王光祖,王蕓

(1.鄭州磨料磨具磨削研究所 河南 鄭州 450007;2.華中集團有限責任公司,江蘇 常州 213016)

淺析21世紀是中國金剛石世紀①

王光祖1,2,王蕓2

(1.鄭州磨料磨具磨削研究所 河南 鄭州 450007;2.華中集團有限責任公司,江蘇 常州 213016)

文章從擁有中國特色的鉸鏈式六面頂壓機、擁有技術(shù)力量雄厚的不同層次的研發(fā)中心與實驗室、擁有眾多的規(guī)?；a(chǎn)基地和擁有廣闊的國內(nèi)外市場等角度分析、考察了中國的優(yōu)勢,從而得出21世紀是中國金剛石世紀的論斷。

21世紀;中國金剛石世紀;四個“擁有”

Abstract:In the paper,based on analyzing the Chinese advantages from four aspects:possessing cubic hinge pressw ith Chinese characteristics,possessing different R&D center and laboratory w ith strong technology force,possessing numerous scale production bases and w ide market at home and abroad,the authors concluded that twenty-first century is the China diamond century.

Keywords:twenty-first century;China diamond century;four possess

中國對金剛石的研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用是全方位的。所謂全方位指的是金剛石合成技術(shù)及由此所得到的產(chǎn)品。例如,用靜態(tài)高壓高溫法合成得到的金剛石單晶、用低壓高溫氣相沉積法合成得到的金剛石膜與動態(tài)高壓高溫法得到的納米金剛石單晶與多晶。本文將著重分析靜態(tài)高壓高溫合成金剛石優(yōu)勢的形成與發(fā)展,與此同時會涉及一些金剛石膜與納米金剛石的研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用的態(tài)勢。中國金剛石的研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用經(jīng)過幾十年的發(fā)展,在國際同行業(yè)中是一支不可忽視的重要力量。

1 擁有中國特色的餃鏈式六面頂壓機

迄今,世界用于金剛石生產(chǎn)的靜態(tài)超高壓高溫設(shè)備有三種類型:一是以西方工業(yè)發(fā)達國家為代表的年輪式兩面頂壓機;二是中國的餃鏈式六面頂壓機(下簡稱六面頂壓機);三是俄羅斯、烏克蘭的雙面凹砧型壓機。這三種不同類型的壓機各有特點,從使用的實際效果來看,年輪式兩面頂壓機與餃鏈式六面頂壓機較之雙面凹砧型壓機更具優(yōu)勢。

中國笫一顆人造金剛石是在我國自行設(shè)計、制造的61型年輪式兩面頂壓機上研制成功的。中國金剛石行業(yè)則是采用餃鏈式六面頂壓機才發(fā)展起來的。上個世紀70年代初,我們根據(jù)合成腔體的不斷擴大,不僅能提高金剛石的產(chǎn)量,而且還有提高質(zhì)量的作用的事實,提出了高壓腔體大型化的主張。

我國科學家和工程技術(shù)人員發(fā)明的餃鏈式六面頂壓機,用四個超高壓缸推動四個方錐硬質(zhì)合金頂砧代替年輪式模具,把一個制造加工年輪模具的高技術(shù)問題降低為一個傳統(tǒng)的機械加工技術(shù)與較容易制造加工的方錐頂砧高技術(shù)相結(jié)合的新技術(shù)問題,這大大降低了建立高壓條件的技術(shù)難度。此發(fā)明降低了超硬材料行業(yè)的準入門檻,是我國超硬材料工業(yè)蓬勃發(fā)展的基石。

我國科學家在方錐頂砧的砧頭側(cè)面設(shè)計了一個小側(cè)面,為解決超高壓技術(shù)要解決的核心問題——密封問題和模具問題提供了一個簡單而有效的方法,同時也降低了傳壓介質(zhì)的性能和設(shè)計的要求。我國超硬材料行業(yè)有今天這樣的繁榮景象,不能忘記小側(cè)面的作用[1]。

隨著六面頂壓機的大型化,大尺寸腔體具有更靈敏的動態(tài)壓縮率,反應(yīng)芯內(nèi)的壓力梯度和溫度梯度更小,可為大粒度晶體生長提供更良好的微觀生長環(huán)境[2]。

根據(jù)文獻[4]研究者在兩面頂和六面頂?shù)墓ぷ鹘?jīng)驗,在傳壓材料特性下降和生長速度加快兩種不利條件下,六面頂生產(chǎn)的金剛石產(chǎn)品,晶體的對稱性平均優(yōu)于來自兩面頂?shù)漠a(chǎn)品,這里至少包括有其高壓腔內(nèi)壓力場較好的這一因素在內(nèi)。據(jù)說有人使用中國產(chǎn)的六面頂壓機,在國外生產(chǎn)出足以與兩面頂產(chǎn)品相媲美的PCD來,這也可當做一個旁證。

