超硬制品

超硬制品（精选3篇）

超硬制品 篇1

1 引言

绿色制造是以低碳、 低能耗、 低污染、 低排放为基础的制造模式。其实质是能源高效利用、 开发清洁能源、 追求绿色GDP 的问题。 核心是能源技术和减排技术创新、 产业结构和制度创新和人类生产发展观念的根本性转变。 这是时代赋予我们的崇高使命和头等重要任务。 作为科学技术工作者, 特别是作为超硬材料制品研发与生产的科学技术工作者, 应该积极主动地献身于这场伟大的技术变革中去, 让其他材料无可比拟的超硬材料大显神威。

关于绿色制造与超硬制品的开发应用这个议题, 应从两个方面去阐述, 一是超硬材料工具在制造过程中如何实现自身的低碳绿色与节能减排 ; 二是超硬材料工具在为促进现代工业各领域实现低碳绿色与节能减排中起重要的技术支撑的作用。本文仅就后者做一简要的阐述。

2 PDC 钻头为绿色能源钻采开路

在化石类能源中, 天然气是生物在地层深部高温高压环境下经历亿万年而生成的一种可燃气体, 主要成分为甲烷, 热值约为35600kJ/m3, 主要存在于天然气田、油田及一些煤气田, 其成分中硫等杂质很少, 燃烧后生成CO2和水, 很少排放其他污染物。因此, 与煤炭和石油相比当是一种清洁环保能源。 有人预测, 2020 年后天然气将超过石油和煤炭成为一次能源消费中的主体。 而在中国, 天然气在一次能源消耗中所占比例目前只有3.8%, 发展空间巨大。

在浅层油气资源经过近百年的不断开采, 储量越来越少, 和全球经济发展对油气资源的依赖程度越来越高的双重压力下, 人们不断探索更深地层储藏石油天然气的可能性。 随着科学技术的进步和人们对更深地层地质构造认识的不断深入, 在越来越深的地层中发现并开采石油天然气资源已经成为一个现实的科学问题。

二氧化碳是地球气候不断变暖的主要原因之一, 如何减少二氧化碳的排放是当今人类面临的共同挑战。 在人们发展的新技术中, 二氧化碳的地质封存和二氧化碳驱油采油就是一种新的减排方法。有关专家估计, 这些存于地下的二氧化碳, 再经过2000多年逐渐溶于岩层, 会形成新的矿物质。

一般来讲, 采出一吨原油燃烧后大概会释放2.68吨二氧化碳。如果开采一吨石油的同时被封存于地层的二氧化碳量达到或超过2.68吨, 则原油燃烧产生的二氧化碳和封存于地下的二氧化碳相互抵消, 从而可实现原油的绿色开采。

这种绿色采油技术在美国已经得到广泛应用。据有关资料显示, 2008年美国利用二氧化碳驱采出的原油达到1.14亿吨。

据有关专家估计, 从中国的油气地质情况出发, 通过二氧化碳所采出来的原油有可能做到40%～50%是无碳的, 至少可以通过二氧化碳采油技术达到开采低碳石油的水平。根据我国目前探明的石油地质储量, 适合二氧化碳开采的低渗透油层地质储量为63亿吨, 在深部地层具有巨大的开采原油的潜力, 同时也有巨大的封存二氧化碳的潜力。

天然气井的勘探与开发, 单井投资巨大, 钻井深度深, 工期长, 技术难度高。而人造金刚石的耐磨性远远高于硬质合金, 将其应用到石油钻头, 会使整个钻井技术带来质的飞跃[1]。应用先进的PDC钻头取代传统的硬质合金牙轮钻头, 可加快钻进速度, 减少钻井工时和成本, 尽可能实现绿色钻井。现在的问题是, 用国产的PDC钻头, 井深3000～4000m尚可, 而大于5000m的深海钻井就得用进口的钻头。因此, 我国在“十二五”期间应加大对PDC及其原材料的研发力度, 制造出井深在5000米以上的深海PDC钻头, 是我们为之努力奋斗的目标。

3 超硬刀具与绿色切削

国外高速切削刀具技术发展与应用的历史证明, 由于以PCD和PcBN刀具为代表的超硬刀具具有比硬质合金、陶瓷刀具更高的硬度和更优良的耐磨性, 能适应更高的切削速度、更明显体现了现代先进切削技术的“高效、精密和柔性”的基本特征, 因此, 他们是目前较理想的高速切削刀具, 代表了现代高效高速切削刀具的发展方向[2]。

由于超硬刀具“以车代磨”、“硬态加工”和“干式切削”等先进切削工艺技术的应用, 避免了切 (磨) 削液、切 (磨) 削屑对环境的污染, 可实现清洁化生产。因此, 超硬刀具高速切削技术被公认为21世纪高效、绿色环保和资源、能源节约型加工工具。

硬态切削是指采用单刃或多刃刀具对淬硬零件进行切削加工, 是一种“以切代磨”的新工艺, 也是高速切削技术的一个新的应用领域。与传统磨削加工相比, 高速硬切削具有效率高、柔性好、无切削液对环境的污染、工序少、投资省等优点[3]。

根据绿色制造“节约能源、节约资源、污染最小、有利环保”的指导思想, 为了消除切削液的不良影响, 最理想有效的加工方式就是干切削, 干切削加工工艺在西方发达国家有了相当好的应用。

在加工含硅高的铝、镁合金材料时, 硬质合金刀具寿命太低难以胜任, PCD刀具的耐用度是硬质合金的10～50倍, 可保证零件的尺寸稳定性, 并可大大提高切削速度、加工效率和加工质量, 充分体现了其低碳经济的发展方向。

