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超硬材料在精密加工中的應用現狀與展望

精密加工指加工精度在 0.1 ～ 1μm，加工表面粗糙度在 Ra0.02 ～ 0.1μm 之間的加工方法，是國家制造工業水平的重要標志之一。近幾年我國超硬材料在中、粗加工領域( 如石材、建材、木業等領域) 發展迅速，產品具有明顯的競爭優勢，取代進口并大量出口，是名副其實的超硬材料大國; 在空調壓縮機，汽車零部件和3C材料中的精密加工方面也取得了長足進步。但另一方面，在半導體精密加工和高端 PCBN、PCD 方面的加工仍以進口為主，而航空航天等行業的應用卻剛剛起步。總體上，中國超硬材料在精加工方面與國外先進水平仍存在較大的差距。 2. 超硬材料在精加工領域的應用現狀 精密加工是衡量一個國家制造技術水平高低的重要標志，是現代高技術產業發展的基礎。超硬材料廣泛應用在汽車、空調壓縮機、軸承、半導體、5G 手機背板、石油鉆進以及生物醫療等領域的精密加工中。超高速磨削 CBN 砂輪、PCD / PCBN 超硬刀具，金剛石超薄砂輪等超硬制品在汽車發動機，空調壓縮機的活塞、氣缸以及半導體芯片等精密加工中發揮著極重要的作用。2.1 超硬砂輪和刀具在汽車行業的應用超硬材料已大量應用在汽車行業的精密加工中，加工技術成熟。汽車發動機活塞、缸體、缸蓋、汽車輪轂、變速箱齒輪殼體、曲軸和凸輪軸等已廣泛使用超硬材料進行加工，汽車領域的超高速磨削基本以 CBN 砂輪為主。近年來，國內的 CBN 砂輪取得了很大的進展，在技術水平上與國外先進產品相比差距不大。但在實際應用中汽車整機廠使用的工具大都由 國外 CBN 砂輪壟斷，國產CBN 砂輪主要在在汽車配件廠( 曲軸、凸輪軸等) 使用，占了80% 左右的比例。在轉向器變速箱、萬向節等配件的加工上國產砂輪正在逐步替代進口砂輪。PCD 超硬刀具高速銑削已逐漸應用于汽車發動機活塞、缸體、缸蓋等零件的精密加工中。PCBN 刀具在氣門閥座圈，剎車盤以及發動機缸體缸蓋的精密加工也取得了很大的進展。國產 PCD 在性能、品種系列和質量的穩定性上，國外相比還存在差距在 5 年左右。PCBN 的差距比 PCD 差距更大，目前在鑄鐵類的粗加工方面國內高含量PCBN 產品已占主流，但是在加工淬硬鋼的低含量PCBN 和精加工方面，仍以國外品牌為主。整車廠幾乎由國外產品壟斷，但近年來已有突破，國內有少量產品進入整車廠，比如已經在國外獨資的某汽車大品牌剎車盤加工廠得到了成功應用，近期有望全面進入。2.2 CBN 砂輪在空調壓縮機行業的應用近幾年國內CBN 砂輪發展迅速，用于空調壓縮機三大部件( 活塞、氣缸、上下軸承座) 加工用的內圓磨砂輪大幅增加。空調壓縮機去年產量約為兩億臺， 全球 70%以上壓縮機廠在中國，90%的壓縮機產自中國。幾年前，空調壓縮機行業用的 CBN 砂輪幾乎全部使用國外產品，目前已被全面替代，它是超硬材料精密加工中取代國外產品＊成功的范例。2.3 金剛石工具在航空航天領域的應用在航空航天領域大量使用的高溫合金、金屬間化合物、先進陶瓷、碳纖維復合等難加工材料，目前主要采用硬質合金和普通磨料加工，在高溫合金和碳纖維復合材料等方面部分采用了金剛石工具，但不是主流。金剛石工具在航空航天領域有很好的應用前景。據分析，在航空機載設備(導航系統、雷達系統、機械控制系統等) ，發動機、機翼、骨架，機身蒙皮等方面均有可能使用金剛石工具，國外已經研發出了鈦合金、碳纖維復合等新型難加工材料加工用的金剛石刀具，并且已通過有關認證，在波音和空客公司成功使用。航空航天是超硬材料下一步應用拓展的十分有前景的領域，應該重點關注。但是相對汽車領域來說，航空航天材料用超硬材料工具量不會很大。2.4 超硬材料在半導體行業的應用半導體行業的硅晶片精密加工、晶圓精密切割等已廣泛采用金剛石工具。