推動(dòng)我國超硬材料制品向高端發(fā)展（下）①

呂 智，鄭 超，林 峰，王進(jìn)保，謝志剛

（1.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心；廣西桂林541004；2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西桂林541004）

推動(dòng)我國超硬材料制品向高端發(fā)展（下）①

呂 智1，2，鄭 超1，林 峰1，王進(jìn)保1，謝志剛1，2

（1.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心；廣西桂林541004；2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西桂林541004）

“十二五”期間將是我國超硬材料制品產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要機(jī)遇期，這將加速我國超硬材料制品產(chǎn)業(yè)向世界強(qiáng)國行列邁進(jìn)。文章綜述了我國超硬材料制品的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了近年來我國激光鋸片、繩鋸、超高速磨具、高性能玻璃磨輪等傳統(tǒng)產(chǎn)品性能向高端發(fā)展、在國內(nèi)市場(chǎng)逐漸取代甚至完全取代進(jìn)口產(chǎn)品以及進(jìn)入國外市場(chǎng)的一些情況。闡述了“十二五”期間值得重點(diǎn)投入研究開發(fā)的幾類超硬材料制品及創(chuàng)新技術(shù)。通過這些介紹，期待對(duì)行業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、新產(chǎn)品和新技術(shù)開發(fā)起一定的引導(dǎo)作用。

超硬材料制品；機(jī)遇期；綜述；技術(shù)創(chuàng)新；高端制品

3 “十二五”期間應(yīng)重點(diǎn)向高端發(fā)展的幾種超硬材料制品

3.1 固結(jié)金剛石線鋸

固結(jié)金剛石線鋸與傳統(tǒng)的游離式碳化硅切割線相比具有切割效率更高、切縫更小、被加工工件的表面質(zhì)量更高和表面損傷更小、低碳環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)，因此它將逐漸替代鋼絲游離式線鋸，成為降低光伏產(chǎn)業(yè)晶硅切片加工成本的重要手段，其在藍(lán)寶石、陶瓷等硬脆材料的多線切片加工方面的應(yīng)用也十分成功。近年來全球市場(chǎng)需求量和產(chǎn)量穩(wěn)步增長(zhǎng)，見圖8所示。

圖8 2005～2010年全球金剛石線鋸需求量及產(chǎn)量Fig.8 The demands and yields of global diamond wire saw in 2005to 2010

目前，國內(nèi)金剛石線鋸制造技術(shù)與德國、日本等發(fā)達(dá)國家相比仍有很大差距，主要是產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，還不能用于多晶硅薄片切割，且切割產(chǎn)品有劃痕產(chǎn)生。圖9為國產(chǎn)Φ0.25mm金剛石線鋸，圖10為國產(chǎn)多線鋸機(jī)在切割藍(lán)寶石。

圖9 國產(chǎn)金剛石線鋸（φ0.25mm）Fig.9 Domestic diamond wire saw

為促使國內(nèi)金剛石線鋸的技術(shù)進(jìn)步，需要加強(qiáng)以下幾方面的研究：①進(jìn)一步減小金剛石線鋸線徑（小于Φ100μm）；②完善電鍍金剛石線鋸的均勻上砂技術(shù)；③完善金剛石長(zhǎng)線鋸的直徑公差控制技術(shù)；④完善金剛石環(huán)線鋸的接口焊接技術(shù)；⑤開發(fā)國產(chǎn)線鋸機(jī)（長(zhǎng)線及環(huán)線）。

圖10 國產(chǎn)多線鋸機(jī)在切割藍(lán)寶石Fig.10 Domestic multi-wires saw machine in cutting sapphire

3.2 適用于高效高精加工的PCD、PcBN及其刀具

PCD、PcBN刀具兼?zhèn)涑膊牧系挠捕取⒛湍バ约坝操|(zhì)合金的韌性，紅硬性高，化學(xué)穩(wěn)定，被加工工件表面光潔度高，刀具壽命長(zhǎng)，甚至能實(shí)現(xiàn)“以車代磨”，是傳統(tǒng)刀具最理想的替代工具，是實(shí)現(xiàn)高效高精加工的新型工具材料。圖11為超硬復(fù)合刀具材料，圖12為超硬復(fù)合刀具。

