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复合超硬材料简介
1复合超硬材料简介

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  1.1复合超硬材料基本情况

  金刚石和立方氮化硼等材料由于其极高的硬度,统称为超硬材料,具有硬度高、耐磨和热传导性能好、热膨胀系数低等优异性能。

  目前,超硬材料主要分为单晶超硬材料和聚晶超硬材料(也称为“复合超硬材料”)两类。单晶超硬材料主要为单晶金刚石/立方氮化硼微粉;聚晶超硬材料主要是指以金刚石或立方氮化硼与相关粘结剂经过烧结工艺制备的复合材料。

  两类材料的主要区别为:单晶金刚石/立方氮化硼材料的特点为硬度更高、耐热性更好,但尺寸较小,多用于制造锯片等切割工具;聚晶金刚石/立方氮化硼的特点是硬度、耐热性略逊于单晶材料,但是由于聚晶超硬材料是内部结构紧密的金刚石致密体,可以增加工具的切割面积,同时克服了单晶超硬材料由于粘结面积小造成的容易从锯片表面脱落的弊端,具有更高的耐磨性。

  总的来说,复合超硬材料相对于传统合金材料具有强大的替代性,市场潜力更大,广泛应用于机械、冶金、地质、石油、煤炭、石材、建筑等传统领域,电子信息、航天航空、国防军工等高技术领域以及汽车、家电等新兴产业。

  1.2复合超硬材料的主要产品用途

  当前,复合超硬材料的产品主要分为四类:石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片、煤田矿山用聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石高品级拉丝模坯和刀具用聚晶金刚石/聚晶立方氮化硼复合片。

  (1)石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片

  石油天然气聚晶金刚石复合片是由无数微小金刚石颗粒和粘结剂混合组成的切削层和硬质合金衬底层在高温高压下烧结合成的,具有很高强度、硬度、耐磨性、抗冲击性以及良好的自锐性,这些优良特性使其能够应用在岩石的钻探领域。该产品主要作为石油天然气钻头的切削齿,是钻头上起到切削和掘进的核心部件。

  (2)煤田矿山钻头用聚晶金刚石复合片

  由于具有硬度高、耐磨性强、抗冲击韧性良好等特点,复合超硬材料除了可用于制作石油天然气用钻头外,还可用于制作煤田矿山钻头用PCD复合片,其用途并不局限制造于煤田和矿山作业用的钻进和切割工具,还可广泛应用于制造建筑建造、水电工程施工、凿岩破碎、公路修补等众多领域的钻进工具。

  (3)聚晶金刚石高品级拉丝模坯

  拉丝模是各种金属线材生产厂家(如电线电缆厂、钢丝厂、焊条焊丝厂等)拉制线材的一种非常重要的易消耗性模具。拉丝模的适用范围十分广泛,主要用于拉拔棒材、线材、丝材、管材等直线型难加工物体,适用于钢铁、铜、钨、钼等金属和合金材料的拉拔加工。复合超硬材料是制造高品级拉丝模最为理想的材料。

  (4)刀具用复合片

  使用PCD/PCBN刀具复合片制造的刀具可以替代几乎所有传统硬质合金材质的刀具,用途十分广泛,包括制造汽车零部件、加工木材、开采石材、数控机床刀头等。基于其下游行业规模庞大,市场对于刀具用复合片的需求量也十分巨大。

  1.3复合超硬材料行业技术现状剖析

  复合超硬材料生产的核心环节在于对单晶超硬材料和粘结剂的原材料配方处理;核心技术在于对单晶超硬材料和相应粘结剂通过高温高压进行烧结的工艺。市场上产品质量过硬,具有明显竞争优势的厂家无不具有独特的配方和先进的生产工艺,上述两点构成了复合超硬材料行业的核心竞争力。在我国行业发展初期,我国复合超硬材料产品与国际先进产品相比在耐磨度、硬度、复合片均匀度和复合片尺寸等技术指标方面均存在一定的差距。但随着我国业内企业和科研人员不断钻研,充分发挥了六面顶压机的性能优势、克服了劣势,我国复合超硬行业技术水平已经形成了自身特点,并且在总体技术指标上接近或达到了国际先进水平。

  外国生产厂商以二面顶压机为主(如E6,DI、住友、日进为两面顶,USSynthetic,MegaDiamond、Novatek等为六面顶),我国生产复合超硬材料的压机以六面顶压机为主(如四方达、新亚、海明润为六面顶、江钻为两面顶)。两种设备各有特点,两面顶压机每组压缸、顶锤的造价较高,高压腔尺寸相对较大,适合生产尺寸较大的产品;六面顶压机每组顶锤的造价较低,操作方便,高压腔尺寸相对较小,适合生产尺寸较小的产品。但是随着近年来六面顶压机的大型化,其能生产的产品尺寸也越来越大,与两面的的差异越来越小,我国四方达公司已经可以生产直径46毫米的PCD复合片,预计在不远的将来,直径2英寸的复合片也可以在六面顶压机上生产出来。


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