六面頂壓機在中國得到了迅猛發(fā)展,其主要標記為壓機大型化。以六面頂壓機為依托的超硬磨料生產(chǎn)已經(jīng)成為一種工業(yè)化體系,對傳統(tǒng)的世界超硬磨料格局產(chǎn)生了強有力的沖擊[3]。

2 擁有技術(shù)實力雄厚的研發(fā)中心

鄭州磨料磨具磨削研究所(河南鄭州)是中國第一顆人造金剛石研制成功的單位之一。在第一顆人造金剛石研制成功后,相繼又研制出第一片金屬結(jié)合劑金剛石砂輪和樹脂結(jié)合劑砂輪,第一顆立方氮化硼和第一粒人造金剛石聚晶體。這些成果經(jīng)中試后均在全國得到廣泛的推廣應(yīng)用,開創(chuàng)了我國超硬材料及制品的新領(lǐng)域。為中國超硬材料行業(yè)的形成與發(fā)展作出了巨大的貢獻,這應(yīng)是不爭的史實永遠載入中國超硬材料發(fā)展的史冊。

基于鄭州磨料磨具磨削研究所在我國超硬材料行業(yè)的形成和發(fā)展過程中所作出的重要歷史性貢獻和地方政府的積極支持,1999年10月,經(jīng)國家科學技術(shù)委員會批準,以鄭州磨料磨具磨削研究所為依托,組建了“國家超硬材料及制品工程技術(shù)研究中心”。

吉林大學國家超硬材料重點實驗室(吉林 長春),是1989年9月經(jīng)國家計委批準,由世界銀行貸款資助建立的超硬材料國家重點實驗室,實驗室現(xiàn)有多功能光譜儀、布里淵散射譜儀、激光喇曼光譜儀、激光加熱系統(tǒng)等一批先進設(shè)備。實驗室已成為我國超硬材料與高壓物理研究中心和這個領(lǐng)域高層次人才的培養(yǎng)基地。

另外,國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,山東省超硬材料工程技術(shù)研究中心。也是技術(shù)實力雄厚的國內(nèi)超材料研中心。

長沙礦冶研究院(湖南長沙),是金瑞新材料科技股份有限公司的依托單位?，F(xiàn)已發(fā)展成為我國電子基礎(chǔ)材料、超硬材料研究開發(fā)和生產(chǎn)的重要基地。主導產(chǎn)品有合成人造金剛石用觸媒合金、粉末一體化塊,高品級人造金剛石和金剛石微粉、工具等系列產(chǎn)品[4]。

北京天地東方超硬材料股份有限公司于2001年經(jīng)國家經(jīng)貿(mào)委批準成立。目前,以生產(chǎn)、經(jīng)營兩面頂生產(chǎn)的高品級金剛石單晶,大尺寸PCD,PcBN,化學氣相沉積(CVD)金剛石膜產(chǎn)品和新型激光焊接金剛石工具等各種超硬材料制品為主。承擔國家863新材料領(lǐng)域、國家科技攻關(guān)、國家自然科學基金、軍工科研等多項重大科技攻關(guān)和研究項目。CVD金剛石膜材料及產(chǎn)品:包括汽車刀具、精密軸承支撐器、新型復合刀具材料、強化木地板材料;金剛石熱沉、紅外窗口、拉絲模、耐磨噴嘴產(chǎn)品;超精密刀具、首飾刀具等。

安泰科技股份有限公司粉末冶金事業(yè)部霧化制粉廠的前身是鋼鐵研究總院粉末研究室霧化制粉組,其有近40年的歷史,擁有德國、英國引進的A r氣和高壓水霧化等多套裝備,包括一條100 M Pa超高壓水霧化生產(chǎn)線和一條全套引進的真空冶煉惰性氣體霧化制粉生產(chǎn)線,是國內(nèi)綜合配套最齊全的霧化制粉基地。

黃河旋風國家級企業(yè)中心和博士后科研工作站。

河南省科技廳豫科計[2007]10號文,批準河南省超硬復合材料及制品工程研究中心;河南省立方氮化硼及制品工程技術(shù)研究中心;河南省超硬研磨材料工程技術(shù)研究中心。為河南省創(chuàng)新團隊建設(shè)和科技領(lǐng)軍人物的培養(yǎng)步伐,把工程技術(shù)研究中心盡快建成企業(yè)乃至行業(yè)又好又快發(fā)展的動力源[5]。

河南工業(yè)大學、燕山大學、北京理工大學、都在承擔為超硬材料新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品的開發(fā)與培養(yǎng)中、高級技術(shù)人才的任務(wù)?，F(xiàn)在是我國超硬材料及制品研發(fā)過程中高級人才資源最富有的鼎盛時期,在從事這項事業(yè)的隊伍中,中科院院士有之,博導有之,教授有之,博士有之,高級工程師有之,乃至冠以這樣或那樣頭銜的學者也有之,碩士級的人才更不用說了,多得很,其數(shù)量之多,技術(shù)職稱之高,是本行業(yè)前所未有過的。這是中國將成為21世紀是中國金剛石世紀條件中最最重要的條件[6]。

