超硬材料工具与绿色低碳经济综述

引言

        工具的发展是人类文明进步的动力，金刚石工具的诞生具有划时代意义。汽车、航空航天、机械制造业的发展，促使PCD/PCBN工具的快速发展。高速高效、干式切削、以车代磨是PCD/PCBN工具发展的强大动力。发展PCD/PCBN刀具是我国超硬材料工具制造商的重大责任与迫切任务。

        近几年，随着社会对环境保护和可持续发展意识的提高，人们开始关注切削液的整个生命周期带来的一系列负面作用，如污染工作环境、影响人类身体健康、易产生温室效应，出现酸雨、破坏大气臭氧层等。

        环境、资源是当今社会面临的重大问题。随着制造业高速发展，环境对制造业提出了更高的要求，能源紧缺对制造业的制约日益加剧，因此使经济增长模式由资源消耗型加速转变为高效节能型，实现资源增效，减少废物排放，建立生产、消费与环境、资源相互协调的发展模式已成为人类社会可持续发展的必由之路。绿色制造是21世纪制造业的可持续发展模式，并成为21世纪制造业的重要特征，是制造业的发展趋势和方向。

        绿色低碳经济与超硬材料刀具

        高生产率和高质量是先进制造技术追求的两大目标。代表现代机械加工主流方向的高速切削顺应了21世纪机械加工高效率、高精度、柔性与绿色化的要求而得到迅速发展。

        高速切削对刀具的要求是：

        （1）高的可靠性，是高速切削成功应用的关键技术之一；

        （2）高的耐热性、抗冲击性和高温力学性能；

        （3）适应难加工材料和新型材料的加工需要。

        低碳经济和绿色制造技术研究应用，是我国未来机械工具行业发展方向，根据绿色制造"节约能源、节约资源、污染最小、有利环保"的指导思想，为了消除切削液的不良影响，最理想有效的加工方式就是干式切削 ,干切削加工工艺已在西方工业发达囯家有了相当好的应用。

        在加工含硅量高的铝、镁合金材料时，硬质合金刀具寿命太低难以胜任，PCD刀具的耐用度是硬质合金的10~50倍，可保证零件的尺寸稳定性，并可大大提高切削速度、加工效率和加工质量，充分体现了其低碳经济的发展方向。

        采用PCBN硬态干式切削不仅投资少，加工效率通常是磨削加工效率的3~5倍，成本低，一般仅为磨削的1/4左右，能耗低，仅为磨削加工的1/5~1/10,易切削复杂零件，而且切屑干净清洁，易回收处理，有利于环保，非常符合当下的绿色低碳生产要求。

        机械加工正朝着高速化、复合化、智能化及环保型方向发展。绿色切削的发展趋势显示，高速切削、高稳定性加工，硬态切削最符合绿色切削特征，干式切削与高速切削的有机结合将是一种理想的非末端治理的高效、低耗、加工质量好、环境污染小、综合效益好的绿色切削，是未来机械切削加工的主流。超硬材料刀具已成为现代切削加工中的重要手段，绿色低碳切削离不开超硬材料刀具。

        由于超硬刀具"以车代磨"、"硬态加工"和"干式切削"等先进切削工艺技术的应用，避免了切（磨）削液、切（磨）削屑对环境的污染，可实现清洁化生产。因此，超硬刀具高速切削技术被公认为是21世纪高效、绿色环保和资源、能源节约型加工工具技术。未来机械切削加工的主流将是干式切削、硬态加工和高速切削相结合，具有高效、能耗低、节约资源、减少污染的绿色切削，PCBN刀具的一系列优点显示其最符合绿色切削的要求。

        进入新世纪以来，大力发展高效制造技术及装备已成为世界各国的战略决策。切削加工作为制造技术的主要基础工艺近年来也取得了快速发展，相继出现了高速切削、精密切削、硬切削、干切削、绿色切削等切削工艺，作为核心技术之一金刚石刀具及其切削技术尤其得到推崇。

        超硬材料磨具对绿色加工的促进作用

        国内外的使用显示，与普通磨料砂轮相比，CBN砂轮磨削具有以下经济技术优势：

        （1）其热导率是刚玉的45倍，热扩散率是刚玉的112倍。因此，CBN砂轮特别适用于磨削热敏性高的超高速钢和高硬度合金钢等；

        （2）在磨削优质工具

        钢、轴承钢、钛合金、镍基合金时，CBN砂轮磨耗极小，其耐用度是普通磨料砂轮的100~150倍；

        （3）磨削后的零件表面质量好，如用CBN砂轮磨削凸轮轴，不仅综合成本降低50%,而且凸轮表面的疲劳强度提高了30%.

