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超硬材料行业技术发展现状与展望综论

日期:2021/1/15
来源:中国研磨网—91期《中国研磨》杂志

   郑州磨料磨具磨削研究所 王光祖 卫凤午

  河南工业大学机电学院 崔仲鸣 冯常财

  超硬工具在现代加工中的应用占有越来越重要的地位。为较全面、客 观 的 评 述 其 发 展 的 代 表 性、 真实性,笔者用心地查阅了近三四年来,行业权威技术期刊和研讨会文集,并进行了反复地、认真地阅读,从中选用了超硬行业技术发展现状( 历程 ) 与展望有关的论述文章,包括切削、研磨、锯切和钻探等四个大方面,撰写了这篇集本行业专家、学者智慧之大成一文,与同仁们共享,具体内容各分述如下,不妥之处,请批评指正。

  1.发展现状与展望

  制品总体上仍处于生产大国,不是强国。主要特征是:高端制品仍大量进口,价格居高,许多核心技术仍由国外掌控,国内原创技术不多。因此,加快技术创新,提升产品性能,拓展应用领域,是当前较为紧迫的问题。

  1.1技术亮点

  组锯技术研发成功,是对大板切割工艺的一项重要创新,标志着我国金刚石绳锯全面进入世界先进水平。

  精密加工工具是附加值很高的产品,近几年取得较大进展,如超薄切割片、玻璃加工刀轮、超高速高性能 CBN 砂轮等。国内个别公司的 PCBN 精密刀具早已进入市场,用于手机背板加工的 PCD 刀具也有重大突破。

  囯 外 PCD 片 最 大 直 径 超 过了 100mm, 主 流 产 品 尺 寸 60-80mm,而国内最大尺寸只能做到60mm 左右。高端 PCD 复合片目前市场仍以元素六、DI、住友等公司为主。

  国内的 PCD 刀具可分为低端、中端、高端三部分,低端以粗粒度PCD 为代表,国内生产厂家多 ; 中端是指中粒度 PCD,能完全替代进口产品 ; 高端产品是指细粒度内的PCD,此类产品国内外差距明显,每年需大量进口。高端 PCD 刀具的研发和生产对设备投入要求较高,存在技术和资金双重壁垒。

  PCBN 可分为低端和高端产品。低端片,即高含量、粗粒度产品,可以替代国外产品 ; 高端片,即低含量、细粒度的 PCBN 产品,与国外同类产品差距明显,高端片以进口为主。

  金刚石锯片必须持续不断进行技术创新,并且在产品细节、工艺等方面有持续的改进,才能在残酷的市场竞争中占有一席之地。

  当前,单层钎焊技术已基本成熟,并且有产业化应用和生产。多层金刚石钎焊工具的制造技术已成形,但修整困难,严重制约了其产业化和应用。

  在功能材料方面,CVD 金刚石只有在一些特殊场合,如红外窗口、光刻机等方面有应用。CVD 的真正优势是应用在功能材料方向,超硬材料行业要加快 CVD 金刚石生长技术研究及其产业化进程,促进 CVD金刚石在功能材料领域的快速发展。

  球齿的应用实验成本高,投入大,短期内还难以进入盾构机等主要工程应用领域。有资料表明,在囯外球齿在石油冲击钻头上有应用,占到油气井钻头产值的 10%。国内也有相应的报道,如某公司生产的球齿已经出口到欧美市场,年出口约为 2000 万元,主要应用在石油钻头的非主要部位。

  1.2超硬材料技术发展展望

  我国的高端超硬制品,如精密加工工具、专业锯片、高速砂轮、细 粒 度 低 含 量 PCBN 等, 与 国 外同类产品相比仍有较大差距。努力提高我国超硬材料及制品的技术水平,发展高端制品,已成为迫在眉睫的事。行业人士应重点选择一些更有发展前景或有望得到快速应用的新产品新技术进行开发。

