我國雖然是生產(chǎn)金剛石的大國,但不是強(qiáng)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(diǎn)。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(jī)和合成腔體的擴(kuò)大、產(chǎn)品質(zhì)量提高,產(chǎn)量大幅增加。
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。
近年來,由于汽車和飛機(jī)制造業(yè)的大發(fā)展,大量應(yīng)用輕型材料(Al-Si合金,A1-Mg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(jìn)口,我們應(yīng)該加大科技投入,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(dāng)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。我國是硬質(zhì)合金的生產(chǎn)大國,但還不是強(qiáng)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。
我國硬質(zhì)合金釬具、鉆具工業(yè)經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)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(jìn)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(gè)方面。
第一,改變WC的粒度和Co的含量,如粗顆粒、細(xì)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Ti(CN)化合物的分解,原子的擴(kuò)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(dāng)氣氛誘發(fā)空氣中有關(guān)元素的擴(kuò)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。
第三,增加表面涂層來提高材料的力學(xué)性能。有人做過實(shí)驗(yàn),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(jìn)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(qiáng)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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16～18MPa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(jìn)指標(biāo)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(jì)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(jī)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(jìn)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(Maga 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(jìn)成本低。據(jù)美國當(dāng)時(shí)做實(shí)驗(yàn),同一鉆頭用于同樣硬度的巖石,進(jìn)尺可達(dá)1770米,而普通硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)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(bào)道,由于近年來技術(shù)的進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行試驗(yàn)研究,但沒有取得突破性的進(jìn)展。因?yàn)槲覈操|(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(jī)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(jìn)行聯(lián)合攻關(guān),發(fā)揮各自長處,才能生產(chǎn)出達(dá)到國際先進(jìn)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(rèn)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(gè)企業(yè)要大、做強(qiáng)、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(dá)到光輝的頂點(diǎn)。努力實(shí)現(xiàn)新的跨越。
當(dāng)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(yán)重滯銷,只能靠降價(jià)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(qiáng)勁的市場競爭力,也可以說特色就是競爭力,要強(qiáng)化自主創(chuàng)新,穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級,堅(jiān)持以市場需求為導(dǎo)向,進(jìn)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(jī),尋找商機(jī),搶占先機(jī),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(xiàn)。