        陶瓷结合剂CBN砂轮从原材料生产过程到砂轮的制造过程及砂轮的使用过程对资源和能源的消耗都是极低的，属于节能型的高科技产品。鉴于陶瓷结合剂CBN砂轮所具有的高精度、高效率、低消耗、低生产成本、低污染、自动化程度高等优异性能，是其它磨削工具无法比拟的。代表了当今世界磨具产品发展的一个主要方向，是实现绿色加工目标的有效手段，实施绿色加工，促进绿色制造发展的利器。

        西方发达国家从人体健康和环保的目的出发，已逐渐兴起使用超硬材料砂纸、砂带等涂附磨具取代刚玉、碳化硅等普通磨料涂附磨具。金刚石和立方氮化硼由于其硬度高、耐磨性好，用作磨料来加工硬、脆性等难加工工件时，消耗量极小，而且可以较长时间保持其锋利度和磨具外形，不仅可以保证工件的加工精度，而且提高了加工时效，同时也有效解决了对环境的污染问题。

       值得注意的是，超硬材料砂带从用于一般精度要求工件的磨削发展到高精密、超高精密零件的磨削。由于超硬材料砂带的应用，使砂带工作寿命大幅度提高，磨削领域扩大，可用于湿磨、干磨、高速磨、重负荷磨削以及高精度精密零件磨削抛光，享有"万能磨削"的美誉。超硬材料砂带具有超硬材料"硬"和涂附磨具"柔"的双重特性，是"刚"和"柔"的最佳组合，符合现代高速、高效、精密、节能、环保加工技术发展战略要求，具有重要的技术经济价值。

        PDC为绿色能源做贡献

        低碳经济是以"低能耗、低污染、低排放"为特征的一种经济形态，是人类经历了二百余年的工业革命高速发展，技术手段突飞猛进，认真反思后所提出全新的经济发展形态。

        二氧化碳是地球气候变暖的主要原因之一，如何减少二氧化碳排放是当今人类共同面对的挑战。人类也在发展一些新的技术手段，以有效减少大气中二氧化碳的排放。二氧化碳的地质封存和二氧化碳驱油采油就是新的方法。其基本原理是将一些较为集中排放的二氧化碳气体收集起来送往采油井，注入地下，以此将一些离散的油资源驱赶出储油层至井口，实现采油。另大约有60%的二氧化碳会封存于地下。有关专家估计，再经过2000多年，这些存于地下的二氧化碳会逐渐溶于岩层，而形成新的矿物质。

        江晓乐提供这样一组数据，他讲，一般来说，采出一吨原油燃烧后大概会释放2.68吨二氧化碳。如果开采一吨石油的同时被封存于地层的二氧化碳量达到或超过2.68吨，则原油燃烧产生的二氧化碳和封存于地下的二氧化碳相互抵消，从而可实现原油的绿色开采。这种新的绿色采油技术在美囯已广泛得到应用。

        在越来越多的气井钻井过程中，应用先进的PDC钻头取代传统的硬质合金牙轮钻头，可加快钻进速度，减少钻井工时和成本，尽可能实现绿色钻井。

        在PDC制造过程中，从减少高耗能材料的消耗、减少制造PDC过程中的能耗和减少污染物的排放入手，逐步实现绿色制造。

        超硬材料制品生产过程节能减排大有作为

        超硬材料及制品的出现，极大提高了脆硬材料加工领域的加工效率，降低了劳动强度，实现了加工过程的节能减排。随着我国新兴产业的快速发展，必将成为超硬材料及制品的发展拓展更广阔的前景，超硬材料及制品行业也必将发展为我国战略性的新兴行业。

        在囯家宁可适当降低GDP增长速度，也要强力推进经济结构和经济增长方式转变的背景下，节能减排已是大势所趋。任何高能耗、高排放的生产方式和加工方式都会受到限制。顺应政策导向，积极开展技术创新，推进节能减排是每一个企业的必由之路和唯一的方向，超硬材料制品行业也不例外。

        尹育航等人在超硬材料制品行业节能减排大有可为的文章中，对行业生产制造节能减排现状分析后明确指出：

        现阶段，我国超硬材料制品生产呈现两个主要特点：一是配方体系中以较粗的单质元素粉料为成分主体；二是刀头烧结过程以低电压，大电流为特征的热压烧结为主要烧结手段。前者所生产出的产品往往表现出质量稳定性差、质量水平低的通病，只能卖非常低廉的价格，消耗大量的原材料和能源，只得到微薄的利润，不仅造成资源的大量浪费，而且产生大量的废弃物，给人劳命伤财之感！后者则使超硬材料制品制造过程中能耗占到了70%以上，所以说，烧结环节是超硬材料制品制造过程可实现节能减排的一个关键环节。