据报道, 日本PCD、PcBN刀具年产值占其国内各类刀具总产值的4%左右、美国占4.14%、俄罗斯占6%～7% (俄罗斯缺钨, 硬质合金刀具用量较少, PcBN刀具用量大) [4]。而目前我国PCD、PcBN切削刀具年产量仅40万把左右, 销售额不到2亿元, 约为国内各类刀具总产值的0.5%左右, 仍有2/3的PCD、PcBN刀具市场为进口产品, 国产PCD、PcBN刀具不到1/3份额, 且使用的PCD、PcBN刀具原料几乎均为国外进口, 因此, 我国PCD、PcBN刀具发展与国外尚有很大差距。

目前, 全球超硬刀具的市场销售总量约为10亿美元, 其中PCD刀具、PcBN刀具基本上各占1/2, 而市场份额为美国市场、亚太市场、欧洲市场各占1/3。两种刀具的潜在市场销售总量将会超过15亿美元。开展高性能PCD、PcBN刀坯材料的研究与开展精密PCD、PcBN刀具制造技术及其应用研究是超硬材料刀具发展的必由之路[5]。

随着制造技术和难加工材料的发展, 推动着刀具技术向着高速切削、高精度和硬态干式切削的方向发展, 能实现高效率、高稳定性、长寿命加工的超硬刀具日渐普及, 在汽车、航天航空、能源、军工、机械等领域发挥重要作用。超硬刀具符合现代高速、高效、高稳定性、低成本以及低碳环保的要求, 是一种理想的绿色切削刀具。

近几年, 随着社会环境保护和可持续发展意识的提高, 人们开始关注切削液的整个生命周期带来的一系列负面作用, 为了消除切削液的不良影响, 最理想有效的加工方式就是干式切削, 它在西方工业发达国家有了相当好的应用。

PCD、PcBN超硬刀具作为现代切削加工中的重要手段, 在加工精度、切削效率、刀具寿命等各方面具有无可比拟的优越性, 这类刀具的推广和应用可创造巨大的经济效益, 大力发展新切削技术和超硬刀具材料, 将促使我国现代制造业的进一步发展。

4 高速cBN砂轮与绿色加工

环境、资源是当今社会面临的重大问题。实现节资增效、减少废物排放, 建立生产、消费与环境、资源相互协调发展模式已成为人类社会可持续发展的必由之路。绿色制造是21世纪制造业可持续发展的模式和重要特征[6]。

加快发展各种绿色加工技术, 对保护环境、节约能源和资源, 实现制造业的现代化、绿色化及可持续发展有重要的意义。绿色加工是指在不牺牲产品的质量、成本、可靠性、功能和能量利用的前提下, 充分利用资源, 尽量减轻加工过程中对环境产生的有害影响, 其内涵是指节约原材料和能源, 缩短生产周期、降低生产成本, 提高企业的经济效益, 实现经济、社会和环境三者之间协调、优化的可持续发展。在现代化发展的今天在制造业实施绿色加工已势在必行[7]。

自上世纪90年代以来, 随着高速、超高速数控磨床的出现, 高速cBN砂轮更是大有用武之地, 取代了普通刚玉砂轮, cBN砂轮是一种具有高精度、高效率、低消耗、低生产成本、低污染、自动化程度高等优异性能的磨具, 是现代先进磨加工工具的发展方向[8]。

汽车行业是高速cBN砂轮应用的主要领域, 特别是发动机的关键零件凸轮轴和曲轴的加工。普通刚玉磨料砂轮的性能很难适应高效加工的要求, 由于耐用度和使用寿命低, 需要频繁修整和更换, 砂轮用量大, 同时由此产生含有大量刚玉磨料的磨削残物, 增加了磨削液的过滤清理量, 对环境造成一定的污染, 而且加大了磨屑回收利用难度。由于刚玉系列的磨料在资源、能源上的巨大消耗, 加剧了其对环境产生的不利影响。而高速cBN磨削技术的应用, 可使传统磨削过程中产生的资源、能源、环境等难题迎刃而解。它代表了当今世界磨具产品发展的一个主要方向, 是实现绿色加工目标的有效手段, 促进绿色制造发展的利器。

5 为光伏产业的发展做贡献

太阳能光伏产业是世界上发展速度最快的行业之一, 为实现能源和环境可持续发展, 世界各国均将太阳光伏发电作为新能源和可再生能源发展的重点。

最近, 世界各国已经普遍将可再生能源的开发提高到战略地位, 其中绿色光伏发电技术已成为实现可持续发展的重中之重。这无疑源于两方面: (1) 太阳能资源的取之不尽, 用之不竭, 随处可开发利用; (2) 光伏发电技术对环境保护的积极作用[9]。

光伏发电是利用半导体面的光生伏特效应, 将光能直接转变为电能的技术。该技术的推广应用将摆脱传统发电方式对煤炭能源的依赖。

世界光伏产业和市场的蓬勃发展, 使得光伏发电在世界能源消费中占据了越来越重要的地位。根据欧盟联合研究中心的预测, 太阳能光伏发电在不久的将来不但要替代部分常规能源, 而且将成为世界能源供应的主体。

尽管各种新概念太阳能电池不断涌现, 效率也不断攀升, 但现阶段进入民用领域的太阳能电池主要是晶体硅太阳能电池, 占目前产量的90%以上, 并且可以确定这种情况短期内不会发生根本改变。