  发展金刚石长线等高端制品,将会促进我国光伏及相关产业的快速发展,对中国的经济发展具有重要意义。

  研究针对不同形状、不同材质的高端金刚石线,开发多线、网面切或曲面切等加工方式,是未来超硬制品的一个重要发展方向。

  要重点开发大尺寸、纯度高、晶形完整的单晶,加强在军工、航天及窗口的应用。高端 PCBN 和 PCD 要重视大直径、细粒度带来的均匀性问题及质量稳定性问题,推动 PCBN、PCD刀具替代陶瓷、高速钢、硬质合金等刀具。

  未来几年超硬行业应加大 NPD的研发力度,重点关注 NPD 的理论研究和后期加工两个主要问题,在军工、航空航天等高端应用领域进行应用探索,进一步培育市场,推动高端 NPD 的产业化。

  2.聚晶立方氮化硼复合片的应用及发展现状

  作为刀具材料,PCBN 复合片的应用范围十分广泛,多数用在高级数控机床、多用途的全自动机床以及专用的高速自动线机床等,还有用在加工淬火钢、冷硬铸铁、模具钢以及淬硬锻造钢件等柔性生产系统,其取代传统的硬质合金、陶瓷刀具已经成为刀具行业发展的趋势。

  欧洲、北美、日本等一些国家PCBN 刀具发展较早,现已有比较成熟的制备技术,呈现产品系列化、质量优化、性能均一化的特点。

  全球高端市场全部被国外产品占据,且国内外 90% 的市场被国外的 PCBN 刀具材料占据,国内的PCBN 刀具只能在低端市场恶性竞争。因此,向高端 PCBN 复合展开研发具有重大现实价值与意义。

  PCBN 硬度高、耐磨性好、化学稳定性好、高温稳定性好、高导热、摩擦系数小等优良特性使其成为难加工材料的最佳选择,可以进行 高 速 精 切 削, 实 现 以 车 代 磨,提高加工效率。此外,PCBN 复合片还是最适合干切削工艺的刀具材料,因此,PCBN 刀具在汽车制造、轴承、航空航天等诸多领域有着广泛应用。根据行业统计,PCBN 刀具在行业中应用有以下几个方面 :

  (1) 按 行 业 来 分 , 汽 车 工 业 占50.37%, 重 型 机 械 占 20.74%, 泵 业占 8.89%, 轴承齿轮占 5.93%, 轧滚占 5.19%, 航空航天占 2.95%, 其他占 5.93%。

  (2) 按加工材料来分,淬火钢占65%, 铸铁占 28%, 耐热钢占 7%;

  (3) 按 加 工 工 序 来 分, 车 削 占60%, 锉削占 32.5%, 端铣占 7.5%;

  (4) 按替代原加工来分,50% 替代磨削 30% 替代硬质合金刀具 ,10% 替代金属陶瓷刀具 , 5% 替代陶瓷刀具 , 5% 替代研磨加工。

  值得注意的是,PCBN 刀具具有较强的针对性,对于不同的加工材料及加工方式应选用不同的配方的 PCBN 刀具。根据 CBN 的含量其大致可分为高、中、低含量 PCBN 复合片,其中高含量 (80%-95%) 主要用于各类铸铁、粉末冶金、而高温合金等,中含量(60%-80%)主要用于重载、断续加工淬火钢,低含量(40%-60%)主要用于高速轻载连续精加工淬火钢。根据加工精度和表面质量要求,制造切削工具用的 CBN 粒度大约分为:粗粒度 20-30um;中粒度 3-10um;细粒度 2um。用粗粒度做成的聚晶难以做成精度要求高的刀具,但其耐磨性、抗冲击性较高,细粒度做成的聚晶刀具可满足精加工和超精加工的要求。

  3. 超硬材料在精密加工中的应用现状与展望

  精密加工是衡量一个国家制造水平高低的重要标志,是现代技术发展的基础。超硬材料广泛应用在汽车、空调压缩机、轴承、半导体、手机背板、石油钻进以及生物医疗等领域的精密加工中。超高速磨削 CBN 砂轮、PCD/PCBN 超硬刀具,金刚石超薄砂轮等超硬制品在汽车发动机、空调压缩机活塞、气缸、半导体芯片等精密加工中发挥关键作用。