        纵观我国超硬材料及制品应用领域的现状，在节能减排方面仍然有很大提升空间，具体体现是：

        （1）超硬材料制品尽量替代普通磨料制品；

        （2）干法加工工具质量发展缓慢；

        （3）钻切类工具工作部件尺寸设计整体偏大，导致加工切缝宽，电力消耗大，加工效率不高，造成贵重材料的浪费，加工缺陷大，能源消耗大；

        （4）产品锋利性、稳定性不够导致加工效率低，加工质量差，废品多，电力消耗大，造成资源、能源、人力、时间的浪费。

        由此可见，从超硬材料制品应用角度分析，不仅现有产品在节能减排方面仍有很多的提升空间，而且在应用领域节能减排方面还有很大的拓展空间。

        通过优化设计，开发应用新型烧结技术和装备，可以大幅度地降低生产过程中的资源电力消耗，实现节能减排。

        采用热等静压技术替代传统的热压烧结技术。

        采用高温无压烧结技术。这是一种更为适合规模生产的先进工艺，在美囯、日本、德国等工业发达囯家已被普遍采用。

        在建筑陶瓷抛光方面，开发金刚石磨块替代传统的碳化硅磨块。目前，氧化镁作为自然资源已被列为囯家控制的不可再   生的战略物资，碳化硅为高能耗、高污染物资也受到囯家限制发展，因此，开发应用金属结合剂磨块在节能减排方面具有重要意义。

        自蔓延烧结技术

        低碳经济，是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，是人类社会继农业文明、工业文明之后的又一次重大进步。其核心是能源技术创新、制度创新和人类生存发展观念的根本性转变。从中国能源结构看，低碳意味着节能，低碳经济就是以低能耗低污染为基础的经济，对于我们超硬材料行业来说也是如此。

        目前，超硬材料砂轮的制备是一个能源消耗相对较大的行业，努力降低能源消耗，提高能源利用率，是技术创新的一个思路。刘明耀等认为，自蔓延烧结技术应用于超硬材料砂轮的制备，对于节约能源，践行低碳经济模式具有深远意义，应该加快研究和推广应用进程。

        自蔓延烧结法是利用自蔓延高温合成技术的一种新型烧结技术。该方法作为一种新型的材料合成与烧结技术具有许多优点：

        （1）反应速度快，烧结时间短，能源利用充分，耗能少；

        （2）所需设备简单，投资少；

        （3）合成反应温度比较高，可以得到高纯度产品。

        热压烧结单片耗电量是自蔓延烧结的5、6倍，自蔓延烧结技术可以大大节约能源，提高能源利用率。

        自蔓延烧结技术应用于超硬材料砂轮的制备，对于节约能源，践行低碳经济模式具有深远意义，应该加快研究和推广应用进程。

        结语

        7.1绿色经济、低碳经济是囯际囯内最热门的话题。本文是笔者有关文献的笔录，常言道三句话不离本行，因此文中的中心内容当然与超硬材料及其制品的生产与应用有关！

        7.2低碳经济，是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，是人类社会继农业文明、工业文明之后的又一次重大进步。其核心是能源技术创新、制度创新和人类生存发展观念的根本性转变。

        7.3从中国能源结构看，低碳意味着节能，低碳经济就是以低能耗低污染为基础的经济，对于我们超硬材料行业来说也是如此。

        7.4随着囯家节能减排政策的部署和推进，对各行各业在节能减排方面都提出了更高的要求。超硬材料制品行业实现节能减排不仅是大势所趋，而且尚有可为，前景广阔。

        7.5为了改善人类生活质量，人类不断发展出新的科技和新的材料。在制造先进科技产品的过程中，经常需要高效能和高精度的金刚石工具，未来金刚石工具的发展不只是需要不断改良现有的产品，例如近年来新发展的电镀金刚石线锯。同时未来金刚石工具的发展，也会继续朝高效率的改善和精度的提升，以便达到减少能源消耗和减少废弃物和污染的效果。

        7.6欧洲铝业协会的调查研究表明，欧洲1990年每台新汽车用铝量为25公斤，2005年增至132公斤，估计到2010年会增加到157公斤。由于硅铝合金汽车部件的增加，车重大大减轻，每年节约油耗以兆升计。在汽车寿命期间减少CO2排量4000万吨，即节约用材与油耗，又十分绿色环保。 （文/郑州磨料磨具磨削研究所 王光祖）

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