用硅晶片所生产的太阳电池可直接把太阳能转化为电能, 是人类开拓新能源的一个伟大变革。单晶硅晶体是一种比较活泼的非金属元素, 具有基本完整的点阵结构, 是一种良好的半导体材料。加工此种晶体纯度要求达到99.9999%, 主要用于制造光伏太阳电池等。

单晶硅的制法通常是先得到多晶硅或无定形硅, 然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。

多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时, 硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核, 如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒, 则这些晶粒结合起来, 就结晶成多晶硅。单晶硅和多晶硅的差异主要表现在物理性质方面。

单晶硅、多晶硅制成硅片是一个重要的过程, 包括: (1) 晶体培育; (2) 切片 (线切割) ; (3) 整平 (研磨或磨削) ; (4) 标记; (5) 抛光; (6) 清洗。它对硅片性能和光电转换效率有重要影响。

光伏产业的发展, 为我国金刚石工具制造业带来又一巨大商机。从最近收集到的江西金葵能源科技有限公司情况看, 其采用世界最先进的金刚石线锯切割技术试切割生产太阳能单晶硅片取得成功。工程技术人员指出, 该技术比传统的砂浆切割技术整整快了3倍, 而其消耗的水电则比传统的砂浆切割技术减少了三分之二, 并且切割后产生的硅粉可以全部回收使用, 可谓既节能又环保, 对于提升国内同行业水平意义重大[10]。

证券时报称, 豫金刚石进军光伏加工领域, 因为硅片切割是太阳能光伏电池制造工艺中的关键部分。金刚石切割线以其高效率、寿命长的优势, 能够帮助下游企业有效降低成本。目前, 海外已有金刚石切割线大规模应用的先例, 日本金刚石工具龙头企业AsahiDiamond于2006年推出金刚石切割线产品, 2009年就在日本市场和台湾市场实现大规模销售[11]。

豫金刚石计划在一年半的时间内该项目建成投产, 产能将达到生产0.33mm光伏金刚石切割线1.44万km/年, 用于切割硅锭;0.12mm金刚石切割线13.2万km/年, 用于切割硅片等。

6 为电子信息产业的发展献技

电子信息产业已发展成为我国国民经济与社会发展的第一大支柱产业, 而电子信息产业的基础产业是集成电路 (IC) 产业。目前95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路 (IC) 是用硅材料制作的, 因此硅材料生产及其加工在半导体和集成电路生产中具有重大作用和地位。

硅属于非常坚硬的硬脆材料, 又是良好的半导体材料, 在晶圆 (芯片) 加工中, 在不同环节, 必须多次使用金刚石工具进行高精密加工, 具体见表1。

半导体加工用金刚石工具属于高精度加工工具, 采用超细金刚石、超薄的切割刃、超高转速磨削与锯切, 要求加工精度高, 因此制造难度大, 技术门槛高, 目前主要为国外金刚石工具制造商所控制, 这给我国金刚石工具制造者提出了新的任务、新的课题、新的方向[12]。

7 结语

(1) 复合超硬材料PCD的发展, 在很大程度上提升了现代钻井技术水平, 相信随着人们不断向更深地层寻找和开采石油, 特别是天然气资源, 复合材料PCD会有更大的应用前景。

(2) 绿色切削技术的发展趋势表明, 高速切削、高稳定性加工、硬态切削最符合绿色切削特征, 干式切削与高速切削有机结合起来将是一种理想的非末端治理的高效、低耗、加工质量好、环境污染小、综合效益好的绿色切削, 是未来机械切削加工的主流[13]。

(3) 高速cBN砂轮具有高效率、高精度、低磨削成本、低环境污染的特点, 是新一代高性能磨具产品, 代表了当今世界磨具产品发展的一个方向, 是实现绿色加工目标的有效手段。

(4) 太阳能光伏产业是世界上发展速度最快的产业之一。为实现能源和环境可持续发展, 世界各国均将太阳光伏发电作为新能源与可再生能源发展的重点。光伏产业的发展, 为我国金刚石工具制造业带来又一巨大商机。

(5) 为满足芯片微型化、高密度化、高速化、高数字化和系统集成化的要求, 对芯片的直径、平坦化、线宽和金属互连层数提出了更高要求。因此, 积极研发半导体硅材料加工用超精密金刚石工具是极其重要而又艰巨的任务。

超硬制品 篇2

超硬材料是先进的工具材料,主要包括金刚石和立方氮化硼两种,其制品有砂轮、刀具、钻头、锯片等各种形式,在地质钻探、机械加工、石材加工等领域得到广泛应用,对中国尖端技术的创新、国民经济的发展以及人民生活水平的提高具有重要作用。超硬材料产业发展迅速,技术竞争日益激烈,培养具有创新意识和创新能力的人才是推动行业发展的重要途径。

通过专业课的教学,可以培养学生的专业素质和创新能力,引导学生对问题的自动思考,并能够应用专业知识解决技术问题[1]。专业课教学质量的好坏,直接影响超硬材料专业及制品学生的就业能力和竞争能力,努力提升专业课教学质量是培养本专业创新人才的关键[2]。

1 超硬材料及制品专业课教学现状

超硬材料及制品专业课不同于其他学科,有其自身的特点。超硬材料及制品的设计与制造属于材料科学领域,超硬材料及制品的选择和使用属于机械加工范畴。其专业课内容主要为:超硬材料制造、陶瓷磨具制造、有机磨具制造、金刚石烧结制品,超硬材料电镀制品、砂轮特性与磨削加工、石材概论等,所涉及的学科涵盖了材料科学和应用科学的多个领域。目前,超硬材料及制品专业课教学中主要存在下述问题:

1.1 教材内容陈旧

随着超硬材料应用领域的拓展和延伸,相关专业课所涉及的内容也在不断的扩展和更新。由于学科的交叉特性,专业课教材内容远远滞后于工程实际,一些专业课教材内容和方法在工程实际中已经被淘汰,而很多新的理论和方法又不能够及时补充进来,使得超硬材料及制品教材内容陈旧化严重。在这种情况下,不及时更新教材的话,学生很难形成符合社会需求的知识体系,失去了专业课教学的意义。

1.2 教学观念

随着信息科学技术的发展,各种教学理念、教学方法、教学手段等的更新日益加快,让教师们目不暇接,对目前新晋产生的或引进的教学理念、教学方法缺乏了解和认识,固步自封,只是单纯的讲解知识,一味的灌输,不注重教学理念的更新和教学方法的应用。抽象的理论和冗长的公式使学生失去学习兴趣;脱离实践内容的讲授使学生在解决实际问题时茫然无措。尤其是一些中老年教师,他们有着渊博的学识和扎实的专业功底以及丰富的实践知识,却由于教学观念的落后,不被学生们认可。老师在学生厌学情绪的影响下,失去了以往的教学激情和知识更新的动力,导致了课堂教学质量的大大下降。

1.3 教师队伍结构单一且实践教学经验不足

目前的超硬材料及制品教师队伍中,新增的教师大多数具有博士学历,少部分具有海外留学的经历。这样的高学历教学队伍虽然在科研工作和科研成果方面有许多优势,但其中大部分是“从校门进校门”,造成教师队伍结构单一。同时,新增教师在利用社会资源合作研究方面较薄弱,与企业合作开发实用产品的研究较少,造成实践教学经验不足[3]。同时由于缺乏教育学、心理学等方面的理论和实践,在备课、课堂教学、课外等教学环节中不能很好的了解学生,选择更加适合学生的教学方法和合理的教学进度,以及对他们的课外学习活动的监控。

上述问题的存在,不同程度地影响着超硬材料及制品专业课教学质量。

2 提升教学质量的具体途径

2.1 优化教学内容

专业课教学的主要内容来源于教材,超硬材料及制品专业的教科书是教学成功关键。专业知识的学习都需要经历从入门到逐步精通的阶段,专业课教材也应该由浅入深且紧密联系实践。由于超硬材料及制品专业的学科交叉性,而且原有教材已经使用十余年,可结合技术发展情况编纂新教材。编纂教材内容应考虑知识的系统性外,更应该考虑知识的循序渐进和通俗易懂,最好有相应的工程实例讲解和知识的具体应用。编写人应包括资深的专家学者、新锐的海归博士和实践经验丰富的工程技术人员。这样的教材在学术上有较高水准,在前沿和应用领域具备前瞻性,在知识上增加通俗性。当然,仅仅依靠教材还不够,教师应该对教材内容进行选择和加工,以合适的工程案例为出发点,精心组织教学过程。

2.2 改变教育观念

要改变以往单一的教学模式,克服知识由教师到学生的单向灌输造成的课堂教学质量下降,就应该采用立体化、多样化的教学方法。这样的教学方法包括:启发式、讨论式、交互式、合作式、情景模拟、任务型、报告型等等。只有多元化教学方法的恰当使用,才能让学生成为多层次、全方位的多边互动的主角和活动的主体,充分调动学生的学习兴趣和激发教师的教学热情[4]。同时要勇于尝试新的教学方式,如翻转课堂,这已成为全球教育领域研究的一个重点。它的基本思路是:课堂变成了教师与学生之间互动的场所,主要用于解答疑惑、汇报讨论;课外时间学生要通过在线观看视频等方式完成针对知识点和概念的自主学习,即颠倒了传统的学习过程,这也更有效的利用了第二课堂。

在有机磨具制造课程中,高分子化合物的结构部分是比较抽象的。可通过启发式和讨论式教学方法,提出两个实际生产的问题———“树脂砂轮压不平”和“磨削后树脂砂轮膨胀”,鼓励学生以本节课知识解释原因。在知识讲解完后,鼓励并提示学生回答课前提出的问题,解释“树脂砂轮压不平”是因为工艺设计不合理,没能在树脂固化前成型完毕,树脂固化后链段失去运动能力,固化后再加压力不能产生变形;“磨削后树脂砂轮膨胀”是因为选用的磨削液中含有树脂的溶剂,固化后的砂轮在溶剂的作用下溶胀造成的。通过实际问题的思考与解答,引导学生用理论知识解释实际的问题。

2.3 提升教师工程素质和教学能力

在引进青年教师时,注重优先考虑有工程实践背景的青年人才。同时,对于有意提升实践能力的现任老师,鼓励他们到相关企业和研究所从事博士后研究。另外,可以通过学院资深教授和企业的纵向项目,对中青年教师的实践能力进行“传、帮、带”。这不仅体现了高校服务社会的职能,为企业解决了技术难题,又可以在老教师的指导下增加中青年教师的工程经验,提高工程素质。达到加强中青年教师在利用社会资源合作开发产品的能力,也弥补了他们实践教学经验不足。

