尹育航 陶洪亮
　　廣東奔朗新材料股份有限公司
　　
　　

　　引言
　　經過40多年的發展，中國超硬材料行業取得了巨大進步，獲得快速發展，技術不斷取得進步，應用領域不斷擴大，不僅已眾所周知地廣泛應用于建筑材料、建筑施工等國家經濟基礎產業的方方面面，而且越來越廣泛的應用于石油、煤炭、汽車、電子、機械制造等國家支柱產業。據統計，我國超硬材料行業的規模已經超過300億元。隨著全球低碳經濟的興起，光伏發電、LED、IT、航天軍工等新興產業的發展方興未艾，超硬材料在這些新興產業中的磨削、拋光、切割功能方面將發揮不可替代的作用，可以說，新興產業的發展反過來推動著超硬材料朝著更加廣闊更精密的應用領域發展，超硬材料未來發展前景十分廣闊。
　　隨著國家節能減排政策的部署和推進，對各行各業在節能減排方面都提出了更高的要求。超硬材料制品行業實現節能減排不僅是大勢所趨，而且大有可為，前景廣闊。
　　1.超硬材料制品行業節能減排內外部環境
　　1.1 政策背景
　　在國家寧可適當降低GDP增長速度，也要強力推動經濟結構和經濟增長方式轉變的背景下，節能減排已經是大勢所趨。任何高耗能、高排放的生產方式和加工方式將會受到限制。順應政策導向，積極開展技術創新，推進節能減排是每一個企業的必由之路和唯一的方向，超硬材料行業也不例外。
　　1.2 行業生產制造節能減排現狀分析
　　現階段，我國超硬材料制品生產制造過程中呈現兩個主要特點：（1）配方體系中以較粗的單質元素粉料為成分主體；（2）刀頭燒結過程以低電壓、大電流為特征的熱壓燒結為主要燒結手段。
　　以較粗的單質元素粉料為成分主體的配方體系在配方調節的靈活性方面優勢明顯，也易于成型，但不同單質元素粉末的粒徑及其分布、形貌、相及晶體結構、純度、含氧量和比表面積等因素，都直接顯著地影響到最終胎體材料的物理和化學性能，而這些因素又受廠家產品批次和儲存等影響。并且，采用單質元素粉配制目標胎體材料時，需要多組元元素粉末之間借助熱擴散充分合金化，完成這個過程需要足夠的溫度和足夠長的時間，雖然金剛石具有一定的耐高溫，但熱損傷仍是影響金剛石制品質量的一個主要問題。因此，采用單質元素粉末為成分為主體的產品往往表現出質量穩定性差、質量水平低的通病，只能賣非常低廉的價格，導致的結果是消耗了大量的原材料和能源，只得到微薄的利潤，造成資源的大量浪費，產生大量的廢棄物。
　　超硬材料制品制造過程中最大的直接能耗來源于燒結過程，占超硬材料制品生產能耗的70%以上。最常用的燒結方式是以低電壓、大電流為特征的熱壓燒結，這種燒結方式中的熱壓模框仍然以低廉的鑄鐵材料為主，在電場下產生渦流而發熱，既浪費電力又容易導致模框變形而報廢；隔熱材料以水泥石棉板或云母片為主，隔熱效果和耐用度差，導致熱量損失嚴重以及模框變形；石墨電極以及磨具容易氧化、破損而消耗量大，導致石墨材料的需求量大，廢棄物多，石墨材料的生產及無害化處理都要消耗大量的能源，因此，燒結環節是超硬材料制品制造過程可實現節能減排的另一個關鍵環節。
　　1.3 行業應用領域現狀分析
　　金剛石工具的出現是人類工具史上的革命，極大的降低了硬脆材料加工的勞動強度。能源消耗、粉塵、廢棄物，同時極大的提高了加工效率，目前已經被廣泛應用于建筑材料、建筑施工、石油、煤炭、汽車、電子、機械制造等行業。如金剛石繩鋸用于礦山開采，和傳統的“爆破+火焰切割”開采相比：①開采適用性更廣。繩鋸適用于所有類型礦山，而火焰切割僅適用石英含量高，裂隙少的花崗巖礦山。②開采效率更高。開采深度能達到10—20米甚至更深，火焰切割一般在十米以內；開采速度可以達到3—4m2/h，是火焰切割的2—3倍。③成材率高，綜合成本低。繩鋸的鋸縫只有約11mm，不會照成資源浪費，而火焰切割切面粗糙不平，鋸縫達到100—300mm，造成很大的資源浪費。④安全環保，繩鋸開采無噪音無粉塵，不影響環境，工人勞動強度低，安全性高。
　　金剛石繩鋸在建筑施工領域也得到了越來越廣的應用，相比爆破法或機械鑿除法，繩鋸切割法屬靜力切割，對需保留部分無振動無損傷，操作安全性高，特別是對超大體積的鋼筋混凝土構建的拆除，繩鋸切割法具有無可比擬的優勢。典型的應用案例見表1。
　　

