中国超硬材料与制品的发展与思考

邹文俊(河南工业大学材料学院,郑州 450001)



中国超硬材料与制品的发展与思考

邹文俊
(河南工业大学材料学院,郑州 450001)

摘 要:以金刚石为代表的超硬材料凭借其他材料无可比拟的高硬度、高导热性等性能,在世界范围内得到迅速发展。文章通过对超硬材料与制品的国内外发展状况的研究,发现世界超硬材料产业总体发展趋势是向大单晶、纳米微粉、化学气相沉积(CVD)金刚石薄膜发展;制品向超高速、超高精度、超长寿命的加工工具发展。中国应该重点发展高品级大单晶及复合超硬材料、功能性元器件,新型磨削工具、刀具、锯切与钻进工具等高性能超硬材料制品,新型原辅材料,新型专用设备仪器,以及相关新材料及高端装备等。

关键词:超硬材料;发展;精密磨削;加工工具

超硬材料凭借其他材料无可比拟的优异力学、热学、光学、声学、电学和生物等性能,享有“材料之王”的美誉,它们不仅可加工世界上所有的已知材料,而且可制成性能极端的功能性器件,在诸多应用领域具有不可替代性。目前,超硬材料广泛应用于建材、建筑、机械、电子、地质钻探、石油开采、光学仪器、航空航天、国防工业、核工业等领域,超硬材料制品是先进制造业中数控机床、自动化加工线和智能化柔性加工中必不可少的配套加工工具,是21世纪大有发展前途的精密加工工具。当今,超硬材料及制品工业作为永远的朝阳工业,在国内外得到迅速发展,全世界产业规模估计约6000亿元,其中超硬材料约1000亿元,超硬材料制品约5000亿元。我国超硬材料及制品产业规模估计约1000亿元,其中金刚石和cBN单晶产量居世界首位(分别占全世界90%、60%),超硬材料制品所占比例较小,在10%至20%之间,高端制品产量更小,只占5%～10%。

随着超硬磨料逐步取代高耗能、重污染、低性能的普通磨料(主要是碳化硅和氧化铝类磨料)和普通硬质合金;高精密超硬磨具、研磨抛光工具、复合超硬刀具、高硬度复杂地层的勘探与钻井、海上油气田钻井用金刚石复合片钻头等市场空间逐步释放,将达数千亿元规模。单晶硅、多晶硅、卫星太阳能电池板、计算机芯片、航空仪表等高效精密加工市场空间正在迅速扩展。利用超硬材料声、光、电、热、力等优异的物理性能,许多新应用领域还将不断涌现。

1　国内外发展现状

国外超硬材料产业高度集中,金刚石和立方氮化硼(cBN)单晶、聚晶、微粉、CVD膜等全系列产品90%以上集中在美国DI公司(Diamond Innovation)、欧洲跨国集团元素六公司(Element Six)等,主要采用年轮式两面顶超高压合成装置,单晶金刚石单次产量大(3000克拉)、品级高(高品级所占比例高达60%)、粒度好(达到20/25目),产品占据高端市场;能够生产直径为100mm的大尺寸金刚石聚晶复合片(PDC)、立方氮化硼聚晶复合片(PcBN),应用于金刚石、cBN刀具,在世界上处于领先地位。国外超硬材料制品产业,主要分布于欧美和日韩等发达国家,占全世界市场份额80%以上。以欧洲跨国集团泰利莱公司(Tyrolit)、德国温特(winter)公司、法国圣戈班集团(Saint-Gobain)、日本旭金刚石工业株式会社(Asahi)为代表的国外企业,生产制造的超硬材料磨具、刀具、锯切和钻进工具等,具有超高速度、超高精度、高效率、高耐用度等特点,广泛应用于现代制造业,占据了世界高端市场。

近年来,随着我国六面顶压机大型化和合成技术的发展,黄河旋风、中南钻石、华晶、富耐克等企业部分产品达到世界一流水平,迫使老牌国际巨头所占市场份额逐步萎缩。我国已成为全球最大的超硬材料单晶生产国,2015年我国金刚石单晶产量超过170亿克拉,占全球总产量90%左右;立方氮化硼(cBN)产量超过6亿克拉,占全球总产量60%左右。超硬材料制品领域,国内发展相对滞后,占全球比例较小(低于20%),其中高端制品(高效耐用锯切和钻进工具、高效精密刀具和磨具)差距更大,不足10%。目前制品产品结构中,主要应用于建材建筑的锯切和磨削工具用的金刚石约占总量的50%,机械及电子行业加工用于磨具、刀具和线锯用的金刚石约占25% ～30%,地质钻探、矿物采掘和工程钻进工具用的金刚石约占15%～20%,其它用于其他用途的超硬材料工具。

