一种复合超硬材料研发技术
成果类型:: 发明专利
发布时间: 2022-08-23 09:53:42
复合超硬材料是指以金刚石和立方氮化硼(CBN)单晶超硬材料为主要原材料,添加金属或非金属粘结剂(如碳化钨,钴,镍,氮化硅等金属粉末)并通过超高压高温烧结工艺制成的聚晶复合材料。其特点是硬度、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轻易从锯片表面脱落的弊端,具有更高的耐磨性。常见制品有钻探工具、切削刀具、磨具、锯切工具,拉丝模具等。
本项目开发的复合超硬材料是通过将超硬材料立方氮化硼粉末原料覆盖在硬质合金材料经过高温高压下烧结而成。其研制的超硬复合材料能够发挥立方氮化硼材料和不氧化硬质合金各自优异性能,又要改善立方氮化硼材料的导电性,具有超高硬度,高耐磨和热传导性能好,热膨胀系数低,强度与抗冲击韧性好等性能,可用于各行各业需要耐高温,耐磨,耐冲击的零部件。
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。本项目采用自主研发的超硬复合材料配方,在高温高压下,金属黏结剂的融化,熔融的粉末沿着cBN晶粒间和硬质合金晶相间的孔隙渗透,同时与熔化BN表面发生化学反应形成骨骼状结构分布于cBN晶粒间,形成稳固结合体,所研制的高温耐氧化导电的超硬复合材料能够发挥立方氮化硼材料和不氧化硬质合金各自优异性能,又要改善立方氮化硼材料的导电性。由此得到的超硬复合材料的硬度Hv2600~4500,抗氧化能力在1000℃时不会发生氧化现象,材料能导电,可更好地应用于微电子技术,电器开关,航天和军事工业等领域。
复合超硬材料对于传统合金材料具有强大的替代性,市场潜力更大,可广泛应用于机械、冶金、地质、石油、煤炭、石材、木材、建筑、汽车、家电等传统领域以及电子信息、航天航空、国防军工等高技术领域。复合超硬材料的主要制品包括:石油/天然气钻头用金刚石烧结体(PCD)复合片、煤田/矿山工具用PCD复合片、PCD高品级拉丝模坯和PCD/聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具用复合片。
目前全球复合超硬材料市场,高端市场主要被美、日等国的大型集团所垄断,代表企业有元素六公司(Element Six)、美国DI公司、日本住友和韩国日进公司。这些企业在中高端产品上技术先进、工艺成熟,占据了大量的市场。我国经过多年发展,已经形成较为完整的产业链,在原材料采购上有着本土优势,与发达国家相比,在技术上仍然存在一定差距,特别是高精度、高性能数控刀片和刀具的发展较慢。
在市场方面,当前我国复合超硬材料需求量较大,呈现较快增长的态势,其中高品级金刚石的市场需求占整个市场的比例大约为60%~70%。首先,我国天然气产量一直呈现高速增长趋势,2011年我国天然气产量达到1025亿m3。随着我国油气产量的不断增长,对于油气用PCD复合片的需求量也表现出旺盛的需求。目前,油气用PCD复合片全球市场规模约为110亿元,我国市场空间大约为14亿元,发展潜力巨大。中国是全球页岩气储量最多的国家,可采储量约为36.1万亿m3。我国将页岩气勘探开发作为国家能源战略的重要发展领域之一,2020年产量将达到600~1000亿m3。随着页岩气开发利用的深入,油气用PCD复合片必将迎来新的发展机遇。其次,在煤炭产量的不断带动下,我国矿用PCD复合片市场规模也在不断扩大。全球矿山用PCD复合片市场规模近200亿元,中国市场规模约为20亿元。总之,全球经济复苏和国内宏观经济持续快速发展,将为复合超硬材料产业的进一步发展带来更大的发展机遇和市场空间。
本团队技术带头人冯启华,高分子化工工程师,研究方向粉末冶金,具有多年超硬材料研发经验,该技术团队在肇庆的工厂完成了前期的基础研发、设计、分析与验证,并打通了产业链。团队核心成员冯启华与练桂香毕业于合肥工业大学毕业,粉末冶金和高分子材料专业,在同一领域深耕14年,对各自专长与技术了解深刻。团队从理论研究到工程实践,从人才培养到市场拓展,形成了全方位的战略合作模式,为团队的发展提供了强有力的支撑。
项目已完成小试阶段,前期在已投资500万在肇庆完成了前期研发、设计、验证分析等,复合超硬材料可用于各行各业需要耐高温,耐磨,耐冲击的零部件,完全可以代替硬质合金,使用寿命更长,效率更高,质量更可靠,综合成本更低,可根据客户的需求独立设计配方和工艺以及特殊的后加工,满足个性化需求,市场潜力巨大。目前该项目的产品有以下四种:刀具、钻头、夹层复合超硬材料、超耐磨抗冲击焊接头等。可用于切削刀具材料、石油地质钻头的切削齿、线材拉拔的高品级拉丝模制备以及刀具用复合片制备。
希望提供技术对接服务,提升现有技术水平。通过对团队的的知识产权规划进行诊断分析,协助项目进行相关的知识产权布局,促进成果产业化。