　　
　　
　　

　　從20世紀90年代開始，為解決大尺寸硅棒的切割問題，采用了線鋸加工技術將硅棒切割成薄片，目前正經歷有采用裸露的金屬線和游離磨料加工向電鍍固結金剛石線鋸加工轉變的過程。據報道，固結金剛石線鋸由于不使用游離磨料，產生的切縫只比鋸絲大0.01—0.015，可以節約昂貴的單晶硅或多晶硅材料，同時生產效率大大提高，電力消耗顯著減少。
　　綜合上述，超硬材料及制品的出現，極大提高了硬脆材料加工領域的加工效率，降低了勞動強度，實現了加工過程中的節能減排。隨著我國新興產業的快速發展，必將為超硬材料及制品的發展拓展更廣闊的空間，超硬材料及制品行業也必將發展為我國戰略性的新興產業。
　　縱觀我國超硬材料及制品應用領域的現狀，在節能減排方面仍然會有很大的提升空間，具體體現在以下幾個方面：
　　（1）超硬材料制品盡量代替普通磨料制品
　　超硬材料的磨削效率遠遠大于普通磨料，用超硬材料制品代替普通磨料制品，可以極大推進目前普通磨料制品行業應用領域的高效加工和節能減排。在軸承磨削方面，采用立方氮化硼陶瓷砂輪取代碳化硅陶瓷砂輪，可提高效率；在建筑陶瓷拋光方面，開發金剛石磨塊替代傳統的碳化硅磨塊，磨削效率可提高30—40%，電力消耗可降低40%，排放最低可降至1%。
　　（2）干法加工工具質量發展緩慢，現階段，超硬材料制品工作過程大多需要冷卻液冷卻，原因是受產品性能的局限只有在冷卻條件下才能達到良好的加工效果。對于部分多空材料而言，往往會吸入大量的冷卻液而被污染或變質，造成很大的浪費。
　　（3）鉆切類工具工作部尺寸整體偏大，導致加工切縫寬、電力消耗大、加工效率不高，造成貴重材料的浪費，加工缺陷大、能源消耗大。如高檔大理石、單晶硅切割過程中因為金剛石工具工作部尺寸偏厚，不僅導致材料消耗大，而且加工質量下降，加工速度減慢，加工過程中電力消耗相對提高。
　　（4）產品鋒利性、穩定性不夠導致加工效率低、加工質量差、廢品多、電力消耗大，造成資源、能源、人力、時間的浪費。如高速公路、橋梁的維護與改造，因對交通的影響要求施工期盡量短并必須按期完工，但往往因為金剛石工具鋒利性不夠或者不穩定原因影響施工進度，延長施工時間，浪費人力和電力資源，造成很大的損失和浪費。
　　由此可見，從超硬材料制品應用角度分析，不僅現有產品在節能減排方面仍有很多的提升空間，而且在應用領域節能減排還有很大的拓展空間。
　　2.超硬材料制品生產制造過程節能減排潛力巨大
　　通過優化配方設計，開發應用新型燒結技術和裝備，可以大幅度地降低生產過程中的資源電力消耗，實現節能減排。
　　2.1優化配方設計，實現節能減排
　　配方設計是決定產品性能的基礎，包括各種原材料的比例、每種原材料的化學物理特性、元素引入的方式等方面。在配方設計過程中，直接成本概念較多地影響配方設計者更多的將注意力轉向價格低廉但質量穩定性較差的原材料（如還原鐵粉）。這類原材料往往粒度較粗、氧含量高，導致產品燒結困難（燒結溫度高）、性能低且波動性大，即浪費了大量的原材料、電力、人工等社會資源，同時又影響到應用領域的節能減排。采用超細、低含氧量的元素粉替代粒度較粗的元素粉或者在配方中實現超細預合金粉末，不僅可以降低燒結溫度，而且產品性能明顯提高，即實現了生產過程中節能減排，又實現了應用端的節能減排，綜合效益顯著。表2為奔朗公司用羰基鐵粉替代電解鐵粉應用于一款金剛石磨輪產品的經濟效益對比分析。

