超硬材料在硬質(zhì)合金工具中的應(yīng)用①

瞿銘

(全國超硬材料專家委員會湖南超硬材料協(xié)會,長沙 410012)

超硬材料在硬質(zhì)合金工具中的應(yīng)用①

瞿銘

(全國超硬材料專家委員會湖南超硬材料協(xié)會,長沙 410012)

文章論述了我國超硬材料的現(xiàn)狀及在硬質(zhì)合金工具中的應(yīng)用,指出了提高硬質(zhì)合金質(zhì)量三個方面的工作,展望了超硬材料在硬度合金應(yīng)用中的前景。

超硬材料;硬質(zhì)合金;工具;應(yīng)用

Abstract:In this paper,the status of superhard materials and the application in the hard alloy tools are summarized,three works for improving the quality of hard alloy are pointed out and the prospects of application of superhard materials in the hard alloy tools are viewed.

Keywords:superhard material;hard alloy;tool;application

超硬材料與硬質(zhì)合金工具(刀具、鉆具、釬具)的共同點都屬于硬質(zhì)材料范疇。我國硬質(zhì)合金發(fā)展有80多年的歷史,而超硬材料只有46年的發(fā)展史,它比較年輕,是一個朝陽產(chǎn)業(yè),有很大的發(fā)展空間和潛力。我國人造金剛石從無到有,從小到大,現(xiàn)在已成為金剛石生產(chǎn)大國,年產(chǎn)量近50億克拉,據(jù)統(tǒng)計出口約14億克拉。我國獨創(chuàng)的六面頂生產(chǎn)人造金剛石的一整套專用設(shè)備及工藝技術(shù)積累了豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗,奠定了持續(xù)發(fā)展趕超世界先進水平的基礎(chǔ)。

我國雖然是生產(chǎn)金剛石的大國,但不是強國。產(chǎn)品以中、低檔為主,高檔產(chǎn)品量少而分散,金剛石的品質(zhì)主要表現(xiàn)為晶形不夠規(guī)則,晶體中有裂紋、雜質(zhì)、氣泡、粒度不集中等缺點。近幾年來,由于創(chuàng)新能力和技術(shù)工藝水平的提高。人造金剛石壓機和合成腔體的擴大,產(chǎn)品質(zhì)量提高,產(chǎn)量大幅增加。例如,Φ650mm 的壓機,腔體Φ50～51,金剛石單產(chǎn)達180～190克拉,Φ1000mm 的壓機,腔體Φ75mm 單產(chǎn)達530克拉?？上驳氖谴髩簷C,大腔體能生產(chǎn)出粗顆粒比例較高的金剛石。

目前,我國金剛石工具的發(fā)展滯后于金剛石的發(fā)展,工具與國外相比不論在應(yīng)用范圍上、品種數(shù)量上都還有差距。如復(fù)合片(PDC)國外能生產(chǎn)出Φ120mm的,而我國只能生產(chǎn)Φ50mm的,耐熱耐磨性也不高。近年來,由于汽車和飛機制造業(yè)的大發(fā)展,大量應(yīng)用輕型材料(A l-Si合金,A 1-M g合金)、復(fù)合材料等。超硬材料刀具的應(yīng)用也大量增加,特別是功能材料用的工具,如切割半導(dǎo)體單晶硅的薄片刀具,但我國砂輪大部分靠進口,還有超精金剛石刀具加工應(yīng)用,國內(nèi)還是空白,必須迎頭趕上。加大科技投入,提高自主創(chuàng)新能力,調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu),努力開發(fā)制品工具新產(chǎn)品,成為當前的首要任務(wù)。

硬質(zhì)合金作為高效工具和結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用范圍廣、發(fā)展速度快,據(jù)報道,全國硬質(zhì)合金產(chǎn)量超過16000噸,占全世界總量的30%多。我國是硬質(zhì)合金的生產(chǎn)大國,但還不是強國。特別是近幾年來我國礦山開發(fā),高速公路和鐵路的建設(shè),水利、電力、橋梁的建設(shè),建筑業(yè)迅速發(fā)展。導(dǎo)致礦用硬質(zhì)合金材料需求量大增。盡管有世界金融危機對我國的影響,但國家采取了一系列擴內(nèi)需,保增長的措施,增加4萬億元資金發(fā)展基礎(chǔ)建設(shè),交通運輸、水利、電力、能源等城市化建設(shè),這給硬質(zhì)合金工具(刀具的釬具、鉆具)的發(fā)展提供了良好的機遇。