在芯片背面采用精密金剛石砂輪，實現了硅材料的納米級精度和表面粗糙度的高效超精密加工; 采用超薄超精切割刀片切割晶圓，用減薄砂輪進行減薄處理; 采用金剛石超薄砂輪進行切割封裝。日本、美國占據著國內外半導體行業用大部分金剛石砂輪的份額，目前國內半導體行業用砂輪 ( 切割、減薄、拋光) 80% 以上是進口產品，這是國內超硬材料在精密加工領域與國外差距＊大，也是產品進口比例＊高的行業。2.5  CBN 砂輪在軸承行業的應用國外企業早在 20 世紀 80 年代就開始使用CBN 砂輪內圓磨來加工軸承，并且國外企業在中國的軸承廠基本采用國內CBN 砂輪進行加工。但是中國本土的軸承企業目前仍以普通磨料砂輪為主，主要原因是國內軸承行業整體裝備水平落后，不能適應高速磨削的發展，導致 CBN 砂輪在國內現有設備上無法使用。軸承行業產量大，是 CBN 砂輪應用拓展很重要的一個領域。2.6 超硬材料在 3C 材料的應用3C 電子通訊領域是超硬材料＊近幾年成功應用的一個范例。聚晶金剛石輪廓刀、聚晶金剛石倒角刀、聚晶金剛石銑刀等金剛石刀具在 3C 產品的外殼加工上均有很好的應用，產品可以一次成型，提高了效率，并且保證了產品的表面光潔度。雖然刀具用的PCD 以進口為主，但是國產 PCD 近一年來取得實質性進展，產品性能已達到或接近國外產品水平，部分取代了進口。隨著 5G 時代的到來，5G 手機背板的選材成為熱點，目前判斷會以氧化鋯陶瓷為主。2.7 鉆探用 PCD 復合片近年來中國油氣鉆井用 PCD 復合片取得了很大進展，大部分產品性能與國外同類產品接近，而價格卻為國外產品的 80%。在國際市場也已獲得初步認可，但在高端鉆頭和關鍵部位應用上，國內產品所占有的份額仍然較少。目前，國內與國外的差異性主要體現在產品的穩定性與產品結構上。2.8 微粉的深度加工金剛石微粉是精密加工必不可少的關鍵材料，但 是國內企業對金剛石微粉的深度加工重視程度不夠。在形狀控制、表面分散性、表面純凈度、表面改性、粒度精細控制等方面還不能有效滿足使用要求。國內外在微粉處理技術上的差距不大，產品互為補充。2.9 金剛石材料在生物醫療領域的應用隨著醫療技術的發展，對醫療材料的品種和質量提出了更高的要求，為金剛石材料的應用開拓出一片新的市場。金剛石材料以其獨特的優勢應用在醫用刀具、醫用材料和醫藥領域中。由于金剛石手術刀具在手術過程中對手術部位的擠壓、撕拉損傷小、傷口邊緣整齊、易愈合，目前主要用于眼科、神經外科、骨科、口腔科以及生物組織切片等。人體植入物是近年來醫用領域中的一個熱門方向，在植入體表面鍍金剛石膜，能優化其體內的物理化學特性和生物相容性， 在醫用材料中加入金剛石成分優化其性能。利用納米金剛石顆粒獨特的惰性、生物相容性等性能應用于醫藥領域中，包括蛋白質分離、載藥、標記、抗癌治療、殺菌等方面有廣闊的前景。 3.國內超硬材料在精加工中存在的問題 3.1 高端產品創新力度不強，差距較大近年來國內超硬材料行業得到了迅速發展，取得了一些重大成果，但是精密加工方面，差距依然明顯。如半導體芯片制造中用的金剛石工具，低含量 PcBN 等，與國外同類產品相比仍有較大差距。半導體芯片制造對加工工件的平整度和精度等要求非常高，技術門檻明顯，制造難度大，目前主要被國外企業產品所控制。低含量的高端 PCBN 的主要差距在結合劑上， 國內結合劑的性能與國外差距明顯。主要原因是：高端技術研究不夠，創新力度不強。3.2 上下游，產學研協同嚴重不足超硬材料上下游企業之間的交流溝通不夠密切通暢，就材料做材料的現象普遍存在，缺乏現場感覺，上下游企業沒有找到一個合適節點有效對接。基礎研究、工程化和產業化脫節現象嚴重，企業、學校、科研院所分工不明確，沒有充分發揮各自優勢。汽車整車廠進入門檻高，影響因素復雜國內超硬制品沒有實質進入汽車整機廠的原因， 既有技術方面的也有非技術方面的。