从超硬材料及制品所占比例可以看出,中国超硬材料与制品发展不协调,单晶所占比重较大,制品发展相对滞后;高低档产品比例不合理,中低档产品多,国际领先的高端产品少;制品种类构成不齐全,刀具开发起步较晚,锯切、钻进工具规模不大,各类制品系列化程度不高。目前超硬材料产业利润主要集中在制品领域,全球高端复合超硬材料及制品主要由美、德、日等国家的DI、E6、Winter、住友等国际领先企业控制,占据高端市场份额的80%以上。随着国内科研院所和企业研发水平不断提高,高端产品的技术壁垒逐渐被打破,国内原创高新产品不断涌现,所占世界高端市场份额将会逐步增加。例如2013年燕山大学田永君教授使用类似洋葱结构的氮化硼微粒在1800摄氏度、15GPa下成功合成cBN纳米晶,这种新型超硬材料维氏硬度达到108 GPa,是商用立方氮化硼硬度的两倍,其耐热性也比现有cBN高200度以上,显示出巨大的潜在应用价值。

2　国内超硬材料及制品面临的机遇

“没有金刚钻,别揽瓷器活”。《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》明确指出:“发展大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件,改变大型、高精度数控机床大部分依赖进口的现状,满足机械、航空航天等工业发展的需要。”只有掌握高端超硬材料及制品核心科技,才能从根本上解决我国高精密数控装备的落后现状。为了实现高端装备业,特别是航空航天、IT制造、高铁等高精尖科技产业的快速发展,我国必须投入必要的人力物力,在以下方面联合相关高校、科研院所和企事业单位协同攻关,自主研发精密和超精密加工工具技术,为我国高端制造业达到世界先进水平提供技术支撑。

(1)航空发动机及其叶片的超精密加工技术。航空发动机是飞机的“心脏”和动力的源泉,“心脏病”的问题,一直是困扰中国航空工业发展的瓶颈。虽然我国每年都投入大量人力物力研制国产发动机,但“中国军方对国产太行发动机质量很愤怒”,我国新型战斗机(歼10、11、15、20、31)和大飞机依然缺少一颗强劲的“中国心”,发动机90%以上依赖进口。加工航空发动机及叶片关键零部件要求精度小于1μm、表面粗糙度小于100nm、工件表面残余应力小且加工工具使用寿命长。这些都迫切需要研发高速磨削工具、高效超硬复合刀具和高精珩磨工具技术,运用车削、铣削、磨削、钻削、软抛等复合加工技术,满足航空发动机超精密加工的需求。

(2)大规模集成电路单晶硅晶片的平坦化技术。2013年我国大规模集成电路芯片进口额(2313亿美元)首次超过石油(2196亿美元)。中国每年制造约11.8亿部手机,3.5亿台计算机,1.3亿台彩电,都是世界第一,但80%以上芯片依靠进口,造成中国空“芯”。芯片加工的关键问题是表面精度要求极高,微粗糙度需达到0.1～1nm,不平坦度10nm。超精密加工已成为制约中国芯片发展的瓶颈,急需研发纳米金刚石抛光液、超精密研磨工具等关键技术,并带动IT、LED、光伏产业及智能终端制造业的超精密加工。

(3)高铁轨道的高速精密修磨技术。2015年中国高铁总里程超过16000公里,占世界高铁总长的一半。高铁已经成为中国递向世界的一张“名片”。根据国家《中长期铁路网规划》,2020年全国铁路营业里程将达到12万公里。高铁的四大核心技术是高速机车技术、路轨技术、隧道技术和运行与控制技术。高速路轨技术要求轨道板磨削高度差小于0.2mm精度,钢轨的磨削精度也要达到0.1mm。高铁建设与日常维护需要大量高速轨道板专用磨削机床和高速轨道修磨机车,以及与之配套的高速、高效修磨轨道板金刚石砂轮和修磨轨道树脂砂轮。

