超硬材料在硬质合金工具中的应用①

瞿铭

(全国超硬材料专家委员会湖南超硬材料协会,长沙 410012)

超硬材料在硬质合金工具中的应用①

瞿铭

(全国超硬材料专家委员会湖南超硬材料协会,长沙 410012)

文章论述了我国超硬材料的现状及在硬质合金工具中的应用,指出了提高硬质合金质量三个方面的工作,展望了超硬材料在硬度合金应用中的前景。

超硬材料;硬质合金;工具;应用

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

超硬材料与硬质合金工具(刀具、钻具、钎具)的共同点都属于硬质材料范畴。我国硬质合金发展有80多年的历史,而超硬材料只有46年的发展史,它比较年轻,是一个朝阳产业,有很大的发展空间和潜力。我国人造金刚石从无到有,从小到大,现在已成为金刚石生产大国,年产量近50亿克拉,据统计出口约14亿克拉。我国独创的六面顶生产人造金刚石的一整套专用设备及工艺技术积累了丰富的生产经验,奠定了持续发展赶超世界先进水平的基础。

我国虽然是生产金刚石的大国,但不是强国。产品以中、低档为主,高档产品量少而分散,金刚石的品质主要表现为晶形不够规则,晶体中有裂纹、杂质、气泡、粒度不集中等缺点。近几年来,由于创新能力和技术工艺水平的提高。人造金刚石压机和合成腔体的扩大,产品质量提高,产量大幅增加。例如,Φ650mm 的压机,腔体Φ50～51,金刚石单产达180～190克拉,Φ1000mm 的压机,腔体Φ75mm 单产达530克拉。可喜的是大压机,大腔体能生产出粗颗粒比例较高的金刚石。

目前,我国金刚石工具的发展滞后于金刚石的发展,工具与国外相比不论在应用范围上、品种数量上都还有差距。如复合片(PDC)国外能生产出Φ120mm的,而我国只能生产Φ50mm的,耐热耐磨性也不高。近年来,由于汽车和飞机制造业的大发展,大量应用轻型材料(A l-Si合金,A 1-M g合金)、复合材料等。超硬材料刀具的应用也大量增加,特别是功能材料用的工具,如切割半导体单晶硅的薄片刀具,但我国砂轮大部分靠进口,还有超精金刚石刀具加工应用,国内还是空白,必须迎头赶上。加大科技投入,提高自主创新能力,调整产品结构,努力开发制品工具新产品,成为当前的首要任务。

硬质合金作为高效工具和结构材料应用范围广、发展速度快,据报道,全国硬质合金产量超过16000吨,占全世界总量的30%多。我国是硬质合金的生产大国,但还不是强国。特别是近几年来我国矿山开发,高速公路和铁路的建设,水利、电力、桥梁的建设,建筑业迅速发展。导致矿用硬质合金材料需求量大增。尽管有世界金融危机对我国的影响,但国家采取了一系列扩内需,保增长的措施,增加4万亿元资金发展基础建设,交通运输、水利、电力、能源等城市化建设,这给硬质合金工具(刀具的钎具、钻具)的发展提供了良好的机遇。

我国硬质合金钎具、钻具工业经过半个多世纪的发展,在产量、品种、规格、质量方面都有了长足的进步。但与国际上的钎具、钻具相比,仍然还存在品种少、质量稳定性差、使用寿命短等问题,产品的使用性能还有一定的差距。主要原因还是工艺技术水平较低,以及对原材料的加工、处理技术问题。大家知道,生产钻具、钎具的硬合金材料本身就存在着硬性和韧性的矛盾,要获得高性能的韧性就必须牺牲硬度,获得高硬度的产品又必须牺牲韧性。近几年来,硬质合金专家和工程技术人员针对上述硬与韧的矛盾,开展了一系列的研究工作,主要有以下三个方面。

第一,改变W C的粒度和Co的含量,如粗颗粒、细颗粒(包括纳米级)及不同配比的粒度,寻找最佳条件,提高硬质合金工具的性能。

第二,采用功能梯度结构,就是在高温下T i(CN)化合物的分解,原子的扩散,热传输在材料中产生梯度。如:烧结和热处理过程中通入适当气氛诱发空气中有关元素的扩散,来改变硬质合金的微观结构分析,使材料性能在一维、二维、三维空间出现梯度变化(主要是Co含量从表及里的变化),可以解决硬质合金内部性能存在的矛盾,此工艺技术在国外瑞典山特维克公司己在工业中应用,而我国起步较晚,虽然经10多年的研究工作,但仍处于实验室阶段,距工业应用还须努力,主要关键技术和装备还有待突破性的进展。

第三,增加表面涂层来提高材料的力学性能。有人做过实验,用T iN涂层钻头,寿命可提高50%～60%。江西章源钨业公司羊建高总工等人作了大量工作,涂层后的材料在硬度和耐磨性方面都有很大的提高。涂层的方法也不断地进步,从化学气相沉积发展为等离子物理气相沉积,表面激光强化处理等方法。还有热处理、深冷处理、磁化处理等技术都能提高材料的性能。

