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。

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。

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(Al-Si合金,A1-Mg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,我們應該加大科技投入,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。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。
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WC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Ti(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。

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TiN涂層鉆頭,壽命可提高50%～60%，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16～18MPa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(Maga 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。