超硬材料制品产业近期发展现状与展望①

谢德龙,温简杰,方啸虎,万隆

(1.湖南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410082;2.国家特种矿物材料工程技术研究中心,桂林5410042; 3.上海昌润极锐超硬材料有限公司,上海201101)

超硬材料制品产业近期发展现状与展望①

谢德龙1,2,温简杰3,方啸虎3,万隆1

(1.湖南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410082;2.国家特种矿物材料工程技术研究中心,桂林5410042; 3.上海昌润极锐超硬材料有限公司,上海201101)

在当前大力提倡循环经济与低碳经济的的形势下,超硬材料制品产业保持着稳定的发展。文章对超硬材料制品产业近期的发展做了总结,对超硬材料未来的重点发展领域进行了展望。

超硬材料;制品;综述;现状;展望

我国超硬材料制品产业经过五十年的发展,不仅在国内已经形成了品种齐全、产量居首、质量部分达到国际先进水平的产业体系,而且在国际上占有了一定的优势。行业老先生方啸虎教授在十余年前就提出:总有一天,终归会在超硬材料与制品上都烙上“中国制造”,现在来看这一目标将会提前实现。在当前政府大力提倡低碳经济、循环经济、绿色经济的大形势下,特别是“十二五”期间超硬材料被列入国家重点规划和发展行业的背景下,我国超硬材料制品产业凭借着其可循环利用、绿色环保等优势,继续保持着稳定的、健康的发展。

1 超硬材料制品产业近期发展现状

1.1 关键技术取得进一步突破和发展

近十年来,单晶镀覆、新型预合金粉、有序排布、柔性加工、激光焊接等关键技术实现了较大突破,在光伏产业、电子信息工业、国防军工产业等方面,超硬材料制品都取得了更多重要的应用。目前金刚石线锯、高精度砂轮、涂附磨具等产品已经部分替代进口同类产品,在国际市场上也具备了一定的竞争优势。一方面随着技术的进步,超硬材料更多的优异性能被人们所研究和应用,促进了超硬材料制品技术的进步和升级;另一方面随着绿色经济和环保经济的兴起,超硬材料制品产业凭借着其节能减排的循环经济特色,符合现代加工技术高效、低耗的绿色和环保理念。正是由于技术的进步及在绿色环保理念下的健康发展,使得超硬材料制品性能和技术不断提高。

1.2 制品品种的多样化、系列化、标准化、专业化

超硬材料制品产业的发展,尤其是经过近十几年来的发展,品种更加多样化、精细化,应用也更标准化、专业化。现在一般小规模的企业就会有几十个产品规格;略有规模的企业会有几百个产品规格;规模大或很大的企业会有上千个产品规格。以金刚石圆锯片为例,其在石材加工、陶瓷切割、家庭装修、混凝土切割等方面形成了丰富多样的产品系列,在每一个产品系列中,又能根据不同的切割对象形成一个完整的产品体系,并且都具备了规模化、专业化的生产。再如激光焊接锯片,在本世纪初,由于引进了国外先进的高功率激光焊接设备,我国的激光焊接锯片产品有了飞速的发展,建立了将近30个生产厂家,比较有影响力的有北京安泰钢研超硬材料制品公司、博深工具公司等。通过技术的不断进步,国内的激光焊接锯片完全能达到中高档的要求,并且形成了系列的规格尺寸,从Φ105mm～Φ600mm的常规锯片,到直径达Φ1200mm的大直径、高性能锯片,系列化、多样化的产品完全可以出口到国外去,并且能占据越来越大的国际市场。

1.3 制品的特色化品牌化发展更加明显

超硬材料制品产业在朝着多样化、系列化、标准化、专业化方向发展的同时,也必然会重视产品的差异化、特色化、个性化和品牌化。在竞争日益激烈的今天,特色化的品牌产品无异会具有更强的生命力和吸引力,更能获得客户的青睐。各个制品生产厂家越来越注重自身的产品定位,越来越重视产品的特色经营,越来越加强对自身品牌的建设。细数超硬材料制品行业的知名公司就可以发现,任何一家公司的成功无一例外是有自己的主导产品。不仅如此,更多的厂家还将精力投入到技术创新和管理提升上,以最大的可能去实现自身品牌的差异化、高端化、个性化。如以前总认为电镀制品是个小打小闹的产品,但国内竟出现了产品包含六大系列,几千个品种、上亿元产值的一个中型企业。所以说:拥有鲜明特色的主打产品和很高知名度的品牌,是一家企业真正成熟和成功的标志。在这充满希望与机遇的时代里,每一个企业必须经营好自己的特色,并且要时时刻刻紧跟和了解客户的需求,为客户提供更多个性化和附加服务,才能在市场的检验中站住脚。