以上所有的方法都在硬质合金材料自身上下功夫,还没有脱离硬质合金材料领域,所以材料性能的提高总是有限的。

20世纪70年代,我国金刚石产量明显提高。工程技术人员开展把人造金刚石用于地质勘探的实验研究工作,获得成功,试制成金刚石钻头用于矿山、地质等作为取芯钻头,效果很好,后来逐步发展成两种类型的金刚石钻头:一种是电镀金刚石钻头,另一类是绕结金刚石钻头。电镀金刚石钻头就是在钻齿表面镀上一层厚厚的金刚石,其工艺比较简单,投资少,工艺参数易掌握,在室温下操作方便,钻探效率高,但工作时间长了,少部分金刚石易脱落,保径效果差。然后又研发了烧结金刚石钻头:即采用不同胎体材料生产出不同型号的金刚石绕结钻头。如:有铁基胎体和碳化钨基胎体,目前使用的新型胎体是钢结构硬质合金型胎体。胎体成分:碳化钨占15%～30%,铁占30%～45%,以663-CU 为粘结剂,添加少量其它金属,胎体粉末和金刚石混合,在高温度1000℃左右,压力16～18M Pa下烧结得到金刚石钻头。这类钻头对大多数岩层适应性好,钻进指标高,应用范围广,所以近几年来发展很快。金刚石钻头大量应用于矿山、地质钻探,它对岩层取芯率高,对矿山可以先探后采,钻探效率高,普通的硬质合金钻头难以取代它。

20世纪80年代初,国外的科技工作者为提高钻具的使用寿命,首先考虑如何把金刚石与硬质合金更牢固的结合,克服材料本身的硬性和韧性的难于统一,开展了大量的研究工作,例如美国GE公司在世界上首次合成出金刚石复合片,即在高温、高压下将人造金刚石复合到硬质合金衬底上。从而制造出金刚石复合片钻头。把高硬度、高耐磨性的金刚石与硬质合金抗冲击性有机地结合起来。金刚石复合片(PDC)钻头,与硬质合金钻头相比,使用寿命长,钻进速度快,性能好,结构简单。近年来在我国煤田和石油油田中得到了广泛的应用。1987年美国梅加金刚石公司(M aga diamond Co)在研究金刚石复合片(PDC)的基础上成功地开发出金刚石复合齿。包括球齿、煤截齿等复合齿,它的合成工艺技术比复合片更难些,把各种类型的复合齿安装在钻具上,广泛应用于矿山开发、铁路、公路、桥梁的建设工程上。使用寿命长、钻速高、钻进成本低。据美国当时做实验,同一钻头用于同样硬度的岩石,进尺可达1770米,而普通硬质合金钻头进尺只有71米,所以寿命提高20倍。

把金刚石与硬质合金相结合的技术,世界上最早的专利是瑞典,后来美国成为佼佼者。日本、苏联等国也取得很好的成果,据报道,由于近年来技术的进步,复合球齿金刚石钻头的使用寿命提高到700倍,这是钻具、钎具行业的革命。也是我国的发展方向,必须迎头赶上。

我国也进行了研究,在复合片(PDC)及其钻头方面取得了较好的发展,过去石油钻井的钻头靠进口,现在国内自己能生产,但使用寿命和性能上还有差距,在油田中的关键钻井还要用国外的钻头放心些,目前差距正在缩小。

关于球齿,复合齿方面研究进展较慢,复合技术难度高,近几年来国内有几家单位虽然进行试验研究,但没有取得突破性的进展。因为我国懂硬质合金技术的人不懂人造金刚石的合成技术工艺,懂合成金刚石的人不懂硬质合金的性能机理,所以在技术难度上增加了。我想,只有把硬质合金和超硬材料行业的专家们组织起来,进行联合攻关,发挥各自长处,才能生产出达到国际先进水平的产品。

如何缩短跟国外的差距,必须靠改革创新,认真学习贯彻科学发展观,敢于天下先,闯出新路子,一个企业要大、做强、做精,靠创新发展自己,包括技术创新,产品创新、制度和管理创新,归根结底靠领导要有新思维和理念创新。要应用各学科的技术共同开发,把超硬材料与硬质合金紧密地结合起来,才能达到光辉的顶点。努力实现新的跨越。

当前大多数企业的产品属于传统的大众化,供大于求,缺乏竞争力,有的严重滞销,只能靠降价销售,这不是办法,一定要用高新技术改造传统产业,努力办成有自己特色的企业,有特色功能,性能的产品,就具有强劲的市场竞争力,也可以说特色就是竞争力,要强化自主创新,稳定实现企业转型升级,坚持以市场需求为导向,进行产品结构调整。我们要在激烈的市场竞争中把握转机,寻找商机,抢占先机,为我国超硬材料在硬质合金工具中的应用作出新的贡献。

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

瞿铭(1938-),教授,湖南超硬材料协会秘书长。