我國硬質(zhì)合金釬具、鉆具工業(yè)經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展,在產(chǎn)量、品種、規(guī)格、質(zhì)量方面都有了長足的進步。但與國際上的釬具、鉆具相比,仍然還存在品種少、質(zhì)量穩(wěn)定性差、使用壽命短等問題,產(chǎn)品的使用性能還有一定的差距。主要原因還是工藝技術(shù)水平較低,以及對原材料的加工、處理技術(shù)問題。大家知道,生產(chǎn)鉆具、釬具的硬合金材料本身就存在著硬性和韌性的矛盾,要獲得高性能的韌性就必須犧牲硬度,獲得高硬度的產(chǎn)品又必須犧牲韌性。近幾年來,硬質(zhì)合金專家和工程技術(shù)人員針對上述硬與韌的矛盾,開展了一系列的研究工作,主要有以下三個方面。

第一,改變W C的粒度和Co的含量,如粗顆粒、細顆粒(包括納米級)及不同配比的粒度,尋找最佳條件,提高硬質(zhì)合金工具的性能。

第二,采用功能梯度結(jié)構(gòu),就是在高溫下T i(CN)化合物的分解,原子的擴散,熱傳輸在材料中產(chǎn)生梯度。如:燒結(jié)和熱處理過程中通入適當氣氛誘發(fā)空氣中有關(guān)元素的擴散,來改變硬質(zhì)合金的微觀結(jié)構(gòu)分析,使材料性能在一維、二維、三維空間出現(xiàn)梯度變化(主要是Co含量從表及里的變化),可以解決硬質(zhì)合金內(nèi)部性能存在的矛盾,此工藝技術(shù)在國外瑞典山特維克公司己在工業(yè)中應(yīng)用,而我國起步較晚,雖然經(jīng)10多年的研究工作,但仍處于實驗室階段,距工業(yè)應(yīng)用還須努力,主要關(guān)鍵技術(shù)和裝備還有待突破性的進展。

第三,增加表面涂層來提高材料的力學(xué)性能。有人做過實驗,用T iN涂層鉆頭,壽命可提高50%～60%。江西章源鎢業(yè)公司羊建高總工等人作了大量工作,涂層后的材料在硬度和耐磨性方面都有很大的提高。涂層的方法也不斷地進步,從化學(xué)氣相沉積發(fā)展為等離子物理氣相沉積,表面激光強化處理等方法。還有熱處理、深冷處理、磁化處理等技術(shù)都能提高材料的性能。

以上所有的方法都在硬質(zhì)合金材料自身上下功夫,還沒有脫離硬質(zhì)合金材料領(lǐng)域,所以材料性能的提高總是有限的。

20世紀70年代,我國金剛石產(chǎn)量明顯提高。工程技術(shù)人員開展把人造金剛石用于地質(zhì)勘探的實驗研究工作,獲得成功,試制成金剛石鉆頭用于礦山、地質(zhì)等作為取芯鉆頭,效果很好,后來逐步發(fā)展成兩種類型的金剛石鉆頭:一種是電鍍金剛石鉆頭,另一類是繞結(jié)金剛石鉆頭。電鍍金剛石鉆頭就是在鉆齒表面鍍上一層厚厚的金剛石,其工藝比較簡單,投資少,工藝參數(shù)易掌握,在室溫下操作方便,鉆探效率高,但工作時間長了,少部分金剛石易脫落,保徑效果差。然后又研發(fā)了燒結(jié)金剛石鉆頭:即采用不同胎體材料生產(chǎn)出不同型號的金剛石繞結(jié)鉆頭。如:有鐵基胎體和碳化鎢基胎體,目前使用的新型胎體是鋼結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金型胎體。胎體成分:碳化鎢占15%～30%,鐵占30%～45%,以663-CU 為粘結(jié)劑,添加少量其它金屬,胎體粉末和金剛石混合,在高溫度1000℃左右,壓力16～18M Pa下燒結(jié)得到金剛石鉆頭。這類鉆頭對大多數(shù)巖層適應(yīng)性好,鉆進指標高,應(yīng)用范圍廣,所以近幾年來發(fā)展很快。金剛石鉆頭大量應(yīng)用于礦山、地質(zhì)鉆探,它對巖層取芯率高,對礦山可以先探后采,鉆探效率高,普通的硬質(zhì)合金鉆頭難以取代它。

