國銳：超硬材料在硬質(zhì)合金工具中的應(yīng)用

超硬材料與硬質(zhì)合金工具（刀具、鉆具、釬具）的共同點(diǎn)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(gè)朝陽產(chǎn)業(yè)，有很大的發(fā)展空間和潛力。

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(bào)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(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。盡管有世界金融危機(jī)對(duì)我國的影響，但國家采取了一系列擴(kuò)內(nèi)需，保增長(zhǎng)的措施，增加4萬億元資金發(fā)展基礎(chǔ)建設(shè)，交通運(yùn)輸、水力、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(jī)遇。

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(zhǎng)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(duì)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，硬合金專家和工程技術(shù)人員針對(duì)上述硬與韌的矛盾，開展了一系列的研究工作，主要有以下三方面。

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，此工藝技術(shù)在國外瑞典山特維克公司已在工業(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(shí)驗(yàn)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(jìn)展。

改變WC的粒度和Co的含量，如粗顆粒、細(xì)顆粒（包括納米級(jí)）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。
 
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%。江西章源鎢業(yè)公司羊建高總工人等人作了大量工作，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(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。

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(jì)出口約14億克拉。我國獨(dú)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(yàn)，奠定了持續(xù)發(fā)展趕超世界先進(jìn)水平的基礎(chǔ)。

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。例如，Φ650mm的壓機(jī)，腔體Φ50~51，金剛石單產(chǎn)180~190克拉，Φ1000mm的壓機(jī)，腔體Φ70mm單產(chǎn)達(dá)530克拉?？上驳氖谴髩簷C(jī)，大腔體能生產(chǎn)出粗顆粒比例較高的金剛石。

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，另一類是燒結(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(jiǎn)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(zhǎng)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(hào)的金剛石燒結(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°Ｃ左右壓力16~18ＭＰa下燒結(jié)得到金剛石鉆頭。這類鉆頭對(duì)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(duì)巖層取芯率高，對(duì)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(zhǎng)，鉆進(jìn)速度快，性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(zhǎng)、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。

  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(jī)制造業(yè)的大發(fā)展，大量應(yīng)用輕型材料（A1—Si，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，但我國砂輪在部分靠進(jìn)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(dāng)前的首要任務(wù)。

  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，過去石油鉆進(jìn)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，日前差距正在縮小。
 
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)的專家組織起來，進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，發(fā)揮各自長(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，也可以說特色就是競(jìng)爭(zhēng)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(jí)，堅(jiān)持以市場(chǎng)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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)。