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    新亚PDC凭什么强——我看郑州新亚

    2008-01-26 作者:肖世强
      郑州新亚作为金刚石复合材料的行业领袖(至少目前如此),依托郑州三磨所发展而来,占尽天时地利人和的资源优势,新亚的发展史从一个侧面反映了中国金刚石复合片的发展历史。

      郑州新亚超硬复合材料有限公司是国内同行的领先企业。2007年底郑州新亚的赵云良发表了《金刚石复合片及其石油、天然气钻头的发展概况》主题报告,这是一篇关于金刚石复合片及其钻头的技术发展简史,从这个报告中我们全面了解了金刚石复合片三十年的技术发展历程。郑州新亚作为金刚石复合材料的行业领袖(至少目前如此),依托郑州三磨所发展而来,占尽天时地利人和的资源优势,新亚的发展史从一个侧面反映了中国金刚石复合片的发展历史。新亚源于研究所又不局限于研究所,最终成为一家成功的企业,这不光有机遇和技术人才优势的原因,它的技术发展轨迹很值得我们学习。

    一、从技术积累/文献看新亚

      新亚是1991年三磨所与外商建立的合资企业,其建立之初的技术源头源于三磨所的积淀,后来的技术支持一定也和三磨所有关。以下是以三磨所和新亚名义公开发表的和金刚石复合片相关的部分论文,时间跨度从1976年到2005年,由于考虑到新亚和三磨所的亲密关系,没有将论文按发表机构分开排列和分析。

      第一类:工艺装备

        六面顶压机用顶锤疲劳破坏的初步分析 1976年

        超细WC—Co硬质合金顶锤试验 1981年

        超硬材料专用设备及仪器经验交流会简介 1984年

        合成金刚石用六面顶压机的改造 1990年

        六面顶硬质合金顶锤最佳几何参数的选择 1991年

      第二类:基础原理

        立方氮化硼单晶的生长方法 1980年

        微米级晶粒度金刚石烧结体的研究 1984年

        金刚石—硬质合金复合片在石油、地质钻探中的应用 1987年

        不同添加剂对超细晶粒度金刚石烧结体组织和性能的影响 1992年

        金刚石—硬质合金复合片的耐热性能 1987年

        金刚石表面金属化 1991年

        金刚石-立方氮化硼新型复合材料的研制 1992年

        新型传压介质的研究 2001年

      第三类:质量检测技术

        金刚石复合片主要缺陷及产生的原因讨论 2001年

        对国内金刚石复合片(PDC)耐磨性测试方法的探讨 2001年-(缺口尺寸测量法)

        PDC抗冲击性及耐磨性的测试与研究 2002年-(钻头实地试验法)

        PDC磨耗比检测中称重问题的探讨 2003年

        PDC的超声检测 2004 年

      第四类:刀具相关

        多晶金刚石(PCD)刀具技术 1992年

        金刚石刀具(PCD)在强化复合地板中的应用 1998年

        CVD金刚石厚膜刀具的耐磨性试验 1999年

        强化复合地板加工用金刚石刀具的研制及应用 1999年

        金刚石刀具及切削有机复合材料磨损状况的研究 2000年

        PCD、PCBN 切削刀具的发展浅析 2003年

        绿色切削与PCBN刀具切削技术 2004

        超硬材料刀具的特性及应用 2005年

      以上论文主题涉及了工艺装备、原理研究、检测技术和刀具方面,而前三个主题正好形成了一条完整的产品技术链。如果忽略1992年这个时间原点,把三磨所和新亚的历史衔接起来,正好呈现了一段很清晰的技术发展脉络。可以看到,工艺装备和基本原理的基础研究工作在1992年之前基本已经完成了。1992年之后到2000年左右,即新亚成立后的几年,比较安静,没有文章可见。2000年后,发表最多的文章是关于产品检测技术的,说明新亚进入了一个特殊阶段,这一阶段他们对产品质量评价的置信度非常关注,表明产品的层次已经提高,旧有的检测技术体系已经无法满足需要。这个阶段的工作表明新亚真正完成了从研究所到技术型企业的转变。

      早期的基础研究工作为新亚的技术发展做了很好的积累。工艺装备方面的研究工作包括压机能力和顶锤尺寸设计,这是产品制造所需的最基本条件。产品基本原理方面的研究工作涵盖了晶体生长、晶粒度影响、结合剂的对比、烧结行为、微观结构、产品应用等方向,非常全面,为合成产品工艺指明了方向。

      值得注意的是,新亚在2000年左右之后对产品检测技术的重视程度非常高,从发表的文章来看,检测工作应当是由赵大钢领衔的,检测方向包含了合成后的外观、耐磨性、抗冲击性、C超。在耐磨性检测方面,可以看出他们也经历了磨耗比“称不准”的痛苦,进而寻求更科学的测量方法,实现对产品性能差异的“放大”。2002年发表的《PDC抗冲击性及耐磨性的测试与研究》提出用模拟钻井的方法来检验PDC质量,其思路是,不仅需要对PDC质量进行合理的评价和检测,并且不同类型的PDC在不同结构的钻头上是否达到合理的使用也需要验证,这说明此时新亚对产品个性化设计和评价的思路已经初步形成。诚如报告中所说,新亚对产品质量的重视到了无以复加的程度,检测范围包括烧结外观、加工外观、界面结合情况、厚度均匀性、耐磨性、抗冲击性等,反映了新亚注重细节关注差异的态度,同时,全面性的和高置信度的产品检测体系成为新亚产品技术链中非常重要的一个环节,为其产品设计提供强有力的依据支持。