1.4 技术联盟在制品发展中的角色愈发重要

技术联盟在超硬材料制品产业发展中扮演着重要角色,是创新和发展的驱动力。通过组建产业联盟,可以探讨制品发展面临的问题和障碍;通过各成员间的沟通和协调,可以形成促进制品发展的新机制和新模式。原来的技术联盟主要集中在河南境内,郑州是全国最重要的一个制品发展基地。近十几年来,出于制品发展的需要,其他有条件的地区都在积极筹建。如北京、泉州、石家庄、镇江、鄂州、莱州、云浮等通过这些年的发展,已经并列成为国内金刚石工具产品的多个大制造基地和集散中心。技术联盟和制品基地的形成,为超硬材料制品产业的进一步发展插上了腾飞的翅膀。

2 超硬材料制品产业发展展望

2.1 超硬材料刀具

超硬刀具主要包括单晶金刚石刀具、聚晶金刚石刀具(PCD)、聚晶立方氮化硼(PcBN)刀具、化学气相沉积金刚石刀具(CVD)等。未来的中国制造业正朝着高效、高速、高精度方向发展,在汽车、航天航空、能源、军事、机械等领域,超硬材料刀具都将有更加广阔的发展前途和发展空间。如何使超硬材料刀具符合现代高速、高效、高精度、低成本以及低碳环保的要求,如何实现超硬刀具的“绿色使用”,是我们必须重视的一个问题。

超硬材料刀具的发展和应用水平直接决定着一个国家的制造业水平,大力开发高档刀具,提高切削工艺的发展,已经成为世界各国的共识。对于中国来讲,当前处在一个制造业大国向强国迈进的关键阶段,在未来制造业水平的提高上,在今后我国工业经济的高速发展上,超硬材料刀具都是一个关键因素。

2.2 深孔钻进工具

这里说的深孔钻进工具主要是指深孔地质矿产钻头、深孔油(气)井钻头、深孔科学钻探钻头、深孔海洋钻探钻头等。多种深孔钻探钻头都在朝着钻进更深地层的方向发展,对我们进一步认识地球是有着积极的意义的,同时对我们获取有益的矿产资源也有着积极意义。

随着国民经济的快速发展,我国浅部地层的矿产资源已经开发到了极限,地质找矿逐步从过去的浅部(500m以内)、中深部(500～800m)转向深部(大于1000m)甚至超深部勘探(大于3000m)。2011年12月8日,国务院办公厅下发了由国土资源部、发展改革委、科技部、财政部四部委联合编制的《找矿突破战略行动纲要(2011-2020)》,要求“对重要固体矿产加强隐伏矿勘察和深部找矿,稳定和扩大产能”,“开展老矿山深部和外围接替资源勘查,促进深部找矿突破”。由此可见,开发适应深部找矿的长寿命、高效率的深孔钻头,不仅关乎国家的矿产资源战略,而且影响着国民经济的持续、稳定、健康发展,因此,深孔地质钻头将成为超硬材料制品中的一个重要的研究方向。

不仅浅层矿产的开采到了极限,而且浅层油气资源的可采储量也越来越少,于是人们需要不断探索更深地层储藏的石油天然气。以往的油井井深一般在1000～2000m,如今4000～5000m井深已成为主流,有的石油深井甚至已达7000～8000m。钻井越深,对钻头的要求就越高,所以我们要引起足够的重视,投入更多的科研力量,争取早日开发出适应深孔钻进的工具,更好地为资源开采服务。