专业课教学即使加入了实践内容,使学生达到学以致用,但知识的讲授难免枯燥。因此,需要提升教师的讲授技巧和专业素养,用通俗、生动、形象的语言或其他方式将教学内容准确的表达出来,使学生比较容易听懂。另外,教师要提高自己的技术信息素养,制作出高水平的多媒体课件和教学视频,采用声音、图片和视频等多种模态生动地呈现课程内容,从而吸引学生的注意力,提高教学效果[5]。

3 结语

随着国内装备制造业的飞速发展,对超硬材料及制品的工程技术人员要求越来越高。超硬材料及制品的学生毕业后一般从事技术开发工作,提升专业课教学质量,可提高学生的就业能力和竞争实力。提升专业课教学质量可从教学内容、教学方法和教师能力这三方面努力。提升教学质量是一项系统工程,只有学校、教师和学生共同做出长期努力,才能为社会培养出更多更好的毕业生,使学生更快适应行业发展的需要。

摘要：通过对超硬材料及制品专业课教学现状的分析,找出影响教学质量的因素。本文从教学内容、教学方法和教师能力三个方面提出了提升超硬材料及制品专业课教学质量的具体途径。

关键词：超硬材料,教学质量,教学方法

参考文献

[1]朱虹,王栋,邢楠.论工科大学专业课的引导式教学模式的探索[J].教育教学论坛,2016,02:151-152.

超硬制品 篇3

关键词：水雾化,预合金粉末,进展,应用,存在问题

1 前言

近5年来, 金属预合金粉末在我国金刚石制品中得到了大规模的推广应用, 2013年的消费量在6000吨左右, 预计未来5年还将以每年高于15%的速度增长。其中, 水雾化预合金粉末的发展成为市场主体, 约占消费总量的80%以上, 这也成为近年来行业发展的一种中国特色。国外主要以化学共沉淀法制备的Fe-Co-Ni、Fe-Cu-Ni等预合金粉末为主, 主要用于高档钢筋混凝土锯片和工程薄壁钻头的制作。其突出优点是:颗粒细 (2~10μm) 、活性好、烧结致密度高、胎体的弹性模量高、强韧性高、耐磨性好;但缺点是产能有限, 价格较高。水雾化预合金粉末具有活性高、成分多样、生产量大、成本低、应用灵活等特点, 尤其是具有明显的价格优势, 因而在国内的相关行业得到迅速推广。生产实践表明, 在各类金属结合剂金刚石工具中, 预合金粉末在配方中的应用量达到30%左右时可明显体现出其作用特点, 而当其为配方主体, 用量超过60%时, 则可充分体现出应用优势。而目前预合金粉末的市场销量仅占全部金属粉末用量的7%~8%, 其未来的市场空间十分巨大。尽管水雾化预合金粉末质优价廉, 深受用户青睐, 但也还存在许多应用障碍, 主要有: (1) 质量稳定性; (2) 冷压成型性; (3) 应用指导; (4) 价格因素。

受制于国内单质金属粉末发展滞后的影响, 国内制品依靠传统的单质金属粉末发展体系将很难有大幅度提升的空间, 而预合金粉末的应用则逐渐成为行业发展的必然趋势, 为行业的技术升级与结构转型提供了新的发展契机。在我国, 雾化预合金粉末的发展则需要扬长避短, 强化在质量稳定性、冷压成型性及应用指导方面的研究开发, 才能突破应用瓶颈, 实现全产业的规模化推广应用, 形成有民族特色的产业发展道路。

2 发展状况

2.1 发展历史

自20世纪90年代起, 国外率先提出预合金粉末的概念并开发出实用产品[1,2,3,4,5,6,7], 在金刚石制品行业中逐步推广应用。上海材料所、北京人工晶体所、中南工大粉冶所、安泰科技股份有限公司、有研粉末新材料有限公司、长沙冶金材料所、中国地质大学工程学院等单位则在国内开展了相关研究工作, 并取得了卓有成效的开发成果[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22], 为预合金粉末在国内金刚石制品行业中的应用发展奠定了基础。安泰科技开发出了Follow系列水雾化预合金粉末, 并在行业中得到了一定规模的开发应用, 推广了水雾化预合金粉末在国内制品行业中的应用。

2.2 发展及应用现状

金属预合金粉末的制备方式及产品类别多种多样, 雾化法、化学共沉淀法、电解法等所制备的预合金粉末在行业中都有实践应用, 目前消费量最大的是水雾化铁基预合金粉末, 其应用领域已基本覆盖了金属结合剂制品的所有产品, 可简单地划分为二元的基础类合金和三元以上的专业类合金。目前的生产厂家较多, 河南黄河旋风股份有限公司、秦皇岛雅豪新材料科技有限公司、北京安泰科技有限公司、有研粉末新材料有限公司等单位都在从事水雾化预合金粉末的研发生产, 2013年的市场消费量大约在5000吨左右, 其中, 黄河旋风公司的销售量已超过3500吨, 销售额超过2.4亿元。由于生产厂家多, 各厂家的产品中除应用量较大的基础二元合金FeCu30、FeCu40外, 其它多组分的产品各不相同, 名目繁多, 性能及质量差异较大。

基础二元合金FeCu30、FeCu40的生产工艺较为简单, 价格便宜, 质量相对稳定, 使用简便灵活, 可用于各类制品中, 市场应用量较大, 约占总消费量的60%以上。其在各类工具中的大致应用比例见表1。

多组元合金产品可大致划分为含锡与不含锡的两大类。

三组元不含锡的合金产品主要为Fe-Cu-Co、Fe-Cu-Ni、Fe-Ni-Co等。由于不含低熔点物料, 其烧结温度较高, 烧结体的致密度、硬度、抗弯强度、弹性模量等机械性能指标较高, 主要用于切割及钻削类工具中提高烧结胎体的致密度、硬度、热硬性及耐磨性。