  在转向器、变速箱、万向节等配件加工上,国产砂轮正在逐步替代进口砂轮。

  目前,在铸铁类的粗加工方面,国内高含量 PCBN产品已占主流,但在加工淬火钢的低含量 PCBN 和精加工方面,仍以国外产品为主。

  几年前,空调压缩机行业用的 CBN 砂轮几乎全部使用国外产品,目前己全部替代,它是超硬材料精密加工中取代国外产品最成功的范例。

  航空航天是超硬材料下一步应用拓展的十分有前景的领域,应该重点关注。目前半导体行业用砂轮 ( 切割、减薄、抛光 )80%以上是进口,这是国内超硬材料在精密加工领域与国外差距最大,产品进口比例最高的行业。

  轴承行业产量大,是 CBN 砂轮应用拓展很重要的一个领域。

  随着 5G 时代的到来,5G 手机背板的选材成为热点,目前判断会以氧化锆陶瓷为主。

  近年来中国油气钻井用 PCD 复合片取得了很大的进展,大部分产品性能同国外同类产品接近,价格约为国外产品的 80%。在国际市场上也获得初步认可。但在高端钻头和关键部位应用上,国内产品所占有的份额仍然较少。目前,与国外的差异性主要体现产在产品稳定性和产品结构上。

  随着医疗技术的发展,对医疗材料的品种和质量提出了更高要求,为金刚石材料的应用开拓了一片新的市场。由于金刚石手术刀具在手术过程中对手术部位的挤压、撕拉损伤小、伤口边缘整齐,易愈合。目前,主要用于眼科、神经外科、骨科、口腔科以及生物组织切片等。人体植入物是近年来医用领域中的一个热门方向。吕智,谢志刚等对共其未来发展提出了以下认知:

  (1) 加强基础研究,大力推进产学研结合,全面攻克 5G 背板业加工难题和实质缩小半导体加工差距。

  (2) 加 大 稳 定 性、 针 对 性 和 扩大片径研究,明显提高高端 PCD、PCBN 的产品性能,加快替代步伐。

  (3) 加强与汽车整车企业的联系和沟通,做好示范工程,局部突破,以点带面。

  (4) 深入调研,客观分析,制定超硬材料在航空航天领域的发展对策。

  (5) 加大金刚石微粉深度加工的研发力度,争取在短期内突破技术瓶颈。

  (6) 密切跟踪超硬材料在陶瓷、硬质合金、以及生物医疗等行业的动态,扩大应用领域。

  (7) 加大 NPD 研发力度,推动高端 NPD 的产业化。

  4.金刚石线锯发展评述

  孟雪等人全面评述了太阳能硅片切割用金刚线的发展现状,并对未来可能发展的趋势进行了预测。

  近年来,随着硅片减薄化,以及硅片制造企业进一步降低生产成本的需求日益紧迫,金刚石线切割技术应运而生,并逐步在全行业得到推广。

  它与传统砂浆切割的最大不同有两个方面,一个是使用的磨料不同,二是切割作用中磨料形态不同,传统砂浆切割为自由磨料,而金刚石线切割使用固结磨料。

  在光伏硅材料切割,尤其是单晶硅切割领域,金刚石线应用展现出了相比于传统砂浆切割压倒的优势,主要表现三大方面:

  (1)高效率,高质量 ;(2) 低成本 ; (3) 高效清洁生产。

  太阳能在硅片切割已经全面进入金刚线切时代,对应爆发式增长的光伏行业,金刚线的需求也在呈现快速增长势态,一时难以完全满足市场需求。展望未来的发展趋势需要从下游用户的实际需来考量。对应到金刚线行业,则可能会朝向’四化方向发展:即细化、快切化、省线化和低 TTV 化。