圖11 超硬復(fù)合刀具材料Fig.11 Superhard composite tool materials

圖12 超硬復(fù)合刀具Fig.12 Superhard composite tools

據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)調(diào)查［4］，2011年國內(nèi)刀具復(fù)合片市場(chǎng)規(guī)模約為15億元，預(yù)計(jì)未來兩年增速將保持45%以上，2015年將達(dá)66億元。

從世界產(chǎn)業(yè)格局看，國外復(fù)合片生產(chǎn)企業(yè)仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，控制了國內(nèi)約90%的市場(chǎng)。目前國內(nèi)企業(yè)在高端復(fù)合片與制品生產(chǎn)方面技術(shù)比較落后，不能生產(chǎn)穩(wěn)定的高品質(zhì)產(chǎn)品。近年來國內(nèi)在生產(chǎn)技術(shù)、切割技術(shù)、刃磨技術(shù)等方面提高很快，制備高檔超硬刀具的條件日趨成熟。但仍需加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的工作：①加速PCD、PcBN及其刀具產(chǎn)品的系列化開發(fā)工作。國外刀具復(fù)合片產(chǎn)品系列化技術(shù)已經(jīng)成熟，適用于不同加工對(duì)象的規(guī)格品種不斷增加。②細(xì)化晶粒，提高PCD、PcBN及其刀具產(chǎn)品的耐磨性、抗沖擊韌性和可加工性。目前日本住友、元素六等公司均推出了粒度2μm甚至0.5μm以下的細(xì)粒度產(chǎn)品，而俄羅斯微硼公司對(duì)外宣布已成功合成出納米級(jí)的PcBN復(fù)合片。③質(zhì)量?jī)?yōu)化、性能均一化技術(shù)的開發(fā)。國外優(yōu)質(zhì)超硬刀具材料（Ф50.8mm產(chǎn)品）性能均勻較為穩(wěn)定，據(jù)報(bào)道其顯微硬度的最大差值可控制在15%之內(nèi)，而國內(nèi)即使直徑Ф22mm的刀具材料性能均勻性也較差，中心與邊緣的磨耗比差可達(dá)30%。

3.3 小直徑繩鋸及多繩鋸機(jī)

金剛石繩鋸用于礦山開采，取代了黑火藥爆破，石材出材率由30%提高到了90%，有效扼制了資源破壞、浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境污染、破壞及安全問題，用于拆除建筑物，能有效避免建筑物報(bào)廢和對(duì)周邊建筑物傷害及人員傷亡（小直徑繩鋸（≤7.2mm）及多繩鋸進(jìn)行石材板材切割，見圖13所示）。

圖13 多繩鋸機(jī)切割花崗巖板材Fig.13 Multi-wire saw machine cutting granite

近年來，國際金剛石繩鋸市場(chǎng)需求量穩(wěn)步上升，有專家估計(jì)今年有望超過600萬米，而我國的出口量不足40萬米，還不到國際市場(chǎng)需求的1／10，這意味著市場(chǎng)潛力還很大。多繩鋸機(jī)用小直徑串珠繩鋸（Φ7.2mm以下）是目前國內(nèi)廠家的攻關(guān)重點(diǎn)，目前還不能穩(wěn)定的批量出口，但市場(chǎng)需求增長(zhǎng)很快。小直徑串珠繩鋸制造是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要從原料、結(jié)構(gòu)、工藝等多方面研究探索，重點(diǎn)的研究應(yīng)在以下幾個(gè)方面：①小直徑鋼絲繩材質(zhì)的選擇，解決加工過程中的斷繩問題；②進(jìn)一步優(yōu)選串珠固定材料和技術(shù)，解決金剛石繩鋸直徑減小后帶來的固定材料開裂、串珠轉(zhuǎn)動(dòng)和竄動(dòng)等導(dǎo)致繩鋸過早失效的問題；③研究低鈷胎體材料，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，同時(shí)可提高串珠廣譜性能；④提高生產(chǎn)自動(dòng)化程度。尤其是提高串珠冷壓、穿繩、開刃、串珠外徑檢測(cè)等工序的自動(dòng)化程度，以有效提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量；⑤不同加工對(duì)象、不同工況條件繩鋸的開發(fā)；⑥開發(fā)世界上最先進(jìn)的智能多繩鋸機(jī)。目前，國內(nèi)多家企業(yè)都在瞄準(zhǔn)世界上最先進(jìn)的智能多繩鋸機(jī)，應(yīng)該進(jìn)行多方協(xié)作，依靠國內(nèi)強(qiáng)烈需求的市場(chǎng)平臺(tái)，開發(fā)世界上最先進(jìn)的智能多繩鋸機(jī)，在國內(nèi)開創(chuàng)出又一個(gè)花崗巖板材加工的新時(shí)代。

