超硬材料在硬质合金工具中的应用

　　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。我国人造金刚石从无到有，从小到大，现在已成为金刚石生产大国，年产量近50亿克拉，据统计出口约14亿克拉。我国独创的六面顶生产人造金刚石的一整套专用设备及工艺技术积累了丰富的生产经验，奠定了持续发展赶超世界先进水平的基础。

       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。例如，Φ650mm的压机，腔体Φ50~51，金刚石单产180~190克拉，Φ1000mm的压机，腔体Φ70mm单产达530克拉。可喜的是大压机，大腔体能生产出粗颗粒比例较高的金刚石。

　　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。如复合片（PDC）国外能生产出Φ120mm的，而我国只能生产Φ50mm的，耐热耐磨性也不高，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（A1—Si，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，但我国砂轮在部分靠进口，还有超精金刚石刀具加工应用，国内还是空白，必须迎头赶上。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，据报道，全国硬质合金产量超过16000吨，占全世界总量的30%多。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。尽管有世界金融危机对我国的影响，但国家采取了一系列扩内需，保增长的措施，增加4万亿元资金发展基础建设，交通运输、水力、电力、能源等城市化建设，这给硬质合金工具（刀具的钎具、钻具）的发展提供了良好的机遇。

    　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，主要有以下三方面。

    　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。

    　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，此工艺技术在国外瑞典山特维克公司已在工业中应用，而我国起步较晚，虽然经10多年的研究工作，但仍处于实验室阶段，距工业应用还须努力，主要关键技术和装备还有待突破性的进展。

    　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%。江西章源钨业公司羊建高总工人等人作了大量工作，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。