超硬材料的研发意义与应用前景
超硬材料作为一种重要材料,越来越多地应用于各技术领域。随着航空业、汽车工业、高铁、地铁、隧道以及军工业的迅速发展,对刀具、钻具、钎具的要求越来越高,如对一些特难加工的合金材料,用硬质合金工具去加工就难以胜任,必须用超硬刀具、超硬钻具,其耐用度是硬质合金的几十倍。同时,由于超硬刀具的应用,进一步推广“以车代磨”、“硬态加工、干式切削”等先进工艺技术的应用,可以避免生产过程中的灰尘,磨削液对环境的污染,有利于实现清洁化生产。因此,超硬刀具可以被视为一种高速、高效、高稳定性及低碳环保的绿色切削工具,是未来机械加工的主流。
我国是新崛起的现代制造业大国,近年来国家非常重视超硬刀具高速切削技术的研究开发,国家“863”计划和科技重点项目都列入超硬刀具的开发应用。我国已引进国外的数控机床和精密机床上千台,它们加工时的轴转速都很高,对刀具的要求非常高。然而目前国产刀具性能还很难满足其要求,以至于不得不依赖进口。因此,研发国产的超硬刀具非常必要和紧迫。
超硬材料磨具逐步取代普通磨料磨具也是一个必然趋势。由于普通磨料碳化硅(SiC)等属于高污染,高能耗的产品,也是国家政策限制性的产品,而且普通磨料产能过剩,工艺落后,不适合现代工业的发展,因此也必然要被先进的超硬磨料所取代。超硬材料磨具在磨削难加工材料方面(如硬质合金,宝石,陶瓷,钛,锆合金等),显示出了特有的优势:(1)磨削效率高,磨削时产生热量少,减少或避免工件表面的烧伤和开裂。(2)超硬材料磨具耐磨性高,磨削精度高、质量好。(3)磨具磨耗小、寿命长、工作效率高、环保好,能改善工人劳动环境和劳动强度。因此,超硬材料在磨具磨料方面的应用也将大大拓展。
目前国内研发的超硬材料主要是金刚石和立方氮化硼。我国人造金刚石产量已占世界90%以上,立方氮化硼的产量也占世界60%以上。中国已成为超硬材料的生产大国,但我国超硬材料产品仍然以中、低档为主,还必须向超硬材料强国迈进。
根据研究,把高硬度,高耐磨性的人造金刚石与抗冲击性好的硬质合金有机地结合起来,是一种很有希望的技术创新。上世纪80年代初,美国GE公司和梅加公司就开始试验把人造金刚石用在硬质合金工具上。实践证明,用金刚石复合齿用于牙轮钻头、潜孔钻头和钎头,在相同硬度的岩层及同等条件下,要比普通的硬质合金钻头使用寿命提高20多倍,而且钻速快、钻进成本低;随着技术不断进步,最近报道使用寿命提高700倍。我国在上世纪80年代末也开始试制复合片钻头,逐步代替了国外进口钻头。近年来有些企业试用金刚石代替碳化硅做成磨头、磨块,也取得很好效果。