3.4 PDC復(fù)合片及PDC鉆頭

圖14 切削齒的快速磨損、斷裂狀況Fig.14 The rapid wear，fracture shape of cutting teeth

圖15 PCD／YG非平面復(fù)合示意圖Fig.15 PCD／YG non-planar composite schematic diagram

國際市場(chǎng)對(duì)PDC鉆頭需求量巨大，但中國產(chǎn)品的市場(chǎng)份額很少。據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)調(diào)查［4］，國外產(chǎn)品占據(jù)全球石油復(fù)合片97%的市場(chǎng)份額，約140億元，而中國產(chǎn)品僅為3%，約4億元；國內(nèi)礦山復(fù)合片約46億元。預(yù)計(jì)2013年國產(chǎn)石油復(fù)合片、礦山復(fù)合片將分別達(dá)到28.6億元、303.8億元。這是PDC復(fù)合片和PDC鉆頭技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)開拓的機(jī)遇，近年來世界各大鉆頭公司根據(jù)鉆井技術(shù)的發(fā)展和鉆井現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，正努力設(shè)計(jì)開發(fā)多種新型PDC切削齒、專用PDC鉆頭及相關(guān)技術(shù)。有關(guān)企業(yè)的對(duì)比測(cè)試結(jié)果表明，國內(nèi)PDC產(chǎn)品的水平目前與世界一流企業(yè)產(chǎn)品的水平還有一定差距，其主要的技術(shù)指標(biāo)——耐熱性、抗沖擊性的測(cè)試結(jié)果，與國外產(chǎn)品基本上差別不大，而耐磨性指標(biāo)由于測(cè)試方法的不同，測(cè)試結(jié)果各自不同，但總的來說耐磨性能和西方主要產(chǎn)品相差在50%左右。由于井下鉆進(jìn)的復(fù)雜性，PDC切削齒易發(fā)生沖擊損壞和高溫磨損現(xiàn)象，切削齒的復(fù)合片會(huì)產(chǎn)生石墨化、磨損快、易脫落等問題，引起鉆頭先期損壞，見圖14所示。因此，在設(shè)計(jì)和制造水平達(dá)到一定的條件下，提高切削齒的性能就成了提高鉆頭各項(xiàng)指標(biāo)的主要途徑。因此，在PDC及PDC鉆頭研究方面應(yīng)該重點(diǎn)開展以下工作：①開發(fā)適合于硬地層、夾層、深井等難攻地層鉆頭用的PDC；②提高PDC的耐磨性能。可采用提高PDC層密度、增加D-D結(jié)合程度、細(xì)化或粗化晶粒的工藝；③提高PDC抗沖擊韌性。A、優(yōu)化PDC制造工藝：提高金剛石濃度、選用多峰的粒度配比、選用高耐熱粘接劑等，并采用多層過渡層的配合及波浪形、溝壑形等合金界面技術(shù)（見圖15所示），提高鉆頭的抗沖蝕以及抗沖擊能力；B、采用鋼盔齒、橢圓齒、弧面齒、堆齒等設(shè)計(jì)（見圖16所示）；④創(chuàng)新PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鉆齒分布及布齒密度設(shè)計(jì)（見圖17所示），在PDC鉆頭的設(shè)計(jì)技術(shù)和布齒方面實(shí)現(xiàn)重大的突破；⑤進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用面，開展油氣勘探PDC繩索取心鉆頭、定向鉆進(jìn)和水平孔鉆進(jìn)PDC鉆頭的研制工作。