　　郭和惠在文獻中指出，若以中國年生產銷售百億人民幣的金剛石工具計算，約消耗鋼材、有色金屬10萬噸，金剛石4億克，電6億度，包裝材料11萬噸，砂輪5.2萬噸，油漆0.35萬噸，若全部生產“優級”金剛石鋸片，在保證銷售收入不變的情況下，至少可以節省50%的資源（鋼材、有色金屬五萬噸，金剛石2億克，電3億度，包裝材料5.5萬噸，砂輪2.6萬噸，油漆0.175萬噸），有此可見，優化配方設計，在節約資源、節能減排方面潛力巨大。
　　2.2 開發新型燒結技術和裝備，實現節能減排
　　燒結是決定產品性能的關鍵，也是超硬材料制造過程中耗能最多的環節，因此是節能減排的關鍵環節。
　　目前超硬材料制品行業主導的燒結方法是電阻熱壓燒結工藝，具有適應小批量生產、工藝調整靈活、燒結溫度范圍廣的特點，但熱利用率不高的缺點同樣突出，初步估算70%以上的熱量被浪費了。開發應用新型的模具材料可以有效降低熱壓燒結過程中熱量損失；開發應用熱等靜壓方法和無壓燒結法等先進燒結工藝能顯著降低燒結能耗，同時產品的質量穩定性更好，可實現燒結過程的節能減排。
　　2.2.1 新型熱壓模具材料
　　通過采用新型模具材料，提高保溫效果，可以有效降低傳統熱壓燒結過程中的點號。奔朗公司2010年上半年統計數據顯示，采用新型熱壓模具材料后，萬元產值電力消耗降低14%，半年節約用電140萬kw•h。
　　2.2.2 熱等靜壓燒結法
　　熱等靜壓燒結法（HIP）是當今世界生產金剛石工具的最低燒結技術，綜合了熱壓燒結及無壓燒結的技術優勢。這種一種以氮氣、氬氣等惰性氣體為傳壓介質，通常在900—1100℃和50—200MPa壓力共同作用下，對制品進行壓制燒結和致密化處理的技術。目前，由于綜合技術難度高、投資大，購買一臺熱等靜壓設備的一次性投資就超過千萬元，且維護費用昂貴，運行成本高，因此在世界范圍內僅有極少數技術資本雄厚的金剛石工具公司可以完全掌握HIP技術。國外成功的實踐表明，采用熱等靜壓技術代替傳統的熱壓燒結技術，生產效率大大提高，能耗、模具損耗大幅度降低，產品空襲少、致密度高，能全面提高金剛石工具的工作效率以及工作壽命。表3是公司在某款產品上開展的熱壓燒結與等靜壓燒結在能耗方面的比較。
　　

　　2.2.3 高溫無壓燒結技術
　　國外粉末冶金燒結技術的研究發現，高溫無壓燒結工藝對于那些在燒結工藝中出現液相的制品是更為適合規模生產的一種先進技術，在美國、日本、德國等工業發達國家已經被普遍采用。這種工藝綜合了無壓燒結及高溫燒結的技術優勢，在無壓的狀態下將燒結溫度提高到900℃以上，胎體材料具備優異的物理化學性能。采用高溫無壓燒結技術作為金剛石制品胎體材料的制備工藝，與傳統的熱壓燒結法相比，具有以下幾方面的優越性。
　　（1）可以解決制品的形狀問題，只要壓坯可以冷壓成型出來，通過高溫燒結，不僅可以達到燒結致密化的效果，而且由于整個工藝在均勻的溫度場中完成，可以保證燒結毛坯的形狀及尺寸精度，最大限度地減少燒結后的磨削加工余量。
　　（2）無壓燒結具有產量大、基本沒有模具損耗、能耗低、產品質量穩定的特點，適合于規模化生產。
　　本公司采用傳統的熱壓燒結法與高溫無壓燒結法生產某種金剛石刀頭的實施情況對比如表4所示。
　　

