中國超硬材料與制品的發展與思考

鄒文俊(河南工業大學材料學院,鄭州 450001)

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中國超硬材料與制品的發展與思考

鄒文俊
(河南工業大學材料學院,鄭州 450001)

摘 要:以金剛石為代表的超硬材料憑借其他材料無可比擬的高硬度、高導熱性等性能,在世界范圍內得到迅速發展。文章通過對超硬材料與制品的國內外發展狀況的研究,發現世界超硬材料產業總體發展趨勢是向大單晶、納米微粉、化學氣相沉積(CVD)金剛石薄膜發展;制品向超高速、超高精度、超長壽命的加工工具發展。中國應該重點發展高品級大單晶及復合超硬材料、功能性元器件,新型磨削工具、刀具、鋸切與鉆進工具等高性能超硬材料制品,新型原輔材料,新型專用設備儀器,以及相關新材料及高端裝備等。

關鍵詞:超硬材料;發展;精密磨削;加工工具

超硬材料憑借其他材料無可比擬的優異力學、熱學、光學、聲學、電學和生物等性能,享有“材料之王”的美譽,它們不僅可加工世界上所有的已知材料,而且可制成性能極端的功能性器件,在諸多應用領域具有不可替代性。目前,超硬材料廣泛應用于建材、建筑、機械、電子、地質鉆探、石油開采、光學儀器、航空航天、國防工業、核工業等領域,超硬材料制品是先進制造業中數控機床、自動化加工線和智能化柔性加工中必不可少的配套加工工具,是21世紀大有發展前途的精密加工工具。當今,超硬材料及制品工業作為永遠的朝陽工業,在國內外得到迅速發展,全世界產業規模估計約6000億元,其中超硬材料約1000億元,超硬材料制品約5000億元。我國超硬材料及制品產業規模估計約1000億元,其中金剛石和cBN單晶產量居世界首位(分別占全世界90%、60%),超硬材料制品所占比例較小,在10%至20%之間,高端制品產量更小,只占5%～10%。

隨著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鋁類磨料)和普通硬質合金;高精密超硬磨具、研磨拋光工具、復合超硬刀具、高硬度復雜地層的勘探與鉆井、海上油氣田鉆井用金剛石復合片鉆頭等市場空間逐步釋放,將達數千億元規模。單晶硅、多晶硅、衛星太陽能電池板、計算機芯片、航空儀表等高效精密加工市場空間正在迅速擴展。利用超硬材料聲、光、電、熱、力等優異的物理性能,許多新應用領域還將不斷涌現。

1　國內外發展現狀

國外超硬材料產業高度集中,金剛石和立方氮化硼(cBN)單晶、聚晶、微粉、CVD膜等全系列產品90%以上集中在美國DI公司(Diamond Innovation)、歐洲跨國集團元素六公司(Element Six)等,主要采用年輪式兩面頂超高壓合成裝置,單晶金剛石單次產量大(3000克拉)、品級高(高品級所占比例高達60%)、粒度好(達到20/25目),產品占據高端市場;能夠生產直徑為100mm的大尺寸金剛石聚晶復合片(PDC)、立方氮化硼聚晶復合片(PcBN),應用于金剛石、cBN刀具,在世界上處于領先地位。國外超硬材料制品產業,主要分布于歐美和日韓等發達國家,占全世界市場份額80%以上。以歐洲跨國集團泰利萊公司(Tyrolit)、德國溫特(winter)公司、法國圣戈班集團(Saint-Gobain)、日本旭金剛石工業株式會社(Asahi)為代表的國外企業,生產制造的超硬材料磨具、刀具、鋸切和鉆進工具等,具有超高速度、超高精度、高效率、高耐用度等特點,廣泛應用于現代制造業,占據了世界高端市場。