(4)汽车发动机及其关键零部件的精密加工技术。2015年中国汽车产销量超过2460万辆,连续7年蝉联全球第一,但是,目前我国汽车行业所需的超精密制造工具75%以上依赖进口,装备制造关键零部件、汽车发动机等相关企业的发展受超精密制造技术的严重制约。急需突破高效PCD、PcBN刀具,高速砂轮、精密珩磨工具制造技术,提高关键汽车零件的精度,从而可使汽车磨合期缩短1/3～1/2,使用寿命提高10%～20%,机油消耗降低,排放指标从欧Ⅲ、Ⅳ提高到欧Ⅴ、Ⅵ。

(5)智能手机、蓝宝石单晶屏等关键部件的精密研磨抛光技术。2015年中国手机产量超过16亿部,采用蓝宝石单晶屏与钛合金、7系铝合金外壳等难磨材料的下一代智能手机即将投产,要提高生产效率,必须开发超硬材料精密加工工具。然而,相关的超硬刀具及精密磨削工具80%以上却依赖进口,智能终端生产过程中的大部分利润流向国外的工具制造企业。“设计在美国,工具用德日,组装在中国”的生产模式急需改变,超硬材料与制品技术是突破这一模式,实现电子加工行业转型升级的关键技术之一。

超硬材料及制品生产技术是发展高精度、高品质超精密制造工具的关键技术。急需协同国内高校、科研院所、生产与应用企业联合攻关,突破高品级大单晶及复合超硬材料、超硬材料功能性元器件、高速高效精密磨具、高精高效超硬材料锯切与钻进工具、超精密抛光磨具等关键技术,实现我国航空、汽车、电子等支柱产业的转型升级,同时促进机械、轴承等行业发展

3　中国超硬材料发展的几点思考

“工欲善其事,必先利其器”。2015年我国进口高端机械装备及配套制造工具3500亿美元,其中高速磨具、高效刀具、超精密研磨抛光工具主要依赖进口。国内在超硬材料及制品的自主创新方面面临的主要困难是:

(1)高档数控机床磨具的加工速度问题。高档数控机床要求将超硬磨具的使用线速度从现有80～120m/s提升到200～250m/s,因此,必须解决高性能结合剂的系统设计与合成技术、高强度基体的轻量化、高性能磨具组织结构的均匀性问题。

(2)金刚石及立方氮化硼复合刀具的加工效率问题。金刚石/cBN复合刀具要求实现车削速度从现有的80～100m/s提高到150～210m/s,加工工件表面粗糙度小于50 nm,实现以车代磨。因此,必须解决细粒度金刚石/立方氮化硼制备与提纯技术,复合刀具在高速状态下的冲击与耐磨性,复合超硬材料在高温超高压极端条件下合成机理问题。

(3)研磨抛光工具的加工精度问题。超精密研磨抛光要实现被加工工件表面粗糙度达到1～5nm,就必须解决纳米金刚石和氧化铈制备提纯分级技术,揭示抛光剂与被加工工件相互作用机理,探索化学机械抛光(CMP)基本理论与影响规律。

为解决以上问题,因此,我国应该重点发展高品级大单晶及复合超硬材料、功能性元器件,新型磨削工具、刀具、锯切与钻进工具等高性能超硬材料制品,新型原辅材料,新型专用设备仪器,以及相关新材料及高端装备等。具体如下:

(1)高速磨削工具技术。以航空发动机、高铁轨道板和钢轨、汽车关键零部件等高速加工为需求,研究并开发高速陶瓷磨具、树脂磨具、金属磨具制备技术,研究树脂和金属或陶瓷复合对高速树脂磨具微观结构的影响,研究高强度低温陶瓷结合剂和结构均匀性技术,提高树脂磨具的耐热性,开发高速陶瓷磨具、树脂磨具、金属磨具制备技术,实现高速、高效磨削加工。最终实现高速、高效磨削加工,要求高速陶瓷磨具、树脂磨具、金属磨具使用速度分别达200～250m/s、100～130m/s、120m/s以上。陶瓷磨具使用线速度从80～120m/s基础上提升到200～250m/s,实现低温陶瓷磨具的高速应用。树脂磨具使用速度从60～80m/s提升到100～130m/s,实现高温树脂磨具的高速应用。开发高速金属磨具,分别在使用速度为120～150m/s和250～300m/s实现烧结和电镀磨具的高速应用,满足航空发动机、高铁轨道板和钢轨、汽车关键零部件等高速加工的需求,技术达到国际先进水平。