在技術方面，整車廠要求產品品質高，質量穩定性好，因此用的都是國外大品牌，不輕易更換砂輪。非技術方面，雖然國內某些品牌砂輪性能差距不大，但是仍難進入整車 廠，其重要原因是砂輪在加工成本中所占比例小，企業改變的動力不強；另一方面，國內產品的品牌效應還不強，用戶還在觀望和遲疑。3.3 5G 手機背板材料加工存在重大技術瓶頸用于 5G 手機背板的氧化鋯屬于難加工材料，在加工過程中砂輪易磨鈍，粉末容易堵塞砂輪，加工效率低，成品率低而且加工成本高，目前加工成本 300 元人民幣左右( 手機廠家期望值 100 元左右) 。目前國內外均在探討和優化技術路線，是采用磨削還是切削，尚未有定論。磨削的主要問題是效率難以滿足要求，切削的問題在于材料本身，既硬又韌，切削難度太大。總之，氧化鋯背板的加工，還存在較大的技術瓶頸。3.4 航空航天領域進展緩慢短期內難以突破由于航空航天領域的特殊性，對安全性和穩定性的要求非常高，因此不會輕易地改變生產工藝，超硬材料短期內還難以全面進入航空航天領域。目前加工航空航天材料還是以硬質合金刀具為主，國外大型航天航空廠家也只是少量使用超硬材料進行加工，短期內很難全面被取代。  4 發展展望 4.1 加強基礎研究，大力推進產學研結合，全面攻克5G 背板加工難題和實質縮小半導體加工差距目前，國內超硬材料在半導體行業的應用與國外差距明顯，產品被國外壟斷，主要原因是基礎研究嚴重不夠，缺乏有組織的攻關。由于芯片產品的特殊性，涉及國家的核心利益，加之具有較大的市場規模， 必須值得高度關注。行業有關組織要加大宣傳力度，及時向政府有關部門建言，獲取政策和經費上的支持并牽頭組織產學研攻關，力爭短期內實質性縮小差距。氧化鋯屬于難加工材料，但手機行業的特點是批量大，加工效率和成本要求高，這些都是超硬材料加工的優勢，因此對超硬材料行業來說應該是重大機遇。下一步要加強基礎研究和應用研究，上下游、產學研緊密協同，盡快確定技術路線，爭取在 2 ～ 3 年內全面攻克 5G 陶瓷背板加工難題。4.2 加大穩定性、針對性和擴大片徑研究，明顯提高高端 PCD，  PCBN 的產品性能，加快替代步伐預計國產 PCD / PCBN 五年內會有突破性進展， 其中 PCD 進展會比 PCBN 快。要加大穩定性和針對性以及結合劑研究，針對不同的加工對象，研發細分產品。目前國內主流復合片以 Φ( 30 ～ 40) mm 為主， 要加大對擴大片徑的研究，爭取在二年內開發出性能穩定的 Φ60mm 片徑產品。同時，啟動 Φ70mm 產品的研發，爭取 3 ～ 5 年內大幅度替代進口產品。4.3 加強與汽車整車企業的聯系和溝通，做好示范工程，局部突破，以點帶面目前，國產超硬材料產品大規模進入汽車整車領域的條件逐步成熟，3 ～ 5 年內有望取得重大突破。要加強與汽車整車企業的聯系和溝通，了解企業需求， 積極宣傳國內產品，根據企業提出的要求，有針對性的改進工藝。同時，做好示范工程，先易后難，爭取局部突破，以點帶面，進而實現全面突破。4.4 深入調研，客觀分析，制定超硬材料在航空航天領域的發展對策深入調研航空航天領域中超硬材料的應用情況， 分析所用材料的加工特性，確定取代技術路線，尋求突破口。在此基礎上，制定超硬材料在航空航天領域的發展對策。總體判斷是：超硬材料在航空航天領域的應用進程會比較曲折、緩慢，局部會有突破，全面替代短期內可能性不大。4.5 加大金剛石微粉深度加工的研發力度，爭取短期內突破技術瓶頸充分認識金剛石微粉對精密加工的重要性，加大金剛石微粉高效率、高質量選型分級的研發力度，爭取在短期內突破技術瓶頸，實現納米級金剛石微粉的機械化高效生產。4.6 密切跟蹤超硬材料在軸承、陶瓷、硬質合金以及生物醫療等行業的動態，擴大應用領域超硬材料在軸承、新型陶瓷、硬質合金以及生物醫療等行業的應用潛力大，已做了大量的前期工作， 應繼續保持重點關注。4.7加大 NPD 研發力度，推動高端 NPD 的產業化