近年來,隨著我國六面頂壓機大型化和合成技術的發展,黃河旋風、中南鉆石、華晶、富耐克等企業部分產品達到世界一流水平,迫使老牌國際巨頭所占市場份額逐步萎縮。我國已成為全球最大的超硬材料單晶生產國,2015年我國金剛石單晶產量超過170億克拉,占全球總產量90%左右;立方氮化硼(cBN)產量超過6億克拉,占全球總產量60%左右。超硬材料制品領域,國內發展相對滯后,占全球比例較小(低于20%),其中高端制品(高效耐用鋸切和鉆進工具、高效精密刀具和磨具)差距更大,不足10%。目前制品產品結構中,主要應用于建材建筑的鋸切和磨削工具用的金剛石約占總量的50%,機械及電子行業加工用于磨具、刀具和線鋸用的金剛石約占25% ～30%,地質鉆探、礦物采掘和工程鉆進工具用的金剛石約占15%～20%,其它用于其他用途的超硬材料工具。

從超硬材料及制品所占比例可以看出,中國超硬材料與制品發展不協調,單晶所占比重較大,制品發展相對滯后;高低檔產品比例不合理,中低檔產品多,國際領先的高端產品少;制品種類構成不齊全,刀具開發起步較晚,鋸切、鉆進工具規模不大,各類制品系列化程度不高。目前超硬材料產業利潤主要集中在制品領域,全球高端復合超硬材料及制品主要由美、德、日等國家的DI、E6、Winter、住友等國際領先企業控制,占據高端市場份額的80%以上。隨著國內科研院所和企業研發水平不斷提高,高端產品的技術壁壘逐漸被打破,國內原創高新產品不斷涌現,所占世界高端市場份額將會逐步增加。例如2013年燕山大學田永君教授使用類似洋蔥結構的氮化硼微粒在1800攝氏度、15GPa下成功合成cBN納米晶,這種新型超硬材料維氏硬度達到108 GPa,是商用立方氮化硼硬度的兩倍,其耐熱性也比現有cBN高200度以上,顯示出巨大的潛在應用價值。

2　國內超硬材料及制品面臨的機遇

“沒有金剛鉆,別攬瓷器活”。《國務院關于加快振興裝備制造業的若干意見》和《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》明確指出:“發展大型、精密、高速數控裝備和數控系統及功能部件,改變大型、高精度數控機床大部分依賴進口的現狀,滿足機械、航空航天等工業發展的需要。”只有掌握高端超硬材料及制品核心科技,才能從根本上解決我國高精密數控裝備的落后現狀。為了實現高端裝備業,特別是航空航天、IT制造、高鐵等高精尖科技產業的快速發展,我國必須投入必要的人力物力,在以下方面聯合相關高校、科研院所和企事業單位協同攻關,自主研發精密和超精密加工工具技術,為我國高端制造業達到世界先進水平提供技術支撐。

(1)航空發動機及其葉片的超精密加工技術。航空發動機是飛機的“心臟”和動力的源泉,“心臟病”的問題,一直是困擾中國航空工業發展的瓶頸。雖然我國每年都投入大量人力物力研制國產發動機,但“中國軍方對國產太行發動機質量很憤怒”,我國新型戰斗機(殲10、11、15、20、31)和大飛機依然缺少一顆強勁的“中國心”,發動機90%以上依賴進口。加工航空發動機及葉片關鍵零部件要求精度小于1μm、表面粗糙度小于100nm、工件表面殘余應力小且加工工具使用壽命長。這些都迫切需要研發高速磨削工具、高效超硬復合刀具和高精珩磨工具技術,運用車削、銑削、磨削、鉆削、軟拋等復合加工技術,滿足航空發動機超精密加工的需求。

(2)大規模集成電路單晶硅晶片的平坦化技術。2013年我國大規模集成電路芯片進口額(2313億美元)首次超過石油(2196億美元)。中國每年制造約11.8億部手機,3.5億臺計算機,1.3億臺彩電,都是世界第一,但80%以上芯片依靠進口,造成中國空“芯”。芯片加工的關鍵問題是表面精度要求極高,微粗糙度需達到0.1～1nm,不平坦度10nm。超精密加工已成為制約中國芯片發展的瓶頸,急需研發納米金剛石拋光液、超精密研磨工具等關鍵技術,并帶動IT、LED、光伏產業及智能終端制造業的超精密加工。