    二、从产品的构成和发展看新亚

      新亚的金刚石复合片主要产品系列有:

      1.MC 系列,是新亚公司中期开发研制的非平齿PDC,金刚石层厚度约0.9mm。齿型由宽度和深度不同的纵向齿组成,主要为小规格产品:1308、1303、1008、0811、0808、0803 等。

      2.RTC 系列,非平齿PDC,是新亚公司1999年研制的应用与石油钻头用的高端产品。是近几年国内PDC市场中主力产品,市场占有率最高,产品技术成熟,性能稳定优异,在国内和国际市场中均有令客户普遍满意的表现。RTC产品金刚石厚度达1.7mm(局部2.5mm),最适合应用于软-中软地层的石油钻探。具有优秀的耐磨性,抗冲击性,耐热温度为650°。可提供13mm/16mm/19mm各个尺寸的产品。

      3.RNC 系列,网状齿结合面,是2004 年研制成功的新一代高端产品,是目前国内最先进的PDC产品,同时达到了国际水平,产品品质接近目前世界最先进的高端产品。金刚石层厚度增加到2.0mm,抗冲击强度较之以往产品明显提高,耐热温度提高700 度。

      从新亚三代产品的特点可以看到它们在以下方面发生了明显演变:

      1.结合面结构从简单到复杂:从单向槽型到网状齿型,增加了结合面积,提高 结合强度,同时改善了受力的方向性,从而可以获得更高的抗冲击能力;

      2.金刚石层厚度的增加:从0.7到1.7,再到2.0,金刚石层厚度的增加,不但可以提高金刚石层的抗破损能力,还提高了整产品的抗研磨能力,延长了产品的使用寿命。

      3.产品性能方面:耐热性不断提高,达到700度;耐磨性也不断提高。

      从新亚公开的资料中还可以看到对一些新技术的应用:

      1.原材料的选用进行了改进,选用了更高级别的金刚石微粉;

      2.采用新型的硬质合金,提高了焊接强度;

      3.改进了烧结腔体的内部结构,使压力和温度更均衡(这点对于PDC 烧结工艺尤为重要);

      4.采用新的超级耐热金属,避免烧结过程的腐蚀;

      5.调整了烧结过程工艺,提高了PCD 层中金刚石-金刚石键的结合强度。

      分析新亚的产品,发现在产品功能性的设计,即产品概念方面,新亚并没有提出新奇的观点,产品性能的要求集中在耐磨性、抗冲击性、热稳定性方面,都是行业的共识,新亚过人的地方在于为实现这些功能要求所做的细节改进,这些工作几乎是全方位的,涵盖原材料选用、基体结构、合成环境改善、微观组织控制等,它们的对应关系是:

        金刚石微粉——改善强度、热稳定性(是否还有改善烧结的因素?)

        基体材料——改善钎焊强度、基体支撑强度

        基体结构——提高结合强度,改善抗冲击性能

        金刚石层厚度——提高金刚石层强度,延长寿命

        合成腔内环境——改善温度、压力分布,改善烧结,改善应力

        料杯材料/保护材料——防止污染,改善烧结,提高材料纯度、强度、热稳定性

        烧结工艺——控制烧结行为,改善微观组织,改善应力,提高强度

      以上项目可以划分为三类:材料、结构、过程,共同实现对产品功能的支撑。从新亚产品的进化和技术的改进创新过程,可以感受到他们对现状的不满足和对自我的大胆怀疑和大胆否定的精神,这是推动新亚不断探索不断超越的原动力。

    三、新亚给我们的启示

      1.金刚石复合片技术是一个复杂的体系,需要多方面技术的支持。新亚的发展告诉我们一套产品技术的积累过程应当是这样的:产品概念的生成→所需设备、工装硬件能力的建设和匹配设计→产品原理的探索和验证→评价和检测体系的建立→改进→更新的产品。这些条件和过程是环环相扣的,任何一项的缺失都不可能为产品设计和制造提供 有力的支撑。新亚今天能够持续地高速地发展,推陈出新,它已经建立了完整的技术体系,积累了丰富的技术沉淀,而且能够不停息地循环运行,能够不断创造出新的知识。

      2.对待技术的态度——关注细节,关注差异。前提是具备对产品全面而清晰的认知和相应的评价和检测水平。新亚所关注的焦点,在产品应用层面上也许比我们高明不了太多,但是他们能够做到把功能层面的需求分解到构成产品的各个细节,并且想尽办法“放大”这些细节的差异。

      3.新亚对待产品的定位——个性化/或适宜性,引用新亚自己的话说,就是要为客户“提供最优化的解决方案”。不论是产品对地层的适应性,还是工艺方法对产品的适应性,新亚都在做积极的探索,它的技术是完全的“动态”的,只有不断地追求,怀疑,否定,才会找到更适合的方法。

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