超硬材料在硬質合金工具中的應用①

瞿銘

(全國超硬材料專家委員會湖南超硬材料協會,長沙 410012)

超硬材料在硬質合金工具中的應用①

瞿銘

(全國超硬材料專家委員會湖南超硬材料協會,長沙 410012)

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

超硬材料;硬質合金;工具;應用

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

超硬材料與硬質合金工具(刀具、鉆具、釬具)的共同點都屬于硬質材料范疇。我國硬質合金發展有80多年的歷史,而超硬材料只有46年的發展史,它比較年輕,是一個朝陽產業,有很大的發展空間和潛力。我國人造金剛石從無到有,從小到大,現在已成為金剛石生產大國,年產量近50億克拉,據統計出口約14億克拉。我國獨創的六面頂生產人造金剛石的一整套專用設備及工藝技術積累了豐富的生產經驗,奠定了持續發展趕超世界先進水平的基礎。

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

目前,我國金剛石工具的發展滯后于金剛石的發展,工具與國外相比不論在應用范圍上、品種數量上都還有差距。如復合片(PDC)國外能生產出Φ120mm的,而我國只能生產Φ50mm的,耐熱耐磨性也不高。近年來,由于汽車和飛機制造業的大發展,大量應用輕型材料(A l-Si合金,A 1-M g合金)、復合材料等。超硬材料刀具的應用也大量增加,特別是功能材料用的工具,如切割半導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用,國內還是空白,必須迎頭趕上。加大科技投入,提高自主創新能力,調整產品結構,努力開發制品工具新產品,成為當前的首要任務。

硬質合金作為高效工具和結構材料應用范圍廣、發展速度快,據報道,全國硬質合金產量超過16000噸,占全世界總量的30%多。我國是硬質合金的生產大國,但還不是強國。特別是近幾年來我國礦山開發,高速公路和鐵路的建設,水利、電力、橋梁的建設,建筑業迅速發展。導致礦用硬質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需,保增長的措施,增加4萬億元資金發展基礎建設,交通運輸、水利、電力、能源等城市化建設,這給硬質合金工具(刀具的釬具、鉆具)的發展提供了良好的機遇。

我國硬質合金釬具、鉆具工業經過半個多世紀的發展,在產量、品種、規格、質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、質量穩定性差、使用壽命短等問題,產品的使用性能還有一定的差距。主要原因還是工藝技術水平較低,以及對原材料的加工、處理技術問題。大家知道,生產鉆具、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,獲得高硬度的產品又必須犧牲韌性。近幾年來,硬質合金專家和工程技術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,提高硬質合金工具的性能。

第二,采用功能梯度結構,就是在高溫下T i(CN)化合物的分解,原子的擴散,熱傳輸在材料中產生梯度。如:燒結和熱處理過程中通入適當氣氛誘發空氣中有關元素的擴散,來改變硬質合金的微觀結構分析,使材料性能在一維、二維、三維空間出現梯度變化(主要是Co含量從表及里的變化),可以解決硬質合金內部性能存在的矛盾,此工藝技術在國外瑞典山特維克公司己在工業中應用,而我國起步較晚,雖然經10多年的研究工作,但仍處于實驗室階段,距工業應用還須努力,主要關鍵技術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,從化學氣相沉積發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、磁化處理等技術都能提高材料的性能。

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

20世紀70年代,我國金剛石產量明顯提高。工程技術人員開展把人造金剛石用于地質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、地質等作為取芯鉆頭,效果很好,后來逐步發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。然后又研發了燒結金剛石鉆頭:即采用不同胎體材料生產出不同型號的金剛石繞結鉆頭。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構硬質合金型胎體。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下燒結得到金剛石鉆頭。這類鉆頭對大多數巖層適應性好,鉆進指標高,應用范圍廣,所以近幾年來發展很快。金剛石鉆頭大量應用于礦山、地質鉆探,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合金更牢固的結合,克服材料本身的硬性和韌性的難于統一,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合片,即在高溫、高壓下將人造金剛石復合到硬質合金襯底上。從而制造出金剛石復合片鉆頭。把高硬度、高耐磨性的金剛石與硬質合金抗沖擊性有機地結合起來。金剛石復合片(PDC)鉆頭,與硬質合金鉆頭相比,使用壽命長,鉆進速度快,性能好,結構簡單。近年來在我國煤田和石油油田中得到了廣泛的應用。1987年美國梅加金剛石公司(M aga diamond Co)在研究金剛石復合片(PDC)的基礎上成功地開發出金剛石復合齒。包括球齒、煤截齒等復合齒,它的合成工藝技術比復合片更難些,把各種類型的復合齒安裝在鉆具上,廣泛應用于礦山開發、鐵路、公路、橋梁的建設工程上。使用壽命長、鉆速高、鉆進成本低。據美國當時做實驗,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。

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

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

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

如何縮短跟國外的差距,必須靠改革創新,認真學習貫徹科學發展觀,敢于天下先,闖出新路子,一個企業要大、做強、做精,靠創新發展自己,包括技術創新,產品創新、制度和管理創新,歸根結底靠領導要有新思維和理念創新。要應用各學科的技術共同開發,把超硬材料與硬質合金緊密地結合起來,才能達到光輝的頂點。努力實現新的跨越。

當前大多數企業的產品屬于傳統的大眾化,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,一定要用高新技術改造傳統產業,努力辦成有自己特色的企業,有特色功能,性能的產品,就具有強勁的市場競爭力,也可以說特色就是競爭力,要強化自主創新,穩定實現企業轉型升級,堅持以市場需求為導向,進行產品結構調整。我們要在激烈的市場競爭中把握轉機,尋找商機,搶占先機,為我國超硬材料在硬質合金工具中的應用作出新的貢獻。

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,湖南超硬材料協會秘書長。