(3)高鐵軌道的高速精密修磨技術。2015年中國高鐵總里程超過16000公里,占世界高鐵總長的一半。高鐵已經成為中國遞向世界的一張“名片”。根據國家《中長期鐵路網規劃》,2020年全國鐵路營業里程將達到12萬公里。高鐵的四大核心技術是高速機車技術、路軌技術、隧道技術和運行與控制技術。高速路軌技術要求軌道板磨削高度差小于0.2mm精度,鋼軌的磨削精度也要達到0.1mm。高鐵建設與日常維護需要大量高速軌道板專用磨削機床和高速軌道修磨機車,以及與之配套的高速、高效修磨軌道板金剛石砂輪和修磨軌道樹脂砂輪。

(4)汽車發動機及其關鍵零部件的精密加工技術。2015年中國汽車產銷量超過2460萬輛,連續7年蟬聯全球第一,但是,目前我國汽車行業所需的超精密制造工具75%以上依賴進口,裝備制造關鍵零部件、汽車發動機等相關企業的發展受超精密制造技術的嚴重制約。急需突破高效PCD、PcBN刀具,高速砂輪、精密珩磨工具制造技術,提高關鍵汽車零件的精度,從而可使汽車磨合期縮短1/3～1/2,使用壽命提高10%～20%,機油消耗降低,排放指標從歐Ⅲ、Ⅳ提高到歐Ⅴ、Ⅵ。

(5)智能手機、藍寶石單晶屏等關鍵部件的精密研磨拋光技術。2015年中國手機產量超過16億部,采用藍寶石單晶屏與鈦合金、7系鋁合金外殼等難磨材料的下一代智能手機即將投產,要提高生產效率,必須開發超硬材料精密加工工具。然而,相關的超硬刀具及精密磨削工具80%以上卻依賴進口,智能終端生產過程中的大部分利潤流向國外的工具制造企業。“設計在美國,工具用德日,組裝在中國”的生產模式急需改變,超硬材料與制品技術是突破這一模式,實現電子加工行業轉型升級的關鍵技術之一。

超硬材料及制品生產技術是發展高精度、高品質超精密制造工具的關鍵技術。急需協同國內高校、科研院所、生產與應用企業聯合攻關,突破高品級大單晶及復合超硬材料、超硬材料功能性元器件、高速高效精密磨具、高精高效超硬材料鋸切與鉆進工具、超精密拋光磨具等關鍵技術,實現我國航空、汽車、電子等支柱產業的轉型升級,同時促進機械、軸承等行業發展

3　中國超硬材料發展的幾點思考

“工欲善其事,必先利其器”。2015年我國進口高端機械裝備及配套制造工具3500億美元,其中高速磨具、高效刀具、超精密研磨拋光工具主要依賴進口。國內在超硬材料及制品的自主創新方面面臨的主要困難是:

(1)高檔數控機床磨具的加工速度問題。高檔數控機床要求將超硬磨具的使用線速度從現有80～120m/s提升到200～250m/s,因此,必須解決高性能結合劑的系統設計與合成技術、高強度基體的輕量化、高性能磨具組織結構的均勻性問題。

(2)金剛石及立方氮化硼復合刀具的加工效率問題。金剛石/cBN復合刀具要求實現車削速度從現有的80～100m/s提高到150～210m/s,加工工件表面粗糙度小于50 nm,實現以車代磨。因此,必須解決細粒度金剛石/立方氮化硼制備與提純技術,復合刀具在高速狀態下的沖擊與耐磨性,復合超硬材料在高溫超高壓極端條件下合成機理問題。

(3)研磨拋光工具的加工精度問題。超精密研磨拋光要實現被加工工件表面粗糙度達到1～5nm,就必須解決納米金剛石和氧化鈰制備提純分級技術,揭示拋光劑與被加工工件相互作用機理,探索化學機械拋光(CMP)基本理論與影響規律。

為解決以上問題,因此,我國應該重點發展高品級大單晶及復合超硬材料、功能性元器件,新型磨削工具、刀具、鋸切與鉆進工具等高性能超硬材料制品,新型原輔材料,新型專用設備儀器,以及相關新材料及高端裝備等。具體如下:

(1)高速磨削工具技術。以航空發動機、高鐵軌道板和鋼軌、汽車關鍵零部件等高速加工為需求,研究并開發高速陶瓷磨具、樹脂磨具、金屬磨具制備技術,研究樹脂和金屬或陶瓷復合對高速樹脂磨具微觀結構的影響,研究高強度低溫陶瓷結合劑和結構均勻性技術,提高樹脂磨具的耐熱性,開發高速陶瓷磨具、樹脂磨具、金屬磨具制備技術,實現高速、高效磨削加工。最終實現高速、高效磨削加工,要求高速陶瓷磨具、樹脂磨具、金屬磨具使用速度分別達200～250m/s、100～130m/s、120m/s以上。陶瓷磨具使用線速度從80～120m/s基礎上提升到200～250m/s,實現低溫陶瓷磨具的高速應用。樹脂磨具使用速度從60～80m/s提升到100～130m/s,實現高溫樹脂磨具的高速應用。開發高速金屬磨具,分別在使用速度為120～150m/s和250～300m/s實現燒結和電鍍磨具的高速應用,滿足航空發動機、高鐵軌道板和鋼軌、汽車關鍵零部件等高速加工的需求,技術達到國際先進水平。

(2)高效金剛石及立方氮化硼復合刀具技術

以汽車零部件、飛機發動機、電子工業用電路板等超精密高效加工為需求,以高強度金剛石與立方氮化硼微晶、高品質金剛石、立方氮化硼復合片為研究目標,研究高溫高壓無觸媒條件下六方氮化硼直接轉化合成高強度立方氮化硼微晶、石墨直接轉化合成高強度金剛石微晶;開發高品質金剛石、立方氮化硼復合片超精密刀具制備技術,最終實現高效、超精密、以車代磨加工,具體指標達到工件表面粗糙度小于50 nm,車削速度大于210 m/s。

研究高溫高壓無觸媒條件下六方氮化硼直接轉化合成高強度立方氮化硼微晶、石墨直接轉化合成高強度金剛石微晶技術,開發高品質金剛石、立方氮化硼復合片超精密刀具制備技術。重點突破細粒度(平均晶粒尺寸小于2μm)、高精度加工用金剛石和cBN復合片合成技術,合成金剛石和cBN復合片直徑達到120mm以上,金剛石復合片的磨耗比為常規硬質合金刀具的500倍以上。突破納米金剛石聚晶合成技術,合成聚晶晶粒尺寸為20～50 nm。

實現高溫高壓直接轉化法研發制備高強度金剛石與立方氮化硼微晶的規模化生產,制備的微晶硬度與其單晶相似、斷裂強度比其單晶高2～3倍。實現高效、超精密、以車代磨加工。滿足汽車零部件、飛機發動機、電子工業用電路板等超精密高效加工的需要。技術達到國際先進水平。

(3)超精密研磨拋光技術

以大規模集成電路芯片、新型半導體材料LED、藍寶石晶體、SiC晶體、多晶硅、單晶硅、光纖接插件等超精密研磨拋光,以及飛機葉片、汽車凸輪軸等超硬砂帶精密磨削和汽車、飛機發動機汽缸超精密珩磨技術為研究目標,研究爆轟法納米金剛石制備、分級與提純技術,超細稀土氧化鈰拋光液制備技術,硅溶膠CMP拋光液制備技術。開發聚脂薄膜基金剛石、氧化鈰、碳化硅砂帶(盤)以及超精密汽缸珩磨條制備技術,最終實現被加工表面表面粗糙度達到0.1～50nm。

在前述的研究爆轟法和機械法納米金剛石制備、分級與提純技術,超細稀土氧化鈰拋光液制備技術,硅溶膠CMP拋光液制備技術基礎上。研制高純度納米多晶金剛石,實現10～30nm、30～50nm、50～80nm、80～100nm的精密分級。研究金剛石精密拋光膜、金字塔砂帶、重負荷砂帶等多項技術,實現復雜型面薄壁結構件的超精密磨削加工,飛機葉片、汽車凸輪軸等表面精度和質量達到30～50nm。加工航空發動機及葉片關鍵零部件要求精度小于1μm、表面粗糙度小于100nm。

研發制備納米金剛石、超細氧化鈰、硅溶膠拋光液等流體磨料,可在先進電子制造、功能晶體、LED襯底晶片、液晶平面顯示技術等領域開展廣泛應用,實現芯片、硬盤磁頭、盤片、晶片的納米、亞納米級平整度的研磨拋光,波紋度和粗糙度小于0.1nm。

