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　　尹育航 陶洪亮
　　广东奔朗新材料股份有限公司
　　
　　

　　引言
　　经过40多年的发展，中国超硬材料行业取得了巨大进步，获得快速发展，技术不断取得进步，应用领域不断扩大，不仅已众所周知地广泛应用于建筑材料、建筑施工等国家经济基础产业的方方面面，而且越来越广泛的应用于石油、煤炭、汽车、电子、机械制造等国家支柱产业。据统计，我国超硬材料行业的规模已经超过300亿元。随着全球低碳经济的兴起，光伏发电、LED、IT、航天军工等新兴产业的发展方兴未艾，超硬材料在这些新兴产业中的磨削、抛光、切割功能方面将发挥不可替代的作用，可以说，新兴产业的发展反过来推动着超硬材料朝着更加广阔更精密的应用领域发展，超硬材料未来发展前景十分广阔。
　　随着国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，而且大有可为，前景广阔。
　　1.超硬材料制品行业节能减排内外部环境
　　1.1 政策背景
　　在国家宁可适当降低GDP增长速度，也要强力推动经济结构和经济增长方式转变的背景下，节能减排已经是大势所趋。任何高耗能、高排放的生产方式和加工方式将会受到限制。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，超硬材料行业也不例外。
　　1.2 行业生产制造节能减排现状分析
　　现阶段，我国超硬材料制品生产制造过程中呈现两个主要特点：（1）配方体系中以较粗的单质元素粉料为成分主体；（2）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。
　　以较粗的单质元素粉料为成分主体的配方体系在配方调节的灵活性方面优势明显，也易于成型，但不同单质元素粉末的粒径及其分布、形貌、相及晶体结构、纯度、含氧量和比表面积等因素，都直接显著地影响到最终胎体材料的物理和化学性能，而这些因素又受厂家产品批次和储存等影响。并且，采用单质元素粉配制目标胎体材料时，需要多组元元素粉末之间借助热扩散充分合金化，完成这个过程需要足够的温度和足够长的时间，虽然金刚石具有一定的耐高温，但热损伤仍是影响金刚石制品质量的一个主要问题。因此，采用单质元素粉末为成分为主体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，导致的结果是消耗了大量的原材料和能源，只得到微薄的利润，造成资源的大量浪费，产生大量的废弃物。
　　超硬材料制品制造过程中最大的直接能耗来源于烧结过程，占超硬材料制品生产能耗的70%以上。最常用的烧结方式是以低电压、大电流为特征的热压烧结，这种烧结方式中的热压模框仍然以低廉的铸铁材料为主，在电场下产生涡流而发热，既浪费电力又容易导致模框变形而报废；隔热材料以水泥石棉板或云母片为主，隔热效果和耐用度差，导致热量损失严重以及模框变形；石墨电极以及磨具容易氧化、破损而消耗量大，导致石墨材料的需求量大，废弃物多，石墨材料的生产及无害化处理都要消耗大量的能源，因此，烧结环节是超硬材料制品制造过程可实现节能减排的另一个关键环节。
　　1.3 行业应用领域现状分析
　　金刚石工具的出现是人类工具史上的革命，极大的降低了硬脆材料加工的劳动强度。能源消耗、粉尘、废弃物，同时极大的提高了加工效率，目前已经被广泛应用于建筑材料、建筑施工、石油、煤炭、汽车、电子、机械制造等行业。如金刚石绳锯用于矿山开采，和传统的“爆破+火焰切割”开采相比：①开采适用性更广。绳锯适用于所有类型矿山，而火焰切割仅适用石英含量高，裂隙少的花岗岩矿山。②开采效率更高。开采深度能达到10—20米甚至更深，火焰切割一般在十米以内；开采速度可以达到3—4m2/h，是火焰切割的2—3倍。③成材率高，综合成本低。绳锯的锯缝只有约11mm，不会照成资源浪费，而火焰切割切面粗糙不平，锯缝达到100—300mm，造成很大的资源浪费。④安全环保，绳锯开采无噪音无粉尘，不影响环境，工人劳动强度低，安全性高。
　　金刚石绳锯在建筑施工领域也得到了越来越广的应用，相比爆破法或机械凿除法，绳锯切割法属静力切割，对需保留部分无振动无损伤，操作安全性高，特别是对超大体积的钢筋混凝土构建的拆除，绳锯切割法具有无可比拟的优势。典型的应用案例见表1。
　　

