河南超硬材料研究方向及發展趨勢

引言：我國超硬刀具材料的研究與應用開始于70年代，并于1970年在貴陽建造了我國第一座超硬材料及制品的專業生產廠—第六砂輪廠，從1970～1990年整整20年中，超硬材料年產量僅從46萬克拉增至3500萬克拉。90年代前后不少超硬材料生產專業廠從國外引進了成套的超硬材料合成設備及技術，產量得到迅速發展，至1997年我國人造金剛石年產量就已達到5億克拉左右，CBN年產量達800萬克拉，躍居世界上超硬材料生產大國之首。 

    對于超硬材料行業來說，河南一直都有著領航者的作用。超硬材料企業在河南的發展可謂是枝繁葉茂，特別是近些年來，隨著我國經濟化水平的不斷提高，超硬材料也呈現出一片欣欣向榮的景象。企業實力不斷增強，企業規模不斷壯大。河南超硬材料企業創造的產值占全國同領域產值的５０％以上，占河南省的６０％以上。可以說，自1963年我國第一顆人造金剛石在河南省誕生以來，河南便成了我國超硬材料研究開發中心和技術人才的輻射源。以其獨特的中原文化之風采吸引著眾多中外客商。與其它產業比較，超硬材料在國民經濟中的分量并不大，但在經濟發展過程中發揮著不可替代的作用。可以說，超硬材料行業雖小，卻屬于強勢行業。
    據不完全統計，全省大概有200余家超硬材料及制品生產企業。這些企業大部分分布在鄭州市高新區超硬材料及制品產業園和鄭州經濟技術開發區。2008年，鄭州超硬材料實現銷售收入39億元，工業增加值12.8億元，利稅10.5億元。
河南超硬材料研究所及超硬材料協會針對河南超硬材料行業現狀作出以下發展目標：
1、明確發展目標
    我們以為，首先應有一個明確的目標。目標是獲得成功的基石，是成功路上的里程碑。沒有明確的目標，沒有目標的努力，顯然如竹籃子打水，終將一無所有。有了目標，人們才會下定決心攻占事業高地;有了目標，深藏在內心的力量才會找到“用武之地”。若沒有目標，絕不會采取真正的實際行動，自然與成功無緣。一個企業能否成功，確定目標是首要的戰略問題。
那么，超硬材料工具發展目標是什么? 發展超硬材料工具的目標或努力方概括起來應是:滿足環境保護的需要、滿足節資節能的需要、滿足高效加工的需要、滿足高精加工的需要、滿足特殊功能的需要。只有這樣才能創造出一個科學技術高度現代化、精神文明與和諧的社會，而充分發揮作為材料之王的作用。具體來說：
　　1.1.建立高素質的研發團隊與實驗中心。
　　1.2.培育有專業特色的生產基地。
　　1.3.擴大繩鋸的品種規格，擴大應用范圍，進一步提高產品質量，向更專業化的方向發展。
　　小直徑繩鋸(Ф8mm以下的串珠)是提高繩鋸切割效率、節省能源和成材率的有效途徑，為多繩大板切割機的應用和發展提供了有力支持;繩鋸專用鋼絲繩國產化是當務之急，國產繩鋸使用進口鋼絲制造，而進口鋼絲繩價格是國產鋼絲繩的10倍;加快金剛石繩鋸制粒技術的研究;盡快研制金剛石繩鋸專用預合金粉;加快開采繩鋸機相關設備的研制步伐，提高繩鋸開采的配套水平。
　　1.4.金剛石工具制造業的重心正在經歷由制造費用昂貴的歐、美國家向原材料、勞動力成本相對低廉的中國和韓國轉移，基本完成。中、高檔專業產品生產向亞洲的轉移已開始啟動。未來幾年里專業金剛石工具生產將迎來這一轉移高峰期，也是中國廠家面臨“跨越式發展”的歷史機遇[1]。
　　1.5.電子信息產業在全球按摩爾定律高速發展，在我國國民經濟中電子信息產業已成第一大支柱產業，而電子信息產業的基礎產業是集成電路(IC)產業，目前95%以上半導體器件和99%只以上的集成電路(IC)是用硅材料制成的，因此，硅材料生產及其加工在半導體和集成電路生產中具有重大作用與地位。
　　20世紀末，世界上共有芯片生產線949條，我國僅25條，占世界的2.6%。2000年世界半導體行業銷售總額達2221億美元，而我國僅有31.3億美元，為世界銷售額的1.4%。與我國作為一個經濟穩步快速發展大國的地位極不協調。規劃到2010年我國集成電路產量要達到500億塊，其銷售額超過2000億元，中國占世界市場的份額為5%，滿足國內市場需求達50%。這一形勢促使我國半導體集成電路行業發展提供了極大的市場與前景。