(2)高效金刚石及立方氮化硼复合刀具技术

以汽车零部件、飞机发动机、电子工业用电路板等超精密高效加工为需求,以高强度金刚石与立方氮化硼微晶、高品质金刚石、立方氮化硼复合片为研究目标,研究高温高压无触媒条件下六方氮化硼直接转化合成高强度立方氮化硼微晶、石墨直接转化合成高强度金刚石微晶;开发高品质金刚石、立方氮化硼复合片超精密刀具制备技术,最终实现高效、超精密、以车代磨加工,具体指标达到工件表面粗糙度小于50 nm,车削速度大于210 m/s。

研究高温高压无触媒条件下六方氮化硼直接转化合成高强度立方氮化硼微晶、石墨直接转化合成高强度金刚石微晶技术,开发高品质金刚石、立方氮化硼复合片超精密刀具制备技术。重点突破细粒度(平均晶粒尺寸小于2μm)、高精度加工用金刚石和cBN复合片合成技术,合成金刚石和cBN复合片直径达到120mm以上,金刚石复合片的磨耗比为常规硬质合金刀具的500倍以上。突破纳米金刚石聚晶合成技术,合成聚晶晶粒尺寸为20～50 nm。

实现高温高压直接转化法研发制备高强度金刚石与立方氮化硼微晶的规模化生产,制备的微晶硬度与其单晶相似、断裂强度比其单晶高2～3倍。实现高效、超精密、以车代磨加工。满足汽车零部件、飞机发动机、电子工业用电路板等超精密高效加工的需要。技术达到国际先进水平。

(3)超精密研磨抛光技术

以大规模集成电路芯片、新型半导体材料LED、蓝宝石晶体、SiC晶体、多晶硅、单晶硅、光纤接插件等超精密研磨抛光,以及飞机叶片、汽车凸轮轴等超硬砂带精密磨削和汽车、飞机发动机汽缸超精密珩磨技术为研究目标,研究爆轰法纳米金刚石制备、分级与提纯技术,超细稀土氧化铈抛光液制备技术,硅溶胶CMP抛光液制备技术。开发聚脂薄膜基金刚石、氧化铈、碳化硅砂带(盘)以及超精密汽缸珩磨条制备技术,最终实现被加工表面表面粗糙度达到0.1～50nm。

在前述的研究爆轰法和机械法纳米金刚石制备、分级与提纯技术,超细稀土氧化铈抛光液制备技术,硅溶胶CMP抛光液制备技术基础上。研制高纯度纳米多晶金刚石,实现10～30nm、30～50nm、50～80nm、80～100nm的精密分级。研究金刚石精密抛光膜、金字塔砂带、重负荷砂带等多项技术,实现复杂型面薄壁结构件的超精密磨削加工,飞机叶片、汽车凸轮轴等表面精度和质量达到30～50nm。加工航空发动机及叶片关键零部件要求精度小于1μm、表面粗糙度小于100nm。

研发制备纳米金刚石、超细氧化铈、硅溶胶抛光液等流体磨料,可在先进电子制造、功能晶体、LED衬底晶片、液晶平面显示技术等领域开展广泛应用,实现芯片、硬盘磁头、盘片、晶片的纳米、亚纳米级平整度的研磨抛光,波纹度和粗糙度小于0.1nm。

(4)超硬材料功能性元器件

研究纳米金刚石生物相容性,使其在医药、生物材料等领域更具有潜在的应用价值,采用CVD法以及钻/金复合等技术开发金刚石薄膜等功能性超硬材料,制备各种具有特殊声光电热性能的功能元件和器件。

实现CVD金刚石膜等在大规模集成电路、激光窗口、热沉元件、介电射频元件、人体关节、发声发光、MESM微机电系统等功能性应用。富勒烯、纳米金刚石等在太阳能电池、生物材料、分子导线、非线性光学器件等领域的应用获得突破。技术水平达国际先进。