圖16 PDC鋼盔齒、橢圓齒Fig.16 Helmet shape and oval shape PDC cutter

圖17 PDC球齒及布齒Fig.17 Spherical PDC cutters and arrangement

4 結(jié)束語

我國是超硬材料制品生產(chǎn)大國，但不是強(qiáng)國，我國超硬材料制品必須向高端方向發(fā)展。近年來，我國通過諸多國家級(jí)、省市級(jí)超硬材料工程技術(shù)研究中心、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與產(chǎn)業(yè)化基地的建設(shè)，有效提升了超硬材料制品企業(yè)的自主創(chuàng)新能力，促進(jìn)企業(yè)在制造高新產(chǎn)品中一些關(guān)鍵技術(shù)難題的突破，打破了歐美企業(yè)對(duì)高端超硬材料制品的壟斷。如，北京鋼院、桂林礦地院等下屬企業(yè)的高檔鋸片，開始進(jìn)入國際市場(chǎng)，起到了促進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，引領(lǐng)企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，提升國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的作用。目前我國已具備向高端產(chǎn)品發(fā)展的條件和能力。我國應(yīng)重點(diǎn)推進(jìn)金剛石線鋸、PCD和PcBN刀具、金剛石繩鋸、激光焊接和薄壁金剛石鉆頭、PDC石油和地質(zhì)鉆頭等特色及市場(chǎng)潛力巨大的制品向高端方向發(fā)展。國內(nèi)超硬材料制品行業(yè)更應(yīng)抓住機(jī)遇，開拓創(chuàng)新，加速我國超硬材料制品產(chǎn)業(yè)全面進(jìn)入世界先進(jìn)行列的步伐，不懈努力推動(dòng)我國由超硬材料制品生產(chǎn)大國向強(qiáng)國邁進(jìn)，

［1］ 呂智，鄭超，等.中國超硬材料制品技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.超硬材料工程，2012（2）.

［2］ 呂智，謝志剛.在新形勢(shì)下超硬材料制品企業(yè)如何打造國際競(jìng)爭(zhēng)力［C］.2012超硬材料行業(yè)高層論壇.

［3］ 劉金昌.‘十一五’我國超硬材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新與發(fā)展盤點(diǎn)［J／OL］.中國超硬材料網(wǎng)，專題資訊，2012.

［4］ 陳金龍.超硬材料行業(yè)研究報(bào)告［R］.和君數(shù)據(jù)庫，2012.

Development of high-end superhard abrasive products in China

LV Zhi1，2，ZHENG Chao1，LIN Feng1，WANG Jin-bao1，XIE Zhi-gang1，2
（1.National Special Mineral Materials Engineering Research Center，Guilin541004；2.China Nonferrous Metal（Guilin）Geology and Mining Co.，Ltd.，Guilin541004）

The"12th Five-Year Plan"will be the important opportunity period of superhard abrasive products industry development in China，which will accelerate the superhard abrasive products industry into the ranks of the world powers.This paper reviews the present development situation of superhard abrasive products in China，introduced with emphasis the traditional products performance to high-end development in recent years such as the laser saw，diamond wire saw，ultra-high speed grinding tool and high performance glass grinding wheel etc.，which replace gradually or even completely replace the imported products in the domestic market and turn into the international market.It has elaborated several kinds of superhard materials products and innovative technology worth of research and development in"12th Five-Year Plan"period，and looks forward to play aguiding role for the product structure adjustment，new products and new technology development of the industry.

superhard abrasive product；opportunity period；technological innovation；high-end product

TQ164

A

1673－1433（2013）02－0039－05

2012－12－24

呂智（1956－），男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，中國材料研究學(xué)會(huì)超硬材料及制品專業(yè)委員會(huì)主任委員，廣西有色金屬集團(tuán)副總經(jīng)理，中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院院長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事超硬材料方面的研發(fā)和管理工作。