　　為滿足芯片微型化、高密度化、高速化、高數字化和系統集成化的要求，對芯片直徑、平坦化、線寬和金屬互連層數提出了更高的要求，這樣對晶片的精密加工提出了更高要求。
　　硅片屬于非常堅硬的硬脆材料，又是良好的半導體材料，故在芯片加工中，在不同環節必須多次使用金剛石工具進行高精密加工，這給金剛石工具制造者提出了新的任務、新的課題、新的方向。對于我國金剛石工具制造業來說，積極研究半導體硅材料加工用超精密金剛石工具是極其難巨而重要的任務，國內市場潛力巨大，但任重道遠。
　　半導體加工用金剛石工具屬于高精度加工工具，采用超細金剛石，超薄的切割刃，超高轉速磨削與鋸切，要求加工精度高。因此，制造難度大，技術門檻高，目前主要為國外金剛石工具制造商所控制[2]。
　　1.6. 開發高效、高精加工用磨具與刀具。
　　PcBN是模具、航天航空、汽車業高效、高精的最有潛力的刀具材料。
　　PcBN刀具適用于有色/黑色金屬及其合金的切削加工:目前，廣泛用于淬火鋼、冷硬鑄鐵、熱噴涂材料、純鎳等難加工材料和精密加工中。
　　PcBN立銑刀高速銑削HRC60以上的高硬鋼時，可實現超過2000m/min的超高速高精切削。
　　意大利SAID公司認為，現代刀具制造技術正迎來一場深刻的、革命性變革。精密五軸數控工具磨床和磨削中心的采用和普及，為新世紀機械制造業對高精密、高效率刀具的廣泛需求提供了答案，也給世界砂輪制造業帶來了空前的機遇與挑戰。
　　PCD是加工石墨、合成材料等非金屬難加工材料唯一適用的高效刀具。
2、把握發展趨勢
　　2.1.隨著經濟全球化進程的不斷推進，世界制造業中心向中國以至亞洲轉移，歐美的磨具生產商和銷售商正在把目光投向亞洲市場。
　　2.2.超硬材料及制品技術創新的方向應圍繞世界制造技術發展的四大趨勢“綠色制造、與高新技術相融合、基于網絡的制造技術、極端制造”。
　　2.3.我國的磨料磨具新產品開發應該注重市場需求、技術需求，圍繞磨削技術的發展方向，做好產品開發的定位，配套高水平的數控磨床、復合機床和加工中心，圍繞“高速、精密、柔性、復合、環保”的方向進行新產品開發。
　　2.4.應考慮節能(鋒利性好的磨具)、降耗(使用壽命長、高速、高效磨具)和環境保護(如多研制一些無冷卻液磨削的磨具)，積極應用其他領域的新技術、新工藝來提高磨具產品的質量水平和技術水平。
　　2.5.高品級PCBN與PCD的“四化”
　　2.5.1.規格尺寸日益大型化。目前，國外最大的金剛石復合片的直徑已超過100mm，投放市場的主流產品的直徑為60~80mm。
　　國外一直在努向大直徑圓形復合體，再切割成各種所需形狀和尺寸的刀片，這給制造者和用戶均帶來極大的方便。復合體直徑越大，不僅單位面積產品成本降低(如進口Ф50.8mm產品的單位面積售價僅為Ф13.2mm的67%)，而且由于大部分刀片以直線為棱邊，片徑越大，切割分離損失的周邊部位弓形面積比例越小，即材料利用率越高，進一步降低了最終使用成本，這就必然使其具有更強的市場競爭力。直徑的大小，決不是一個尺寸問題，直徑本身就是一個綜合技術水平的標志，需要解決一系列技術上的難題，包括設備的大型化問題。因而可以說向大直徑發展是中國PcBN材料研究領域及行業技術持續進步的一個帶有方向性的課題。
    2.5.2.晶粒細化、質量優化、性能均一化。現在發展到使用2μm甚至0.5μm以下的金剛石。元素六公司提供的直徑70mm產品的中心點與邊緣點耐磨性和耐熱性指標的偏差控制在30%范圍內，基本上均勻一致。
　　2.5.3.形狀、界面結構多樣化。