  (1)细线化,预计从目前的直径80um、70um 线向两种电镀金刚线向 65um、60um 金刚线快速过渡 ;(2)快切化,单片切割的耗时将会从现在的 2-3 小时快速降低至 1 小时,甚至更低 ;(3)省线化,是指在切割加工过程中减少金刚线的损耗,从而降低耗材成本 ;(4)低 TTV,是指硅片厚度变化量,是衡量芯片品质的一个很重要的指标,通过改善电镀金刚线性能特征是实现 TTV 化的关键途径。

  5.立方氮化硼磨具的研发历程与技术发展趋势

  按 照 结 合 剂 材 料 的 不 同, 将CBN 磨具分为陶瓷结合剂、树脂结合剂和金属结合剂 3 大类型,其中金属结合剂又分为烧结金属和电镀金属等类别。

  陶瓷结合剂 CBN 磨具的规格从通常直径的 50-500mm 发展到现在的小到 1mm 喷油喷嘴内圆磨砂轮,大到 1600mm 磨曲轴砂轮 ; 砂轮最高工作线速度逐步从 50m/s 提高到200m/s;应用从军工领域扩展到机床工具、汽车等,磨削加工对象涉及高速树钢刀具、高速钢丝锥螺纹、精密丝杠、轴承、汽车凸轮轴、曲轴等 ; 产品性能质量不断提高,汽车发动机关键零部件加工用 CBN 磨具的性能已达到发达国家同类产品水平。

  树脂结合剂 CBN 磨具的规格从通常的 50-500mm发展到现在的小到 1mm 硬质合金纳米(抛光表面达到纳米级粗糙度)磨头,大到 1200mm 粗磨铁基粉末冶金零件磨盘;应用领域包括刀具、轴承、汽车和家电等,主要磨削加工对象包括高速钢刀具、轴承、汽车变速箱空零件和空调压缩机叶片等;产品性能质量不断提高,空调压缩机零件加工用 CBN 磨具的性能达到发达囯家同类产品水平。

  金属结合剂 CBN 磨具方面,最薄的超薄切割砂轮厚度达到 0.08mm,直径最大为 1000mm。

  粗磨 99 瓷金属磨盘应用领域涉及汽车和家电等领域,加工对象包括汽车摩托车缸套、连杆、汽车节气门导杆、空调压、缩机支座内孔和平面等 ; 产品性能不断提高,汽车、摩托机缸套、连杆力工加工用 CBN珩磨油石的性能质量达到发达国家同类产品水平。

  电镀金属结合剂 CBN 磨具包括电镀 CBN 磨头、高速钢木工刀具、开槽用电镀 CBN 砂轮、电镀压缩机叶片槽磨砂轮和电镀磨曲轴砂轮等,达到或接近国外同类产品水平。

  5.1 制造技术发展预测

  CBN 砂轮的修整技术已经成为制约 CBN 磨具推广应用的瓶颈。因此需要进一步加强研究,开发出更加高效的精密修整技术,解决 CBN 砂轮修整难的问题。

  为进一步发挥 CBN 磨料的优异特性,满足各种不同加工对象高效精密加工的需求,高耐热高流动性树脂、溶胶凝胶法陶瓷结合剂、高强度玻璃陶瓷结合剂、树脂 / 金属复合结合剂、陶瓷 / 金属复合结合剂等新型结合剂的研究,将成为 CBN 磨具结合剂的研究热点。

  为提高结合剂与 CBN 磨料的把持力,从而提高磨削效率和磨具的使用寿命,需要加强结合剂与磨料界面结合机理的研究。

  为满足使用速度不于小 200m/s 的超高速磨削技术对陶瓷结合剂 CBN 砂轮的要求,需要进一步加强轻量化基体、超高速砂轮安全检测技术的研究。

  为适应发展低碳经济的需要,具有高效、节能、低耗、环保特点的新型烧结烧成技术与装备,将会得到研究开发。

  为满足智能制造技术发展的需要,数字化、智能化设计技术,可靠性评价技术将会得到关注和发展 ;3D打印的应用技术将会成为行业关注的热点。

  5.2 CBN 磨具产品预测

  随着智能制造和一带一路的发展,机器人用于交叉滚珠轴承、高铁用轴承等高端产品的需求量越来越大,对加工制造精度及其一致性的要求越来越高。使用 CBN 磨具进行加工,将显著提高轴承零件加工精度及其一致性。

