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    超硬材料在硬质合金工具中的应用

    帖子创建时间:  2016年09月30日 14:32 评论:2 浏览: 660 投稿

    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。

     

    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。

     

    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(Al-Si合金,A1-Mg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,我们应该加大科技投入,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。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。

    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WC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Ti(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。

     

    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TiN涂层钻头,寿命可提高50%~60%,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16~18MPa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。

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    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(Maga 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。

    郑州海迪实业有限公司
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