[01232598]金刚石-硬质合金复合超硬材料产业化及工模具应用

硬质合金是工业的“牙齿”,由于硬质合金工具在使用中切削速度慢、使用寿命短、钻切效率低,无法满足现代高速数控加工、丝棒材高速拉拔以及高速钻探作业的要求,因而高效高速长寿命的工模具开发已成为现代制造业和深部矿产和能源开发的关键问题和瓶颈之一。 本项目采用中国特有的六面顶高压合成技术,,在国产金刚石-硬质合金复合超硬材料（PDC）产业化及其工模具应用开发方面取得了重大理论突破及技术与产品创新： 一、采用高压急冷固化技术与现代测试分析技术相结合,研究发现了硬质合金中钴在金刚石层中的”波浪”式推移现象,计算了钴浓度分布及熔渗作用时间,揭示了钴扩散熔渗迁移过程及行为机制,解释了超细金刚石难以烧结的真正原因;提出了金刚石石墨化“溶解”的观点,丰富和发展了金刚石高压液相烧结理论;提出了D—D结合聚晶晶界的两种生长模式,探讨了金刚石高压烧结过程及聚结与复合机理,揭示了金刚石聚晶形成机制、晶粒异常生长及抑制机制,阐明了其层状复合界面的浸润性作用原理;发现了高压下金刚石的挤压破碎规律,提出了金刚石配比设计原则,获得了高压作用后的高密度配比,为PDC材料产业化开发提供了理论指导和技术支撑。 二、采用多种技术创新攻克了PDC韧性低的内禀缺陷,解决了PDC产业化中成品率低、性价比低和质量稳定性差的难题。采用碳纳米管（葱）作前驱体,探索制备了碳纳米管-金刚石复合纤维增强PDC,证实了其纤维增强效应;采用XRD、Raman光谱、应变片结合有限元方法,分析了PDC中的内应力分布规律及形成机制,采用非平面界面、梯度复合、夹层等技术措施,并采用优化的合成工艺及去应力后处理工艺,大幅降低了PDC内应力及分层开裂的几率;采用优化的腔体结构和新型发热体, 提高了PDC合成工艺稳定性,使PDC成品率从70%提高到96%;采用先进的超声C扫描技术,实现了PDC微观缺陷检查的可视化,确保了PDC材料生产质量零缺陷。 三、先后研发了平状、弧状、球状、脊状、环状PDC材料,开拓了中国独有的煤田矿用PDC钻头市场,提高了煤矿井下钻探速度和成孔效率,为煤矿安全高效开采提供了保障;研发了石油、天然气PDC钻头,突破了中硬以上岩层及软-硬夹杂地层PDC钻头不能使用的禁区,满足了国内超深油气井钻探的需求,使钻探用PDC国产化率达90%以上,并销往国际市场;研发了高精密PDC拉丝模具,解决了太阳能硅片切割丝在多线高速切割中容易断丝的问题;研发了高速数控PCD刀具,解决了高速切削中PCD刀具的质量稳定性和安全性问题。 上述研究成果已发表论文80多篇、其中SCI收录10篇、EI检索24篇,出版专著2部,获授权专利50项、其中发明专利4项,参与制订行业产品标准1件;已在20多家企业推广应用,三年来已累计创直接经济价值约20亿元,其中利润约5亿元、税收约4亿元、出口创汇约8000万美元,还节约硬质合金约6.5亿元。项目成果由张兴栋院士等专家组成的鉴定委员会认为“已达到国际先进水平”。