　　3 超硬材料制品應用領域節能減排前景廣闊
　　超硬材料制品通過技術改造以及不斷拓展其應用領域（尤其是替代普通磨料磨具）實現在應用領域節能減排的前景廣闊、空間巨大、近年來，在建筑陶瓷加工方式實現節能減排方面取得了很大的成效，表現為以下幾個方面：
　　3.1 金屬結合劑金剛石磨塊替代菱苦土碳化硅磨塊已經批量應用，并呈快速成長的發展趨勢
　　菱苦土碳化硅磨塊自上世紀80年代以來被廣泛應用于建筑陶瓷表面的研磨拋光，具有拋光效率高、適應廣的特點。但菱苦土結合碳化硅磨塊使用壽命很短，平均使用壽命只有1到3小時，每個磨塊的重量約1.1公斤，含碳化硅磨料約235克，氯鎂水泥850克，塑料卡座20克，其中的氯鎂水泥和碳化硅磨料完成磨削后變成了廢渣，伴隨產生大量廢水，并且產生的廢水呈弱堿性。據統計，我國一天要消耗1800000塊，折合423噸碳化硅，1530噸氧化鎂，36噸塑料，100噸包裝紙，同時意味著一天要產生2000噸的廢料及大量堿性廢水，并且需要每天超過2000噸的運輸量。碳化硅磨塊的大量使用造成了自然資源的過度開采和消耗。碳化硅磨塊的生產與使用均對環境造成了比較大的破壞。目前，氧化鎂作為自然資源已經被列為國家控制的不可再生的戰略物資，碳化硅作為高能耗、高污染物資也受到國家限制發展，因此開發應用金屬結合劑金剛石磨塊在節能減排方面具有重要的意義。
　　

　　磨削拋光過程中金剛石磨塊平均壽命提高100倍以上，磨削效率提高20%，消耗成本、電力消耗、排放污染物分別是普通磨塊的75%、60%、1%（如圖1）。
　　

　　3.2金剛石干法磨邊輪
　　用于內墻裝飾的釉面磚（俗稱“瓷片”）的四邊往往需要經過磨邊輪磨削加工獲得較精準的尺寸。常規的磨邊輪磨削時需要水冷卻，由于釉面磚的吸水率一般在20%左右，冷卻的同時釉面磚吸收了大量的水分，容易導致包裝物受潮而使釉面磚染色發霉，因此需要對吸水后的釉面磚進行干燥，要建專用的干燥窯，消耗大量能源。通過開發金剛石干法磨邊輪，實現無水冷卻磨削，可省去磚坯干燥過程，節約場地和能源消耗。上海斯米克的批量使用比較表明，使用干法磨邊輪磨邊，每平方米釉面磚可以節約天然氣0.3立方米，綜合加工成本每平方米節約0.56元。若以全國年產釉面磚13億平方米計算，每年可節約天然氣3.9億立方米（或相當于其它能源），節約費用7.28億元。
　　3.3 超薄陶瓷切割片
　　陶瓷切割用金剛石超薄鋸片的厚度一般在1.4以下，用于建筑陶瓷的分條、馬賽克、開槽等切割加工，與普通的切割金剛石鋸片相比（以1.2mm厚度的超薄片與2.0mm厚度的普通片為例），具有以下優點：
　　（1）能耗低。切割過程中，超薄片的電流要比普通切割鋸片降低45%以上。
　　（2）粉塵排放少。由于刀頭變薄，切割過程中的加工對象的去除量明顯減少，粉塵排放降低37%。
　　（3）效率提高。由于鋸片減薄，切割過程材料去除量、切削力量等減少，切割速度可以大大提高，加工效率明顯上升。
　　（4）噪音低。由于鋸片減薄，切割過程中的切削力減少，鋸片與加工對象之間由于摩擦產生的震動降低，噪音明顯下降。
　　4.展望與建議
　　金剛石工具的出現是人類工具史上的革命，不但極大減輕了人們的勞動強度，提高了工作效率，而且已經成為節能減排的“利器”，并將在更多領域節能減排方面發揮無可替代的作用。超硬材料制品行業必將成為節能減排不可或缺的基礎性行業之一，擁有廣闊的發展前景和美好的未來。
　　在超硬材料制品設計制造過程中，隨著新材料、新技術、新工藝、新設計的開發與應用，節能減排同樣大有作為。為引導企業更好地開展節能減排工作，建議協會和企業加強以下兩方面的工作。
　　（1）協會建立有代表性的不同類別產品的萬元產值（銷售值）的能耗評價指標，評價行業在節能減排方面的發展趨勢，促進企業的節能減排。
　　（2）企業內部要建立節能減排的評價考核體系，如萬元產值（銷售值）結合劑消耗標準，萬元產值（銷售值）結合劑能耗指標、萬元產值（銷售值）磨料消耗標準等，通過內部考核激勵，引導企業自主開展節能減排工作。
　　

　　【1】姜榮超，等.國外超硬材料工具的最新應用與進展（下）.超硬材料工程，2008，20（5）：42-48
　　【2】周銳，等.金剛石線鋸的研究現狀與進展，現代制造工程，2004（6）：112-114
　　【3】郭和惠.節能減排是金剛石工具制造行業必由之路.磨料磨具通訊，2007（12）：23-25
　　作者簡介：尹育航，男，1962年生，博士，高工，主持了十余項國家和省級項目，申請發明專利和實用新型專利二十多項，發表學術論文數篇。