三组元含锡的合金产品主要为Fe-Cu-Sn、Fe-Ni-Sn、Cu-Ni-Sn等, 以Fe-Cu-Sn为主, 也可广泛应用于各类制品中。

四组元及以上含锡合金体系主要为Fe-Cu-Ni-Sn和Fe-C-uCo-Sn, 这类组元以调节工具的锋利度为主, 应用于各类中高档制品中。由于合金成分复杂, 雾化制粉工艺控制难度大, 因此产品质量的波动性大。

水雾化预合金粉末的突出优势是:生产工艺简便、产能大、价格低, 符合中国制品市场的发展特点和实际需求, 因而在近5年来呈现阶跃式的增长, 也是未来国产金刚石制品用预合金粉末的主流发展基础。

3 存在问题

目前, 水雾化预合金粉末在实践应用中还存在着诸多问题, 主要表现为合金化均匀性、质量稳定性、冷压成型性、磨损适配性、粒度分布性、冷却收缩性等。由于其中的球状/类球状的颗粒数目偏多, 严重影响冷压成型性, 这是现阶段制约其在工具中大比例应用的最大工艺障碍;再者就是粘滞性磨损特性强, 与金刚石间的磨损适配性调整难度大。

3.1 质量稳定性

水雾化预合金粉末的生产看似简单, 又有很大的市场空间, 因而吸引了许多厂家投资生产。但其生产过程涉及金属熔炼、冶金学、流体力学等众多交叉学科领域, 各个生产环节的影响因素较多, 产品质量稳定性的控制难度大。尤其是多组元合金体系, 由于合金元素间存在着熔点、比重、互溶度、化学反应、流动性、抗氧化性等诸多差异, 导致在熔融合金化、雾化制粉及后序处理等方面存在许多相互关联影响因素。如何确定影响产品质量的主要因素, 并确定相应的控制工艺, 是考察每个生产厂家掌控质量稳定性的关键。

3.2 冷压成型性

目前绝大多数金属结合剂金刚石制品的工作节块均需先压制成型, 再热压烧结。因此, 冷压成型性是衡量粉末应用性能的一项重要指标, 尤其是在自动化设备日益增多的生产条件下, 冷压成型性更为重要。由于水雾化预合金粉末中球状/类球状的颗粒数目偏多, 粉末松装密度偏高, 因此冷压成型困难, 这是目前影响和制约其应用的最大障碍。因此, 如何改善粉末形状, 减少或消除球状/类球状颗粒, 是改善冷压成型性的关键。各生产厂家目前重点都在设备结构、制粉工艺及后处理工艺方面寻求改善方案, 但受制于制粉原理的限制, 效果有限。

不含锡的铁基预合金粉末, 由于组元间的熔点差异小, 雾化制粉时熔融金属流的粘滞性大, 雾化成粉时不规则形状的粉末颗粒数量增多, 球状/类球状粉末颗粒数量相对减少, 因而, 通过改变生产装备及工艺, 可在一定程度上进一步减少球状/类球状粉末颗粒数量, 降低粉末的松装密度, 但无法从根本上解决问题。

含锡的预合金粉末, 由于各金属组元间的熔点差异大, 熔炼倾注时熔融液流的粘滞性小, 水射流雾化急冷时液滴的冷却凝固特性与不含锡的液滴相比发生了很大变化, 其中的球状/类球状颗粒数目增多, 提高了粉末的松装密度, 进一步恶化了冷压成型性。此类合金粉末, 在成分设计、熔炼工艺、雾化工艺及后处理工艺方面都需严格把握, 才能将松装密度控制在相对稳定的范围内, 如此才能不因松装密度的剧烈波动而影响冷压的成型性。

冷压成型性的改善, 是目前影响水雾化预合金粉末更大规模应用的关键瓶颈, 亟待改进, 如能将松装密度稳定控制在2.8g/cm3以下, 其冷压成型性将会得到极大改善, 应用量将呈现倍增式增长, 也将会极大促进全行业制品质量的提升。

3.3 磨损适配性

烧结胎体与金刚石间的磨损适配性是制备高质量金刚石工具的关键, 也是难点。就目前的技术现状而言, 无论是对单质金属粉末体系还是预合金粉末体系, 通过提高烧结致密度等手段来提高胎体对金刚石的机械把持力并非难事, 而难点就在于如何在确保胎体对金刚石把持力的前提下, 适度弱化胎体的耐磨性, 使之与金刚石保持一定的磨损同步性。而提高把持力与弱化磨损性又往往是一对共生矛盾, 尤其是对于铁基胎体而言, 矛盾更为突出。水雾化预合金粉末的一个突出优点是烧结活性高, 容易烧结致密化, 尤其是高温烧结时, 胎体对金刚石具有较强的机械把持力;但同时也易引发负面影响:粉末颗粒间易发生再结晶长大而形成耐磨性过高的粗颗粒团, 尤其是铁基胎体的粗颗粒团极易产生粘滞性磨损, 从而影响金刚石的出刃状态, 降低锋利度。因此, 如何设计调控粉末的烧结活性及烧结胎体的组织状态, 从而获得具有良好力学性能及合适的磨损性能, 也是水雾化预合金粉末在应用过程中面临的一项重要课题。