20世紀80年代初,國外的科技工作者為提高鉆具的使用壽命,首先考慮如何把金剛石與硬質(zhì)合金更牢固的結(jié)合,克服材料本身的硬性和韌性的難于統(tǒng)一,開展了大量的研究工作,例如美國GE公司在世界上首次合成出金剛石復(fù)合片,即在高溫、高壓下將人造金剛石復(fù)合到硬質(zhì)合金襯底上。從而制造出金剛石復(fù)合片鉆頭。把高硬度、高耐磨性的金剛石與硬質(zhì)合金抗沖擊性有機地結(jié)合起來。金剛石復(fù)合片(PDC)鉆頭,與硬質(zhì)合金鉆頭相比,使用壽命長,鉆進速度快,性能好,結(jié)構(gòu)簡單。近年來在我國煤田和石油油田中得到了廣泛的應(yīng)用。1987年美國梅加金剛石公司(M aga diamond Co)在研究金剛石復(fù)合片(PDC)的基礎(chǔ)上成功地開發(fā)出金剛石復(fù)合齒。包括球齒、煤截齒等復(fù)合齒,它的合成工藝技術(shù)比復(fù)合片更難些,把各種類型的復(fù)合齒安裝在鉆具上,廣泛應(yīng)用于礦山開發(fā)、鐵路、公路、橋梁的建設(shè)工程上。使用壽命長、鉆速高、鉆進成本低。據(jù)美國當時做實驗,同一鉆頭用于同樣硬度的巖石,進尺可達1770米,而普通硬質(zhì)合金鉆頭進尺只有71米,所以壽命提高20倍。

把金剛石與硬質(zhì)合金相結(jié)合的技術(shù),世界上最早的專利是瑞典,后來美國成為佼佼者。日本、蘇聯(lián)等國也取得很好的成果,據(jù)報道,由于近年來技術(shù)的進步,復(fù)合球齒金剛石鉆頭的使用壽命提高到700倍,這是鉆具、釬具行業(yè)的革命。也是我國的發(fā)展方向,必須迎頭趕上。

我國也進行了研究,在復(fù)合片(PDC)及其鉆頭方面取得了較好的發(fā)展,過去石油鉆井的鉆頭靠進口,現(xiàn)在國內(nèi)自己能生產(chǎn),但使用壽命和性能上還有差距,在油田中的關(guān)鍵鉆井還要用國外的鉆頭放心些,目前差距正在縮小。

關(guān)于球齒,復(fù)合齒方面研究進展較慢,復(fù)合技術(shù)難度高,近幾年來國內(nèi)有幾家單位雖然進行試驗研究,但沒有取得突破性的進展。因為我國懂硬質(zhì)合金技術(shù)的人不懂人造金剛石的合成技術(shù)工藝,懂合成金剛石的人不懂硬質(zhì)合金的性能機理,所以在技術(shù)難度上增加了。我想,只有把硬質(zhì)合金和超硬材料行業(yè)的專家們組織起來,進行聯(lián)合攻關(guān),發(fā)揮各自長處,才能生產(chǎn)出達到國際先進水平的產(chǎn)品。

如何縮短跟國外的差距,必須靠改革創(chuàng)新,認真學(xué)習(xí)貫徹科學(xué)發(fā)展觀,敢于天下先,闖出新路子,一個企業(yè)要大、做強、做精,靠創(chuàng)新發(fā)展自己,包括技術(shù)創(chuàng)新,產(chǎn)品創(chuàng)新、制度和管理創(chuàng)新,歸根結(jié)底靠領(lǐng)導(dǎo)要有新思維和理念創(chuàng)新。要應(yīng)用各學(xué)科的技術(shù)共同開發(fā),把超硬材料與硬質(zhì)合金緊密地結(jié)合起來,才能達到光輝的頂點。努力實現(xiàn)新的跨越。

當前大多數(shù)企業(yè)的產(chǎn)品屬于傳統(tǒng)的大眾化,供大于求,缺乏競爭力,有的嚴重滯銷,只能靠降價銷售,這不是辦法,一定要用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),努力辦成有自己特色的企業(yè),有特色功能,性能的產(chǎn)品,就具有強勁的市場競爭力,也可以說特色就是競爭力,要強化自主創(chuàng)新,穩(wěn)定實現(xiàn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級,堅持以市場需求為導(dǎo)向,進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整。我們要在激烈的市場競爭中把握轉(zhuǎn)機,尋找商機,搶占先機,為我國超硬材料在硬質(zhì)合金工具中的應(yīng)用作出新的貢獻。

Application of superhard materials in the hard alloy tools

QU M ing
(N ational S uperhard M aterial Expert Comm ittee,H unan S uperhard M aterial A ssociation,Changsha410012)

TQ 164

A

1673-1433(2010)01-0028-03

2010-01-05

瞿銘(1938-),教授,湖南超硬材料協(xié)會秘書長。