  应多关注轴承行业的需求,积极开展该行业用CBN 磨具的研究开发,拓展新的应用领域,寻找新的市场机会。

  随着多品种、小批量、个性化等定制生产方式的推广,具有高型面保持性,适合于异形复杂型面工件加工用电镀金属结合剂 CBN 砂轮将得到关注工与发展。

  随着装配式凸轮轴的推广应用,新型陶瓷结合剂 CBN 砂轮将会得到开发应用。

  随着不锈钢、氮化不锈钢等难加 工 材 料 应 用 范 围 的 快 速 扩 大,CBN 磨具的推广应用将会进一步扩展,例如用于汽车电子助力泵、制冷压缩机叶片、液压泵叶片等高效磨削加工的树脂结合剂 CBN 磨具用量会进一步加大,一系列具有综合优势的新型复合结合剂磨具产品将得到开发。

  6.金刚石深孔钻进的特点与展望

  矿产资源对人类生存和发展而言是重要的物质基础,矿业在我国产业经济中处于“上游”地位,对社会产业链有极大影响。我国历来是矿产贫乏 ( 人均占有量 ) 的国家,无论是黑色金属还是有色金属,乃至非金属矿产。目前,中共中央、国务院推行“一带一路”倡议,已初见成效,但立足国内、立足西部、立足深孔钻进,仍是获得矿产资源的主要方向。

  现阶段,我国矿产资源的主要特点是:(1) 矿产资源总量丰富,品种齐全,但人均占有量少。(2) 矿产质量贫富不均,贫矿多,富矿少,开发利用难度大,大多数金属矿产供保有储量低,可利用的经济基础储量少。(3) 支柱性矿产的质量和产出条件差。(4) 资源分布与加工消费区不匹配。(5) 共生伴生矿多,单矿种矿床少,分、选冶炼困难,综合利用水平低。

  数十年的矿产勘查与开采,我国浅部地层的矿产资源已开采殆尽,地质找矿逐步从过去经过的浅部(300m 以内 ),中深部 (300-1000m)转向深部 ( 大于 1000m) 甚至超深部勘探 ( 大于 3000m)。

  金刚石钻进在深部钻进的优势主要有以下几个方面:

  (1) 金刚石钻头在坚硬地层中钻进具有优良的使用效果,破碎效果高于硬质合金,能适应深孔的要求。

  (2) 硬质合金钻进、冲击钻进等其他钻进方法在深孔钻进中经济性较差,随着勘探深度的增加,勘探成本呈几何倍数递增,达不到勘探所需的经济效果。而金刚石钻进在深部钻探中却能保持良好的经济性,性价比。

  (3) 与金刚石钻进配套的绳索取芯钻进,能实现不提钻取芯钻进,在深部钻进中能减少下钻时间,在一定程度上提高勘探的工作效率,节约勘探成本。

  (4) 一系列与绳索取芯相关的技术可应用在深孔钻进中,指导深部钻探。

  7.结语

  听听我们的专家、学者是怎样说的。

  7.1吕智、谢志刚等认为:未来超硬材料行业将进入稳定发展格局,既要发展高端制品,如金刚石线锯、大单晶刀具等,又要开拓超硬材料制品应用领域,扩大在精密加工、手机背板陶瓷材料、人造石、工程机械、石墨烯等领域应用,同时要增强超硬材料在功能应用方向开发并重视产品细节,加强质量控制。整个行业要加强基础性研究和实施创新战略,并要联合攻关,以实现我国超硬材料及制品由大国向强国转变。