　　
　　
　　

　　从20世纪90年代开始，为解决大尺寸硅棒的切割问题，采用了线锯加工技术将硅棒切割成薄片，目前正经历有采用裸露的金属线和游离磨料加工向电镀固结金刚石线锯加工转变的过程。据报道，固结金刚石线锯由于不使用游离磨料，产生的切缝只比锯丝大0.01—0.015，可以节约昂贵的单晶硅或多晶硅材料，同时生产效率大大提高，电力消耗显著减少。
　　综合上述，超硬材料及制品的出现，极大提高了硬脆材料加工领域的加工效率，降低了劳动强度，实现了加工过程中的节能减排。随着我国新兴产业的快速发展，必将为超硬材料及制品的发展拓展更广阔的空间，超硬材料及制品行业也必将发展为我国战略性的新兴产业。
　　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会有很大的提升空间，具体体现在以下几个方面：
　　（1）超硬材料制品尽量代替普通磨料制品
　　超硬材料的磨削效率远远大于普通磨料，用超硬材料制品代替普通磨料制品，可以极大推进目前普通磨料制品行业应用领域的高效加工和节能减排。在轴承磨削方面，采用立方氮化硼陶瓷砂轮取代碳化硅陶瓷砂轮，可提高效率；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，磨削效率可提高30—40%，电力消耗可降低40%，排放最低可降至1%。
　　（2）干法加工工具质量发展缓慢，现阶段，超硬材料制品工作过程大多需要冷却液冷却，原因是受产品性能的局限只有在冷却条件下才能达到良好的加工效果。对于部分多空材料而言，往往会吸入大量的冷却液而被污染或变质，造成很大的浪费。
　　（3）钻切类工具工作部尺寸整体偏大，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。如高档大理石、单晶硅切割过程中因为金刚石工具工作部尺寸偏厚，不仅导致材料消耗大，而且加工质量下降，加工速度减慢，加工过程中电力消耗相对提高。
　　（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。如高速公路、桥梁的维护与改造，因对交通的影响要求施工期尽量短并必须按期完工，但往往因为金刚石工具锋利性不够或者不稳定原因影响施工进度，延长施工时间，浪费人力和电力资源，造成很大的损失和浪费。
　　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还有很大的拓展空间。
　　2.超硬材料制品生产制造过程节能减排潜力巨大
　　通过优化配方设计，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。
　　2.1优化配方设计，实现节能减排
　　配方设计是决定产品性能的基础，包括各种原材料的比例、每种原材料的化学物理特性、元素引入的方式等方面。在配方设计过程中，直接成本概念较多地影响配方设计者更多的将注意力转向价格低廉但质量稳定性较差的原材料（如还原铁粉）。这类原材料往往粒度较粗、氧含量高，导致产品烧结困难（烧结温度高）、性能低且波动性大，即浪费了大量的原材料、电力、人工等社会资源，同时又影响到应用领域的节能减排。采用超细、低含氧量的元素粉替代粒度较粗的元素粉或者在配方中实现超细预合金粉末，不仅可以降低烧结温度，而且产品性能明显提高，即实现了生产过程中节能减排，又实现了应用端的节能减排，综合效益显著。表2为奔朗公司用羰基铁粉替代电解铁粉应用于一款金刚石磨轮产品的经济效益对比分析。