当然,在海洋钻探、月球勘探等方面,也必须加大对钻进工具的研究。由于这些钻进工具的研制具有特殊的难度,所以我们应很好重视,加速开发。以前我们对深孔海洋钻探投入甚少,随着国家对南海地区地位的重视,以及已列为重大项目,投入7000～8000万元,相信不久的将来一定会取得重大突破和进展。

2.3 金刚石修整工具

金刚石修整工具主要是对普通磨料砂轮进行高效精密修整。目前主要有单颗粒金刚石修整笔、多颗粒金刚石修整片及金刚石修整滚轮三种产品。我国的金刚石修整工具制造技术相对来说已经比较成熟,能够满足中等精度和部分高精度修整要求。

为满足超精密加工的要求,对修整工具特别是修整滚轮的精度的要求必将会更高,微米级金刚石修整滚轮具有更高的形位精度,因此,将成为未来的一个重要发展方向。同时,针对不同的修整对像,将会出现相应的修整工具,即金刚石修整工具将会更加专业化、精密化。当然,在提高精密化和专业化的同时,也要考虑低成本化,如何将新型高品级大颗粒合成金刚石用在修整工具上,如何降低制造成本,如何尽量提高工作效率,是科研人员要认真思考的一个问题。如在2006年,三磨所胡玉峰等人研发了汽车转向齿条磨削用高精度金刚石滚轮,在磨削性能上达到了国外同类产品的水平,使工作效率得到了大幅度提升。

2.4 超硬材料涂附磨具

相对其它超硬材料制品来说,超硬材料涂附磨具的发展较晚,算得上是近年来才发展起来的新型制品,虽然很多产品依然处在开发之中,但应用前景已经凸显出来。金刚石砂带砂布,金刚石研磨纸、研磨片等的相继研发成功,不仅拓展了金刚石的应用范围,而且将超硬材料制品产业推向了一个新的发展空间。

但是,由于只是部分产品投入批量生产应用,因此,涂附磨具在整个超硬材料制品中所占比例很小。即使如此,我们也应该看到涂附磨具是一项高附加值产品,发展空间巨大,利润回报丰厚。随着高强度粘结、有序排列、金刚石表面处理等各项技术难点的不断突破,新型的超硬材料涂附磨具将快速发展起来,成为超硬材料制品产业中的又一个重要产品。

2.5 金刚石线锯

金刚石线锯在我国成为热点完全是近几年的事情,相对其它超硬材料制品来说它属于新兴产品。金刚石线锯由于出现较晚,因此对它的研究相对比较少。但是,由于金刚石线锯具备锯缝小、锯切效率高、加工实物损失少等优点,得到了行业的普遍重视。由于线锯独特的优势,在光伏产业、光电子产业等行业有着广阔的应用前景。随着相关产业的飞速发展,金刚石线锯的研究与应用必将得到加强,金刚石线锯也将会成为超硬材料制品中又一类重要的类型。

由于我国的金刚石线锯产业刚刚起步,因此存着着诸多问题,综合来看,未来的一段时间要重点解决的是:(1)加强基础理论研究。包括制造技术、锯切技术、工艺原理等方面,要开展系统性的研究,以指导线锯产业更快更好的发展;(2)制造线锯的原材料的性能指标要有统一的标准。由于线锯产业为新生产业,包括金刚石、钢丝、结合剂等原材料的检测、使用都比较混乱,需要进一步明确和建立统一标准。(3)避免行业内的恶性竞争。由于线锯潜在的巨大市场,白热化的竞争不可避免。必须改变这种情况,促进金刚石线锯产业的良性发展。

2.6 金刚石拉丝模

金刚石拉丝模的作用是拉制各种金属线材,在我国经历了40多年的发展,目前已经形成了结构合理、品种齐全的格局。

相对于国际高端产品,我国拉丝模的综合品质与之依然存在着较大差距。高性能聚晶(复合片)、大颗粒人造金刚石单晶主要靠进口,并且模孔加工技术是手工加工水平,数控加工技术的应用不够普及。展望未来,我们必须提高自己产品的性能及使用寿命,依靠金刚石质量的进步,提高模孔加工水平,提高激光加工水平,加强数控机床的使用,提高操作精度,全面提高我国金刚石拉丝模的总体制造技术水平。在满足国内市场的基础上,眼光要看向世界,要以积极的心态,争取占领国际高端产品市场!