(5)超硬材料专用设备仪器开发

研究开发采用智能控制系统的新型大腔体六面顶压机成套设备及金刚石规则排列快速成型设备、线锯制造专用成套设备、工具专用激光焊接等设备;开发现有超硬材料制品、普通磨具的全自动化生产线;研发金刚石锯片钢模自动热压设备及流水线生产成套设备,开发功能性元器件检测仪器、热冲击韧性检测仪、超高速砂轮回转机、锯片结合强度检测仪、应力检测校正仪、线锯质量检测仪及其它超硬材料质量控制专用仪器等。

开发出超高压六面顶压机成套设备,解决金刚石在钢线上以及其他基体上的有序排列问题,开发出符合国内行业进步和发展的专用检测设备,相关技术标准和检测仪器设备达到国际先进水平。

4　结束语

世界超硬材料产业总体发展趋势是材料由普通单晶、微粉向大单晶、纳米微粉、化学气相沉积(CVD)金刚石薄膜方向拓展;制品在现有工具类产品(磨削、切削、锯切、钻进工具)的基础上,向超高速、超高精度、超长寿命的加工工具发展,呈现专用化、系列化特点,并进一步向具有特殊声、光、电、热性能的功能性元器件方向发展;生产过程向操作自动化、控制智能与精细化以及绿色化方向发展,将进一步提高生产效率、产品质量及其稳定性、经济效益和社会效益。

我国超硬材料产业未来的发展主流是大力发展超硬材料制品,主要包括金刚石和cBN的精密磨具、刀具、高效耐用切割工具、钻探工具等各种新型加工工具,趋向专用化、系列化、标准化。此外,具有超高速度、超高精度、超长寿命等特点的超硬材料工具新品种将不断涌现。

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山东临沂金刚石储量占全国一半

从山东金刚石找矿座谈会上获悉,从1965年该省发现中国第一个具有工业价值的金刚石原生矿至今50年间,临沂累计查明金刚石资源储量1235.39万克拉,约占全国查明总量的50%。

1965年8月,山东省第七地质矿产勘察院(简称“七院”)的前身——沂沭地质队在蒙阴常马庄发现了中国第一个金伯利岩脉“红旗1号岩脉”,结束了中国没有金刚石原生矿的历史。在此基础上,1970年,蒙阴建成我国第一座大型金刚石原生矿矿山。

目前,临沂市有金刚石原生矿2处,金刚石砂矿4处。2014年,临沂市被正式命名为“中国金刚石之都”。

临沂地下为何有这么多珍贵的金刚石矿藏?据介绍,金刚石是地下岩浆活动的结晶,其主要成分是碳。碳元素在地层深处受到高温高压作用发生蜕变,结晶成结构牢固的矿物晶体,遇到火山活动时,碳晶体突破地壳喷出,附存于一种名为金伯利岩的岩石中。临沂地处中国东部最大的断裂带——郯庐断裂带上,该断裂带的地质活动曾经十分活跃,有利于金刚石的形成。 (环球财经网)

Development and Reflection of China's Superhard Materials and Products

ZHOU Wen-jun
(School of Materials,Henan University of Technology,Zhengzhou,China 450001)

Abstract:Superhard materials,represented by diamond,have been rapidly developed worldwide by virtue of their incomparable properties such as high hardness,high thermal conductivity,etc.The study of the domestic development status of superhard materials and products reveals that the global development trend for superhard materials industry is towards large single crystal,nano powder and chemical vapor deposition(CVD)diamond film;and for products,is towards processing tools with ultra-high speed,ultra-high precision and ultra-long service life.China should focus on the development of high grade large single crystal and composite superhard materials,functional components and parts, new type of grinding tool,cutter,sawing and drilling tools,new type of raw and auxiliary materials,new type of special-purpose equipment and instrument and relevant new materials and high-end equipment,etc.

Keywords:superhard materials;development;precision grinding;processing tools

作者简介:邹文俊(1961-),男,教授,河南工业大学材料学院院长,在国内外重要刊物上发表论文百余篇。

收稿日期:2016-02-26

中图分类号:TQ164

文献标识码:A

文章编号:1673-1433(2016)02-0045-05

引文格式:邹文俊.中国超硬材料与制品的发展与思考[J].超硬材料工程,2016,28(2):45-49.