(4)超硬材料功能性元器件

研究納米金剛石生物相容性,使其在醫藥、生物材料等領域更具有潛在的應用價值,采用CVD法以及鉆/金復合等技術開發金剛石薄膜等功能性超硬材料,制備各種具有特殊聲光電熱性能的功能元件和器件。

實現CVD金剛石膜等在大規模集成電路、激光窗口、熱沉元件、介電射頻元件、人體關節、發聲發光、MESM微機電系統等功能性應用。富勒烯、納米金剛石等在太陽能電池、生物材料、分子導線、非線性光學器件等領域的應用獲得突破。技術水平達國際先進。

(5)超硬材料專用設備儀器開發

研究開發采用智能控制系統的新型大腔體六面頂壓機成套設備及金剛石規則排列快速成型設備、線鋸制造專用成套設備、工具專用激光焊接等設備;開發現有超硬材料制品、普通磨具的全自動化生產線;研發金剛石鋸片鋼模自動熱壓設備及流水線生產成套設備,開發功能性元器件檢測儀器、熱沖擊韌性檢測儀、超高速砂輪回轉機、鋸片結合強度檢測儀、應力檢測校正儀、線鋸質量檢測儀及其它超硬材料質量控制專用儀器等。

開發出超高壓六面頂壓機成套設備,解決金剛石在鋼線上以及其他基體上的有序排列問題,開發出符合國內行業進步和發展的專用檢測設備,相關技術標準和檢測儀器設備達到國際先進水平。

4　結束語

世界超硬材料產業總體發展趨勢是材料由普通單晶、微粉向大單晶、納米微粉、化學氣相沉積(CVD)金剛石薄膜方向拓展;制品在現有工具類產品(磨削、切削、鋸切、鉆進工具)的基礎上,向超高速、超高精度、超長壽命的加工工具發展,呈現專用化、系列化特點,并進一步向具有特殊聲、光、電、熱性能的功能性元器件方向發展;生產過程向操作自動化、控制智能與精細化以及綠色化方向發展,將進一步提高生產效率、產品質量及其穩定性、經濟效益和社會效益。

我國超硬材料產業未來的發展主流是大力發展超硬材料制品,主要包括金剛石和cBN的精密磨具、刀具、高效耐用切割工具、鉆探工具等各種新型加工工具,趨向專用化、系列化、標準化。此外,具有超高速度、超高精度、超長壽命等特點的超硬材料工具新品種將不斷涌現。

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山東臨沂金剛石儲量占全國一半

從山東金剛石找礦座談會上獲悉,從1965年該省發現中國第一個具有工業價值的金剛石原生礦至今50年間,臨沂累計查明金剛石資源儲量1235.39萬克拉,約占全國查明總量的50%。

1965年8月,山東省第七地質礦產勘察院(簡稱“七院”)的前身——沂沭地質隊在蒙陰常馬莊發現了中國第一個金伯利巖脈“紅旗1號巖脈”,結束了中國沒有金剛石原生礦的歷史。在此基礎上,1970年,蒙陰建成我國第一座大型金剛石原生礦礦山。

目前,臨沂市有金剛石原生礦2處,金剛石砂礦4處。2014年,臨沂市被正式命名為“中國金剛石之都”。

臨沂地下為何有這么多珍貴的金剛石礦藏?據介紹,金剛石是地下巖漿活動的結晶,其主要成分是碳。碳元素在地層深處受到高溫高壓作用發生蛻變,結晶成結構牢固的礦物晶體,遇到火山活動時,碳晶體突破地殼噴出,附存于一種名為金伯利巖的巖石中。臨沂地處中國東部最大的斷裂帶——郯廬斷裂帶上,該斷裂帶的地質活動曾經十分活躍,有利于金剛石的形成。 (環球財經網)

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

作者簡介:鄒文俊(1961-),男,教授,河南工業大學材料學院院長,在國內外重要刊物上發表論文百余篇。

收稿日期:2016-02-26

中圖分類號:TQ164

文獻標識碼:A

文章編號:1673-1433(2016)02-0045-05

引文格式:鄒文俊.中國超硬材料與制品的發展與思考[J].超硬材料工程,2016,28(2):45-49.