2.7 超硬材料制品新技术

超硬材料制品产业的发展促进了一些新技术的产生,新技术的产生又反过来促进着超硬材料制品产业的发展。进入21世纪以来,超硬材料制品在均匀分布/有序排列技术、粉末超细化低氧化、粉末冷等静压技术等方面,都取得了重大突破。

采用均匀分布/有序排列技术与制造工艺,能改变常规金刚石工具里金刚石在胎体中的偏聚问题,使单位面积上的金刚石分布趋于一致,消除了金刚石富集和稀少带来的不利影响,最大限度地提高了金刚石工具的工作效率与工作寿命。再加上一些先进的冷压与烧结技术,如粉末冷等静压、钎焊烧结技术等,从而使金刚石工具生产从模拟时代进入了数字化时代,显著提高了工具的质量与性能。

随着预合金粉在超硬材料制品中的成功应用,对粉末的颗粒要求越来越严格。在颗粒尺寸向着微米级方向发展的趋势下,如何生产出粒度更细的超细粉,如何有效地降低氧含量,将成为制约金属粉末发展的关键因素。粉末越细,氧含量越低,粉末烧结组织合金化会更充分,晶粒尺寸会更加细小,组织会更细致、均匀,从而提高了金刚石制品的耐磨性。

总之,要重视制品领域内的技术创新,通过新技术的开发与应用,推进制品的结构调整和产业升级,提高制品的技术含量,最终提高我国超硬材料制品产业的整体技术水平。

3 结论

超硬材料制品产业在飞速发展的同时,我们更要头脑清醒,冷静思考。我们要认识超硬材料制品产业的发展必须是全方位、高效益、高水平、可持续的发展,而不仅仅是只保持一个较高的增长速度。我们必须登高望远,面向世界、展望未来,这一点对发展中的中国超硬材料制品产业是非常重要的。

1.前面已经提到:超硬材料制品将朝着系列化、标准化、专业化方向发展,因此各企业要实现品牌的差异化、高端化和个性化,要在制品行业中给自己重新定位。要走专业化和品牌化的路线,通过特色产品和服务,抢占市场份额中的最大“蛋糕”。

2.开发高档产品是未来一段时间内要加强的重点工作。国内很多小企业还停留在依靠产量求利润的发展模式上,特别是在磨具方面。我们必须要转到从以量为荣到以质为荣的轨道上来。通过新技术、新工艺的创新,提高产品的技术含量,提高高档产品的比重。只有力挺产品高端,才是提高我国在国际市场竞争力的正确选择。

3、超硬制品产业的发展是与超硬材料紧紧联系在一起的,我们只有切实加强超硬材料的研制和应用,制品的发展才会有突破。要更好地发展超硬制品,必须首先解决好单晶金刚石、立方氮化硼、各种聚晶及复合片等的应用,拓展其应用领域和范围,形成材料和制品两条腿走路的良性局面。不能顾此失彼,使制品失去了发展依赖的基础。

本文尽管对超硬材料制品产业的发展进行了预期和展望,但肯定是管中窥豹,难免挂一漏万。技术在飞速进步着,超硬材料制品肯定会随着社会的发展和技术的进步产生出更多、更好的新产品。不断进步的超硬材料制品产业会更好地促进中国制造业的发展,促进中国经济的发展,会为“中国梦”和“超硬梦”的实现做出最特殊的贡献。

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Current situation and expectation of the superhard material products

XIE De-long1,2,WEN Jian-jie3,FANG Xiao-hu3,WAN Long1
(1.College of Material Science and Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China; 2.National Special Mineral Materials Engineering Research Center,Guilin 541004,China; 3.Shanghai CR GEMS Superabrasives Co.,Ltd.,Shanghai 201101,China)

The superhard material products have developed stably under the situation of circular economy and low carbon economy.Its progress was summarized and the expectation of the key fields in the future was discussed.At last there was a simple summary.

superhard material;products;current situation;expectation

TQ164

A

1673-1433(2014)01-0039-04

2014-03-25

谢德龙(1984—)男,湖南大学在读博士研究生。从事超硬材料制品方面的研究工作,联系方式:flora421@126.com