世界紀錄。

　　（2）人造衛星的防護罩，是用專門的復合材料制作的，既抗高溫又耐撞擊，加工起來很困難。因為工件尺寸很大，對工件的尺寸精度和幾何精度又非常高，在使用原先的刀具加工時，由于刀具耐磨性不夠，只能通過調整機床來彌補。這當然是一種權宜之計。在改用復合人造金剛石刀具（FJ刀具）來加工以后，由于刀具具有足夠的耐磨性，因而使工件產生了倒錐度，即不需要用調整機床的方法來遷就刀具的磨損，而且切削速度也得到了提高，提高了生產率。這類材料的試驗，雖然是在航天工業部門進行的，但這類材料在其它制造業中，也有廣泛的應用，因此應該說這一實驗具有普遍意義。

　　（3）航天工業中的純鎳零件的機械加工問題，一直是個頭痛的問題。原來的加工方法，條件極差，由于刀具迅速磨損而使加工時的噪音高達上百分貝，工人們必須在密閉的房間內帶上耳塞工作，且加工質量很不理想，不易保證，但無人去研究解決。我們根據立方氮化硼具有極好的穩定性的特點，認為在切削某些特殊材料時，應該有明顯的效果。試驗結果證明了上述判斷是正確的。在使用了FD系列復合立方氮化硼刀具加工后，不僅無噪音，而且大大提高了零件的表面質量。這次表演是在眾多的高校教授們親自觀看下完成的，得到了他們和廠方的肯定。后來航天系統自己為此召開了鑒定會。

　　（4）為了了解立方氮化硼的穩定性，我們做了一些試驗。這種試驗可能是單純搞冷加工的技術人員不會感興趣的。在實驗和實踐的基礎上，我們提出了“切削加工是一種特殊形式的微區熱加工”的觀點。意圖在于應該結束傳統學科中“冷”“熱”分家的局面（學校、工廠、甚至一些管理機構中歷來冷、熱加工都是分家的）。用“冷”、“熱”統一了的切削觀點去觀察切削過程，可以克服傳統的切削原理中的許多純數學化、不能指導實際加工的缺點。利用這一觀點，對解決刀具的磨損機理以及在不同場合選用何種刀具，有著非常重要的指導意義。當然，一種新的觀點或理論的出現，總是有的人贊成，有的人反對。歷史上這方面的例子很多。其實，問題的根源是現代科學的學科越分越細所帶來的副作用。分學科的目的，應該是為了使科學實驗的范圍變小、盡量減少實驗中的變數，以便更容易找出事物的客觀規律。但過分地強調學科，會使人的思維受到束縛，不利于對事物整體的思考與認識。上述對純鎳零件加工問題的解決，就是建立在這一理論基礎上的。這一觀點，或是說金屬切削加工是一種特殊形式的微區熱加工，曾征求過母校熱加工專業的雷廷權教授和冷加工專業的袁哲俊教授（曾在1957－1961年間兼任過工具研究所的副所長）的意見，得到了他們的肯定。在看過我們對純鎳的加工表演后，我曾向袁哲俊教授提出建議（當時旁邊還有許多其他高校的代表和老師），內容是建議母校在冷加工專業的課程中，多加一點熱加工的課程，使學生們的思想能更開闊一些。他當時表示說，我們可以合作來帶研究生。在1985年第三期的《金屬科學與工藝》雜志上，我們發表了這項試驗的全部資料，題目是：“切削鎳時刀具擴散磨損的研究―相圖在金屬切削中的應用”。

　　1987年，美國通用電氣公司超級磨料部代表團，到工具研究所訪問。來訪成員有美國總部的，大部分是設在日本東京的辦事處的成員。我們在會上進行了交流，后來雙方又用自己的刀具進行了切削表演，被加工試件為冷硬鑄鐵軋輥。這次對比試驗是由專門人員進行的，對切削條件、刀具磨損和加工表面粗造度等都有記錄。結果表明，我們的FD復合立方氮化硼刀具耐用度不遜于美國GE公司的，而加工表面質量還略優于外國的。

　　這次活動以后，又經過了一段時間，所內成立了一個辦公室與美國GE公司合作。在與美國GE公司合作的這段時間，參加了不少次會議，為美國產品在中國打開市場作出了努力。另外，還為他們翻譯了一套產品宣傳資料：“COMPAX復合人造金剛石刀坯和BZN立方氮化硼復合片”。

　　1988年12月，我們應約到美國訪問，時間不長。看了看在俄亥俄州本部的生產、設備等情況。給我的印象是規模不算大，同我們國內的差不多（也可能有些地方沒給我看）。當時正趕上圣誕節，有幸參加了他們的慶祝活動。在快要離開美國的時候，GE公司發給我一個證書，證書上寫的是：茲證明曹振宇圓滿地完成了GE公司超級磨料部機械加工研討會（Seminar），時間是：1988年12月5－9日，簽字人：E. J. Russell; T. J. Broskea; D. M. Williams。這樣，我們在國內所進行的一切切削試驗，便納入了GE的范疇。離開美國后，又到日本參觀了GE設在東京的機構。其中幾個人就是曾到工具所訪問的人員。東京的實驗室不大，看來主要是為GE公司做切削試驗的。

　　從國外回來以后，雖然還同用戶保持了一段時間的聯系，處理了幾個合同，但基本上沒有再開展什么工作。客戶對超硬刀具的需求，都是由后來分配到超硬刀具實驗室的技術人員寇自力完成的，直到工具所所址要遷出市區為止。

　　以上的介紹，基本上能反映出工具研究所在超硬材料領域，對國家所做的一點貢獻。所有內容都有文字記載。我相信，以紀念中國超硬材料發展五十周年為契機，我國的超硬材料行業也一定會像軍工行業一樣，能夠不斷獲得新的成就，進一步證明“科學技術是第一生產力”，為不斷提高我國機械加工的能力、發展我國的社會生產力做出自己的貢獻。（本文節選自《中國超硬材料工業五十年》）