　　2.5.4.產品品種系列化。發達國家的PcBN產品，已形成多個系列上百個品種，而國內PcBN產品尚未形成系列產品，可供刀具制造業使用的產品非常少，很難適應市場需求。國外PcBN的供貨規格一般為Ф50mm以上，PcBN最大規格達Ф101.6mm;國內已開發出Ф33mm的產品，但供應市場的主要還是片徑為Ф10mm、Ф12mm、Ф14mm的產品。
　　如所周知，PcBN刀具刃口質量的好壞直接影響到PcBN的使用效果，而PcBN組織結構的不均勻將直接影響PcBN刀具刃口的質量，最終反映為PcBN切削性能的不穩定。國外PcBN合成一般使用單粒度的cBN微粉和粒度很細的結合劑，結合劑在PcBN中基本以網狀結構分布，不僅提高了PcBN的導電性能，易于切割，更重要的是PcBN組織結構的均勻，綜合切削性能良好。
　　國產PcBN普遍存在“硬度有余而韌性不足”的問題，這主要是國產PcBN生產一般使用高cBN含量的配方及合成時間過短有關。國外PcBN合成時間一般較長，觀察顯示，其PcBN中cBN顆粒部分實現了直接結合，因而達到了硬度與韌性的同時兼顧。
　　產品質量不穩定是國產PcBN存在比較突出的問題，也是行業中一直未能得到很好解決的問題，這個問題的存在嚴重阻礙了國產PcBN的快速推廣應用，致使大量國外PcBN產品進入國內市場[3]。
　　PCD刀具在木材加工工業中的潛在市場很大。
　　2.6. 某所針對硅片超精密加工技術的發展趨勢，開發擁有自主知識產權的硅片超精密加工磨削用金剛石砂輪，對提高我國超精密磨具的制造水平和超精密磨削技術，結束我國半導體行業使用金剛石制品全部依賴進口的現狀，促進該行業的國產化進程，縮小與國際先進水平的差距，均有重要意義。
　　2.7 高速砂輪的開發
　　目前，在實際應用中，磨削速度在100m/s以上的磨削被稱為高速磨削[10]。高速磨削是一種集高效、優質于一身的先進制造技術。與普通磨削相比，高速磨削具有以下優越性[4~7]:
　　(1).材料去除率高，加工效率高;
　　(2).磨削力和工件受力變形小，加工精度和加工質量好;
　　(3).砂輪磨損減少，壽命提高;
　　(4).可實現硬脆性和難加工材料的高性能加工。
　　因此，德國著名磨削專家T.Tawakoli博士將其譽為“現代磨削技術的最高峰” 。
　　國際生產工程學會(CIRP)將他定為21世紀的中心研究方向之一。
　　高速磨削可以大幅度地提高生產效率和加工質量并降低成本，德國、美國、日本等國家已經把該技術應用在航空、汽車、模具等領域。超硬磨料砂輪已經在高速磨削中得到廣泛應用，帶來了巨大經濟效益。其中，釬焊超硬砂輪是一種很好的具有發展潛力的新型高速砂輪，若能使其產業化，將大大推進高速磨削技術的應用。
2.8 超硬材料砂帶
　　砂帶作為一種柔性磨削工具，與固結磨具砂輪相比，具有磨削熱量小、磨削效率高以及形狀保持性好等優點。西方發達國家從對人體健康和環保的目的出發，已經興起使用超硬材料砂紙、砂帶等涂附磨具取代剛玉、碳化硅等普通磨料涂附磨具。超硬材料制作的砂布、砂帶等涂附磨具，在使用中不但壽命長且粉塵極少，符合對人體健康和環保越來越嚴格的要求。
　　隨著現代機械加工工業的不斷發展及各種新型材料的不斷出現，對制品、零件的加工精度和表面粗糙度的要求越來越高，這就要求相應的先進的磨削技術和磨具，尤其是涂附磨具向更高效、高壽命和超精密的方向發展。
　　專用布基的研究，應用聚脂布作為超硬砂帶基材，能充分發揮超硬磨料耐磨性高、保形性的特點，使加工精度、表面粗糙度達到很好的效果。因此，聚脂纖維布基應用于超硬材料砂輪是未來發展的一個趨勢。有用嗎不錯補水面霜排行榜瘦腿25歲用什么眼霜好日霜隔離哪個好祛斑什么牌子的眼線筆眼線液眼線膠好用
　　由于其較普通布基價格昂貴很多，因而找到能替代聚脂纖維布且價格相對較低的新布基應用于超硬材料砂帶的生產實踐使之達到高效、超精密，是將來的研究方向之一。
　　現代材料加工總體朝著高精度、高效率和專用的方向發展，特別是在國工業、集成電路、信息技術產業等領域，精密和超精密磨削加工對提高產品性能具有很大作用。因此，研制精密與超精密磨削專用超硬材料砂帶必然是未來的主要研究方向。