3.4 质量标准

尽管水雾化预合金粉末20世纪90年代在国内已开展研发应用, 但生产厂家少, 市场消费量少, 只是近5年来才在国内金刚石制品行业中得到大规模的推广应用, 其市场消费量急剧增长, 尚属朝阳产业。目前从事水雾化预合金粉末生产的厂家逐渐增多, 但每个厂家的产品都各不相同, 这就导致了除基础二元合金粉末, 如FeCu30、FeCu40外的其它种类的预合金粉末名目众多, 品种繁杂, 使用户感到无所适从。由于发展时间短, 国家尚无相关的质量标准, 各个厂家的供货质量良莠不齐, 质量稳定性难以有效保证, 而用户单位只能被动接受产品, 也无法有效掌握进货质量标准, 这极大影响了产品在全行业的大面积推广应用。因此, 逐步建立超硬材料制品用金属预合金粉末的行业质量标准, 规范生产, 以保障新兴产业的健康发展, 促进其在全行业中的规模化应用, 是今后预合金粉末发展的重要现实需求。行业的质量标准可以先从简单的二元Fe-Cu合金着手, 涵盖粉末的氧含量控制、粒度分布、松装密度、烧结体机械性能等方面的内容。

3.5 基础研究

国内各粉末生产厂家在开发设计产品后, 往往只在对粉末本身进行简单的性能表征测试后, 就急于将产品推向市场, 未能扎扎实实做好应用推广前的相关基础研究, 包括产品的物理/化学特性、烧结体的组织结构、综合机械性能 (硬度、强度、韧性、弹性模量、磨损性能等) 、工艺性能、适用领域、与其它粉末的配伍适应特点、实践应用方法等系列化的基础性能研究工作, 因而, 也就难以为用户提供有效的应用指导。这一点, 恰恰是国内外粉末生产厂家的显著差距:国外粉末生产商在将产品正式推向市场前, 先做大量的细致的基础研究工作, 对产品本身有了深刻的了解和掌握后, 才为用户提供有效的应用指导, 从而促进市场销售。国内厂商往往偏重于市场营销手段, 而忽视或没有能力开展基础应用研究, 产品一经面世后就急于销售推广。这种急功近利的做法, 往往事倍功半, 反而不利于产品的销售。这种运作模式, 是国内相关厂商普遍存在的通病, 亟需改正。

3.6 应用指导

缺乏以基础研究为支撑的应用指导, 是目前影响和阻碍合金粉末销售的主要障碍因素之一。目前, 预合金粉末生产厂家大都缺乏意识或实力开展售前的基础应用研究, 而往往是寄希望于用户去摸索使用, 视用户为“试验员”, 将新产品直接推销给用户试用, 当然, 对有研发实力的极少数大用户而言, 无需厂家指导, 根据产品的成分特点其就可自行设计使用。但对绝大多数研发实力薄弱的中小用户来说, 其对预合金产品的掌握并不充分, 这种做法往往会引起疑惑或抵制, 不愿花费精力为厂家试验应用, 因而极大地影响了预合金产品的推广销售。

预合金粉末生产厂家应从长计议, 摒弃急功近利的思维和做法, 在开发推广新产品时, 应将重点放在基础应用研究方面, 做好售前的充分准备工作, 以便能够为用户提供有效的应用指导, 这才是最有效的促销手段, 要摆脱单纯依靠价格竞争方式取得市场份额的做法, 才能形成有自己特色的产品系列, 依靠稳定的产品质量和良好的应用服务才能立足于市场。

3.7 设计思想

目前, 各厂家生产的水雾化预合金粉末的品种多达几十种, 令用户眼花缭乱, 无所适从。从实用的角度出发, 无需品种繁杂, 仅需要设计出为数不多的具有通用性或针对性强、有特色及实效性的产品即可。预合金粉末产品应用性能的优劣及销售量的多少, 主要取决于厂家的设计思想。总体而言, 无论是通用性强的简单二元/三元基础预合金粉末, 还是针对性强的多组元专业预合金粉末, 在产品设计时所应遵循的总体原则是:经济性、稳定性、适用性;具体来说, 应充分考虑以下因素: (1) 适用领域; (2) 生产可行性; (3) 质量可控性; (4) 烧结胎体的微观组织结构; (5) 烧结胎体的综合机械性能 (硬度、强度、韧性、弹性模量、热硬性、磨损性等) ; (6) 冷压成型性; (7) 制品的制备工艺; (8) 与其它粉末的配伍适应性; (9) 销售价格。这就要求生产厂家不仅能够生产出稳定的预合金粉末产品, 还要十分熟悉各类金刚石制品的特点要求及制备工艺, 才能设计出符合市场需求的适用产品。

目前, 只有极少数大厂家能够在一定程度上掌握设计原则, 根据自己的设计思想开发产品, 以产品引导消费;而大多数中小生产厂家则只能生产简单的基础合金粉末, 或者根据用户使用单质粉经验而提出的合金体系来委托加工多组元合金粉末, 而单质粉末的配方一经转变为合金粉末后, 其性能则会发生很大变化, 往往又不符合委托者的使用预期, 无法推广销售, 因而, 导致了中小生产厂家只增加品种, 不增加销量的尴尬境地。