  7.2 赵亮、王明智等指出:随着我国航空航天、汽车制造等支柱产业的发展,新材料、新设备的出现,对超高速切削、高精加工的要求不断增加,PCBN 内的需求量也不断增大,为进一步满足高精加工,纳米 PCBN 将会成为研究热点。黏结剂对 PCBN 复合片性能的提高起到至关重要的作用,仍是研究的重点,需进一具步探究黏结剂的作用机理,寻找合适的黏结剂种类、配比,以提高 PCBN 复合片的综合性能,提高 PCBN 复合片的市场竞争力。

  7.3 吕智,林峰等预计,国内超硬材料近几年在 5G 手机陶瓷背板加工、PCD、PCBN 等方面取得更大突破 ; 国内精密加工产品会实质性进入汽车整车厂 ; 政府和企业将会加大金刚石工具在半导体加工领域的投资和研发力度 ; 超硬材料在航空航天、生物医疗领域的应用会加速。

  7.4 张延军,王文龙提出,未来几年国内 PCBN 刀具材料将重点提高复合片的强度,精细研究工艺,开发加工淬火钢用 PCBN 复合片,片径扩大到直径 58-74mm,发展涂层技术最终进入高端市场的发展方向。并在铸铁、粉末冶金、高温合金、淬火钢、航空不锈钢等材料力工加工中迎来广阔的前景。

  7.5 刘明耀,李克华说:随着我国国民经济建设的迅速发展,CBN磨具将得到大力发展和推广应用。同时,伴随着新型难加工材料的不断出现,加工要求的不断提高,加工技术的不断发展,对节能环保的关注不断加强,CBN 磨具产业将迎来更好的发展时机,CBN 磨具的优势将会得到进一步发挥和利用,新技术、新产品将会不断涌现,应用领域将不断扩展延伸,CBN 磨具产业规模将会进一步扩大,行业发展前景一片光明。

  7.6 赵永明,李亮告诉我们说,按油井行业的界定,井深 4500m 以下为浅井,4500-6000m 多为深井,6000m 以上为超深井。深井超深井油气资源的勘探开发是提高我国能源的重要一环,深井超深井技术的提高是我国在世界本行业内提高竞争力的关键。随着油气勘探开发勘探不断向深部发展,深井超深井钻进技术不断提高,应用规模日益扩大 , PDC 钻头的前景非常好。

  7.7 绿色制造是低碳、低能耗、低污染、低排放为基础的制造模式。其实质是能源高效利用、开发清洁能源、追求绿色 GDP 的问题。核心是能源技术和减排技术创新、产业结构和制度创新和人类生产发展观念的根本性转变。这是时代赋予我们的崇高使命和头等重要任务。作为科学技术工作者,特别是作为超硬材料制品研发与生产的科学技术工作者,应该积极主动地献身于这场伟大的技术变革中去,让其他材料无可比拟的超硬材料大显神威。

  7.7.1 复合超硬材料 PCD 的发展,在很大程度上提升了现代钻井技术水平,相信随着人们不断向更深地层寻找和开采石油,特别是天然气资源,复合材料 PCD 会有更大的应用前景。

  7.7.2 绿色切削技术的发展趋势表明,高速切削、高稳定性加工、硬态切削最符合绿色切削特征,干式切削与高速切削有机结合起来将是一种理想的非末端治理的高效、低耗、加工质量好、环境污染小、综合效益好的绿色切削,是未来机械切削加工的主流。

  7.7.3 高速 CBN 砂轮具有高效率、高精度、低磨削成本、低环境污染的高性能磨具产品,代表了当今世界磨具产品发展的一个方向,是实现绿色加工目标的有效手段。

  7.7.4 太阳能光伏产业是世界上发展速度最快的产业之一。为实现能源和环境可持续发展,世界各国均将太阳光伏发电作为新能源与可再生能源发展的重点。光伏产业的发展,为我国金刚石工具制造业带来又一巨大商机。

  7.7.5 为满足芯片微型化、高密度化、高速化、高数字化和系统集成化的要求,对芯片的直径、平坦化、线宽和金属互连层数提出了更高要求。因此,积极研发半导体硅材料加工用超精密金刚石工具是极其重要而又艰巨的任务。

关键字:超硬材料
[责任编辑:小娜]
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