　　郭和惠在文献中指出，若以中国年生产销售百亿人民币的金刚石工具计算，约消耗钢材、有色金属10万吨，金刚石4亿克，电6亿度，包装材料11万吨，砂轮5.2万吨，油漆0.35万吨，若全部生产“优级”金刚石锯片，在保证销售收入不变的情况下，至少可以节省50%的资源（钢材、有色金属五万吨，金刚石2亿克，电3亿度，包装材料5.5万吨，砂轮2.6万吨，油漆0.175万吨），有此可见，优化配方设计，在节约资源、节能减排方面潜力巨大。
　　2.2 开发新型烧结技术和装备，实现节能减排
　　烧结是决定产品性能的关键，也是超硬材料制造过程中耗能最多的环节，因此是节能减排的关键环节。
　　目前超硬材料制品行业主导的烧结方法是电阻热压烧结工艺，具有适应小批量生产、工艺调整灵活、烧结温度范围广的特点，但热利用率不高的缺点同样突出，初步估算70%以上的热量被浪费了。开发应用新型的模具材料可以有效降低热压烧结过程中热量损失；开发应用热等静压方法和无压烧结法等先进烧结工艺能显著降低烧结能耗，同时产品的质量稳定性更好，可实现烧结过程的节能减排。
　　2.2.1 新型热压模具材料
　　通过采用新型模具材料，提高保温效果，可以有效降低传统热压烧结过程中的点号。奔朗公司2010年上半年统计数据显示，采用新型热压模具材料后，万元产值电力消耗降低14%，半年节约用电140万kw•h。
　　2.2.2 热等静压烧结法
　　热等静压烧结法（HIP）是当今世界生产金刚石工具的最低烧结技术，综合了热压烧结及无压烧结的技术优势。这种一种以氮气、氩气等惰性气体为传压介质，通常在900—1100℃和50—200MPa压力共同作用下，对制品进行压制烧结和致密化处理的技术。目前，由于综合技术难度高、投资大，购买一台热等静压设备的一次性投资就超过千万元，且维护费用昂贵，运行成本高，因此在世界范围内仅有极少数技术资本雄厚的金刚石工具公司可以完全掌握HIP技术。国外成功的实践表明，采用热等静压技术代替传统的热压烧结技术，生产效率大大提高，能耗、模具损耗大幅度降低，产品空袭少、致密度高，能全面提高金刚石工具的工作效率以及工作寿命。表3是公司在某款产品上开展的热压烧结与等静压烧结在能耗方面的比较。
　　

　　2.2.3 高温无压烧结技术
　　国外粉末冶金烧结技术的研究发现，高温无压烧结工艺对于那些在烧结工艺中出现液相的制品是更为适合规模生产的一种先进技术，在美国、日本、德国等工业发达国家已经被普遍采用。这种工艺综合了无压烧结及高温烧结的技术优势，在无压的状态下将烧结温度提高到900℃以上，胎体材料具备优异的物理化学性能。采用高温无压烧结技术作为金刚石制品胎体材料的制备工艺，与传统的热压烧结法相比，具有以下几方面的优越性。
　　（1）可以解决制品的形状问题，只要压坯可以冷压成型出来，通过高温烧结，不仅可以达到烧结致密化的效果，而且由于整个工艺在均匀的温度场中完成，可以保证烧结毛坯的形状及尺寸精度，最大限度地减少烧结后的磨削加工余量。
　　（2）无压烧结具有产量大、基本没有模具损耗、能耗低、产品质量稳定的特点，适合于规模化生产。
　　本公司采用传统的热压烧结法与高温无压烧结法生产某种金刚石刀头的实施情况对比如表4所示。
　　

　　3 超硬材料制品应用领域节能减排前景广阔
　　超硬材料制品通过技术改造以及不断拓展其应用领域（尤其是替代普通磨料磨具）实现在应用领域节能减排的前景广阔、空间巨大、近年来，在建筑陶瓷加工方式实现节能减排方面取得了很大的成效，表现为以下几个方面：
　　3.1 金属结合剂金刚石磨块替代菱苦土碳化硅磨块已经批量应用，并呈快速成长的发展趋势
　　菱苦土碳化硅磨块自上世纪80年代以来被广泛应用于建筑陶瓷表面的研磨抛光，具有抛光效率高、适应广的特点。但菱苦土结合碳化硅磨块使用寿命很短，平均使用寿命只有1到3小时，每个磨块的重量约1.1公斤，含碳化硅磨料约235克，氯镁水泥850克，塑料卡座20克，其中的氯镁水泥和碳化硅磨料完成磨削后变成了废渣，伴随产生大量废水，并且产生的废水呈弱碱性。据统计，我国一天要消耗1800000块，折合423吨碳化硅，1530吨氧化镁，36吨塑料，100吨包装纸，同时意味着一天要产生2000吨的废料及大量碱性废水，并且需要每天超过2000吨的运输量。碳化硅磨块的大量使用造成了自然资源的过度开采和消耗。碳化硅磨块的生产与使用均对环境造成了比较大的破坏。目前，氧化镁作为自然资源已经被列为国家控制的不可再生的战略物资，碳化硅作为高能耗、高污染物资也受到国家限制发展，因此开发应用金属结合剂金刚石磨块在节能减排方面具有重要的意义。
　　