只有强化基础研究和应用开发, 才能明晰设计思想, 预合金粉末的发展才能由繁到简, 走向持续稳定的健康发展道路。

4 发展趋势

在金属预合金粉末的应用方面, 国内外所采取的技术路线差异明显, 国外制品商多采用化学法制备超细颗粒粉末, 以获取高致密化、高强度、高韧性、高耐磨性、高弹性模量、高热硬性的胎体组织, 胎体对金刚石的把持力及磨损适配性较好, 但制品的生产成本高。以超细粉末为主体, 这是目前及今后一定时期内国外先进制品商所坚持的设计思想。而国内制品行业在经历了几十年的单质金属粉末体系后, 正逐渐向预合金方向发展, 尤其是廉价的水雾化铁基粉末, 将是今后中国制品行业消费量最大的一类预合金粉末, 这也将形成有中国特色的发展路线。但要获取持续稳定的推广应用, 尚需着力改善其不足之处, 今后的发展方向应主要体现在以下方面:

4.1 细颗粒

获取细颗粒粉末的目的在于:使颗粒内部的元素均匀化分布, 细化烧结组织, 提高胎体的致密度, 改善胎体的磨损性。根据水雾化预合金粉末的特点及现阶段实际生产的需要, 粉末颗粒并非愈细愈好, 其粒度的控制必须考虑制品现行的压制工艺装备、模具结构型式、烧结工艺装备等方面的特点及与其它种类粉末配合应用时在粒度、化学活性等方面的匹配性。现阶段, 国内主要以-200/-300目的粉末为主, -400目以细的粉末用量较少。随着雾化技术工艺的进步, 细颗粒合金粉末的成品率会逐步提高, 生产成本也会逐渐下降, -400目以细合金粉末的应用比例会逐步提高, 并将发挥更大的应用潜力, 这也是水雾化预合金粉末的一个重要发展方向之一。

4.2 低氧高活性

预合金粉末烧结活性的高低, 主要与合金结构、粒度、氧含量等因素有关。氧含量的控制, 是合金粉末质量稳定性的一项重要指标, 也是决定其烧结活性好坏的主要因素。不同合金体系的氧含量控制要求不同, 铁-铜基础类水雾化预合金粉末的氧含量通常控制在3000×10-6左右。无论是预合金粉末还是单质金属粉末, 其氧含量越低, 烧结活性越高, 越有利于获得高质量的烧结胎体。但氧含量的控制, 必须考虑生产、包装、运输、储藏、制品工艺等多种因素, 将其控制在稳定合适的范围内。低氧、高活性是水雾化预合金粉末的渐进发展方向之一。

4.3 高冷压成型性

冷压成型性差, 是影响和阻碍水雾化预合金粉末应用量的一个突出瓶颈。利用自动冷压机进行批量化生产的石材小锯片对粉末的粒度、形状结构的要求相对较高, 以保证连续作业的冷压成品率。目前, 各类水雾化预合金粉末的松装密度普遍偏高, 通常为3.0~4.2g/cm3, 因而限制了其在配方中的应用比例一般不超过45%, 对于松装密度>3.5g/cm3的粉末, 其应用比例更低。因而, 减少球状/类球状粉末颗粒数目, 降低松装密度, 改善粒度分布状态, 以获取良好的冷压成型性, 是水雾化预合金粉末面临的首要问题, 也是今后应着力改善的重点发展方向。

4.4 低锡/无锡化

在单质金属粉末配方体系中, Sn几乎是必不可少的元素。预合金粉末中引入低熔点Sn的目的是为了降低烧结温度、改善烧结活性、调整组织结构、改变磨损性能、提高烧结致密度, 以提高胎体对金刚石的把持力, 改善胎体与金刚石间的磨损适配性。但Sn的加入, 也同样带来了很大的负面影响:显著降低了烧结胎体的抗冲击能力及高温热硬性, 尤其是对工程薄壁钻头、地质钻头及钢筋混凝土切割锯片等对胎体的强韧性、热硬性、磨损性要求较高的制品, Sn的负面影响尤为显著。因此, 从提高烧结胎体的综合机械性能 (强度、硬度、耐磨性等) 的角度出发, 获取细颗粒、高活性的低锡/无锡化预合金粉末, 也是今后水雾化预合金粉末的重要发展趋势。

4.5 高弹性模量

弹性模量是材料的刚度指标, 与结合键的性质及原子间的结合力有关。锯切类金刚石工具在工作过程中反复受到冲击力的作用, 这就要求胎体对金刚石磨粒具有足够的刚性支撑能力, 以降低金刚石因受冲击而使支撑胎体产生挤压塑性变形的倾向, 这种压致塑性变形会导致胎体与金刚石间产生缝隙, 从而降低胎体对金刚石的把持力, 甚至会使金刚石因过早脱落而失效。单质粉末混合的配方体系, 由于受粉末质量、合金化程度、制备工艺等众多复杂而又相互关联因素的影响, 难以稳定获取高弹性模量的胎体, 尤其是含低熔点Sn的配方体系更是如此。而水雾化预合金粉末的合金化较为充分, 易获得高弹性模量的烧结胎体, 因而通过合理的合金化设计等手段来获取高弹性模量的粉末烧结体, 也是水雾化预合金粉末的有效提升途径和发展方向。

4.6 砂性磨损

无论是单质粉末体系还是合金粉末体系, 金属结合剂金刚石工具的胎体必然向以Fe为主成分的Fe-Cu体系发展。而对铁基胎体而言, 其最大弊端就在于胎体的磨损特性为粘滞性磨损。因此, 如何在保持胎体对金刚石具有足够把持力的同时, 使胎体呈现砂性磨损特性, 是今后“以铁代钴”发展方向的一个瓶颈难点, 也是今后水雾化预合金粉末发展需要突破的重点方向。

5 结束语