　　2.9 陶瓷結合劑超硬磨具
　　如果說普通磨料磨具是工業的“牙齒”，他們的使用標志著一個國家工業化水平的話，那么，超硬磨具的使用，可以說是一個國家工業化發達水平的標志。
　　近年來，在一些發達國家陶瓷結合劑磨具的發展非常迅速，其發展速度遠遠超過樹脂結合劑和金屬結合劑，具體表現在產品的系列化、品牌化和普及化，陶瓷結合劑cBN磨具已普遍使用，陶瓷結合劑金剛石磨具也得到了快速發展，使我們看到了陶瓷結合劑超硬磨具應有的光明前途。
　　超硬材料的應用比例在不斷增大，應用領域在不斷擴展，超硬磨具取代普通磨具的趨勢越來越明顯，越來越快。超硬磨具中樹脂結合劑仍占主導地位，但陶瓷磨具比例在明顯上升。超硬磨具特別是陶瓷超硬磨具迎合了當今機械加工中高速、高效、長壽命、少修整等要求，滿足和推動了機械工業不斷進步，這是磨具不懈追求的發展方向。
　　3.0 聚晶金剛石的發展趨勢。
　　(1).規格尺寸日益大型化。目前，國外最大的金剛石復合片的直徑已超過100mm，投放市場的主流產品的直徑為60~80mm。
　　(2).晶粒細化、質量優化、性能均一化。現在發展到使用2μm甚至0.5μm以下的金剛石。元素六公司提供的直徑70mm產品的中心點與邊緣點耐磨性和耐熱性指標的偏差控制在30%范圍內，基本上均勻一致。
　　(3).形狀、界面結構多樣化。
3、抓住發展機遇:
　　3.1目前，在部分發達國家市政工程施工中已明文規定在高速公路、機場跑道、公共廣場修復中必須用金剛石鋸片進行切割，這一趨勢必將很快向其他國家和地區擴展。
　　3.2.當前，歐、美等主要發達工業國家的高速公路和機場均有近百年的歷史，已進入修補、重建高峰期。而亞洲等新興發展中國家則正開始高速公路、大型機場興建的高峰期。這一切都為金剛石工具提供了新的巨大市場需求，預計未來5~10年內年內，金剛石工具的需求將仍保持每年10%以上的速度增長，對金剛石工具制造業來說，未來10年仍將面對巨大的市場空間。
　　3.3.金剛石工具制造業的重心正在經歷由制造費用昂貴的歐、美國家向原材料、勞動力成本相對低廉的中國和韓國轉移，其中中、低檔的DIY產品轉移已基本完成。中、高檔專業產品生產向亞洲的轉移已開始啟動。未來幾年里專業金剛石工具生產將迎來這一轉移高峰期，也是中國廠家面臨“跨越式發展”的歷史機遇。
　　3.4.電子信息產業在全球按摩爾定律高速發展，在我國國民經濟中電子信息產業已成第一大支柱產業。而電子信息產業的基礎是集成電路(IC)產業。目前，95%以上的半導體器件和99%以上的集成電路(IC)是用硅材料做成的。硅屬于非常堅硬的脆性材料，又是良好的半導體材料，故在晶圓(芯片)加工中，在不同的環節必須多次使用金剛石工具進行高精密加工。
　　3.5.以在世界金剛石工具行業排名的韓國新韓金剛石工具公司為例，2007年其生產銷售收入1.5億美元，其中激光焊接金剛石工具占總收入的55%左右。
　　3.6.金剛石繩鋸是一種柔性切割工具，具有效率高、精度高、有利于環保等優點，不僅在石材行業得到廣泛應用，而且在建筑行業也有巨大的潛力。
　　中國是世界石材大國，石材資源、石材加工、產品消費和國際貿易額均居世界首位。但是，石材開采卻十分落后，成材率低、規格小，嚴重浪費資源、破壞環境，這種狀況必須盡快改變。金剛石繩鋸開采技術是當今世界石材開采的主流，是石材礦山開采現代化的標志。世界石材荒料生產大國，諸如巴西、印度、西班牙及歐洲各國，其繩鋸開采的配套率接近100%，而我國卻剛剛起步。
　　2005年順應國家對礦山開采提出節約資源、節約能源和保護環境的要求，國產金剛石繩鋸和繩鋸機成功地開始應用于花崗巖礦山開采，這將給中國落后的石材礦山開采帶來飛躍式技術革命，標志著我國將擺脫石材礦山開采長期落后的面貌，就像有關專家所說:“我國石材荒料開采已進入金剛石繩鋸時代”。