　　磨削抛光过程中金刚石磨块平均寿命提高100倍以上，磨削效率提高20%，消耗成本、电力消耗、排放污染物分别是普通磨块的75%、60%、1%（如图1）。
　　

　　3.2金刚石干法磨边轮
　　用于内墙装饰的釉面砖（俗称“瓷片”）的四边往往需要经过磨边轮磨削加工获得较精准的尺寸。常规的磨边轮磨削时需要水冷却，由于釉面砖的吸水率一般在20%左右，冷却的同时釉面砖吸收了大量的水分，容易导致包装物受潮而使釉面砖染色发霉，因此需要对吸水后的釉面砖进行干燥，要建专用的干燥窑，消耗大量能源。通过开发金刚石干法磨边轮，实现无水冷却磨削，可省去砖坯干燥过程，节约场地和能源消耗。上海斯米克的批量使用比较表明，使用干法磨边轮磨边，每平方米釉面砖可以节约天然气0.3立方米，综合加工成本每平方米节约0.56元。若以全国年产釉面砖13亿平方米计算，每年可节约天然气3.9亿立方米（或相当于其它能源），节约费用7.28亿元。
　　3.3 超薄陶瓷切割片
　　陶瓷切割用金刚石超薄锯片的厚度一般在1.4以下，用于建筑陶瓷的分条、马赛克、开槽等切割加工，与普通的切割金刚石锯片相比（以1.2mm厚度的超薄片与2.0mm厚度的普通片为例），具有以下优点：
　　（1）能耗低。切割过程中，超薄片的电流要比普通切割锯片降低45%以上。
　　（2）粉尘排放少。由于刀头变薄，切割过程中的加工对象的去除量明显减少，粉尘排放降低37%。
　　（3）效率提高。由于锯片减薄，切割过程材料去除量、切削力量等减少，切割速度可以大大提高，加工效率明显上升。
　　（4）噪音低。由于锯片减薄，切割过程中的切削力减少，锯片与加工对象之间由于摩擦产生的震动降低，噪音明显下降。
　　4.展望与建议
　　金刚石工具的出现是人类工具史上的革命，不但极大减轻了人们的劳动强度，提高了工作效率，而且已经成为节能减排的“利器”，并将在更多领域节能减排方面发挥无可替代的作用。超硬材料制品行业必将成为节能减排不可或缺的基础性行业之一，拥有广阔的发展前景和美好的未来。
　　在超硬材料制品设计制造过程中，随着新材料、新技术、新工艺、新设计的开发与应用，节能减排同样大有作为。为引导企业更好地开展节能减排工作，建议协会和企业加强以下两方面的工作。
　　（1）协会建立有代表性的不同类别产品的万元产值（销售值）的能耗评价指标，评价行业在节能减排方面的发展趋势，促进企业的节能减排。
　　（2）企业内部要建立节能减排的评价考核体系，如万元产值（销售值）结合剂消耗标准，万元产值（销售值）结合剂能耗指标、万元产值（销售值）磨料消耗标准等，通过内部考核激励，引导企业自主开展节能减排工作。
　　

　　【1】姜荣超，等.国外超硬材料工具的最新应用与进展（下）.超硬材料工程，2008，20（5）：42-48
　　【2】周锐，等.金刚石线锯的研究现状与进展，现代制造工程，2004（6）：112-114
　　【3】郭和惠.节能减排是金刚石工具制造行业必由之路.磨料磨具通讯，2007（12）：23-25
　　作者简介：尹育航，男，1962年生，博士，高工，主持了十余项国家和省级项目，申请发明专利和实用新型专利二十多项，发表学术论文数篇。