3 擁有眾多規(guī)模化的生產(chǎn)基地

中南金剛石有限公司8/10～30/35產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn),標志著我國優(yōu)質(zhì)大顆粒金剛石合成技術(shù)已跨入國際先進行列。從而結(jié)束了我國長期只能生產(chǎn)中、低檔金剛石的歷史,實現(xiàn)了成為生產(chǎn)強國之夢。無疑對世界“兩霸”所壟斷的高品級金剛石產(chǎn)生強大沖擊,動搖他們的壟斷地位。

據(jù)不完全統(tǒng)計,2006年,全球金剛石產(chǎn)量達到35億克拉,國內(nèi)26億克拉,中南金剛石有限公司將達到11億克拉,占全球市場總量的31%,占國內(nèi)市場總量的42%。2010年產(chǎn)銷量將達到15億克拉,其中高品級金剛石產(chǎn)銷量達到6億克拉以上,銷售收入超過10億元,全球市場占有率超過50%[7]。

從中超協(xié)會2006年對28家企業(yè)的年產(chǎn)量統(tǒng)計得知,在此28家企業(yè)中,黃河旋風和中南兩大公司的產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的60%,6家超億克拉的企業(yè)產(chǎn)量占總產(chǎn)量的26%(含一家專業(yè)生產(chǎn)細顆粒磨料級金剛石的企業(yè))。

需要注意的一個動向是,不少中小企業(yè)認識到了走差異化發(fā)展道路的重要性,避開與優(yōu)勢大企業(yè)在用量最大的鋸片級金剛石市場的競爭,轉(zhuǎn)而專業(yè)生產(chǎn)細顆粒磨料級金剛石(包括RVD,140/170～600/80的細粒,黑色脆性RVD),逐步朝市場細分的健康道路發(fā)展。

河南省亞龍超硬材料有限公司是中國人造金剛石微粉生產(chǎn)規(guī)模最大的基地,年生產(chǎn)能力1億克拉,其中90%的微粉出口到美國、瑞士、日本、韓國等。柘城是河南省的一個小城鎮(zhèn),這里有大大小小的人造金剛石微粉生產(chǎn)小作坊,達六七十家之多,估計年產(chǎn)量有個七八億克拉。在中國,河南不僅是人造金剛石微粉生產(chǎn)的第一大省,而且也是出口的第一大省。

河南富耐克超硬材料有限公司,是一家從事立方氮化硼產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)的專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)。cBN的年生產(chǎn)能力超億克拉,是中國最大的cBN供應(yīng)商。cBN單晶產(chǎn)品已系列化,cBN產(chǎn)品基本上銷往國外。

2007年中南杰特超硬材料有限公司,推出了30/60粗顆粒cBN,解決了世界性不易生產(chǎn)粗顆粒cBN的技術(shù)難題,使得我國cBN生產(chǎn)技術(shù)處于世界先進水平。

鄭州新亞復合超硬材料有限公司,是以制造金剛石復合片、立方氮化硼復合片、金剛石刀具、立方氮化硼刀具為主的專業(yè)化企業(yè),是國內(nèi)從事超硬復合材料研發(fā)與生產(chǎn)的姣姣者。此外,在鄭州還有河南四方超硬材料有限公司、河南英達萊超硬材料有限公司和河南華宜超硬材料有限公司[8]。

2006底年瑞士愛恩邦德(IonBond啟動了在中國市場的類金剛石涂層(DLC)項目。天然石材市場的主導者在近幾年內(nèi)已矚目換位。作為世界石材主要生產(chǎn)國和主要消費國的意大利和德國已分別被中國和美國取代,在世界石材市場上意大利淡出,俄羅斯崛起,中國穩(wěn)守第一,而其它國家的石材工業(yè)發(fā)展也早已步入了快車道。愛恩邦德的投產(chǎn),可以滿足更多高端市場的需求。這是國內(nèi)首家可生產(chǎn)類金剛石涂層的基地。愛恩邦德總部設(shè)在無錫。由于他們的很多國際性客戶已來到中國,所以將把中國總部擴建成為一個大型的綜合性服務(wù)基地。

Element Six也于2006年4月19日在蘇州成立了一家新的工業(yè)用合成金剛石工廠。合成金剛石的年產(chǎn)量增加3億克拉。這是該公司在亞洲的首次投資。Element Six首席執(zhí)行官Christian Hultner說:“我們的蘇州工廠將專門采用中國的工業(yè)用合成技術(shù)。”

在新世紀初,在綿陽、蘭州、西安、深圳、鄭州、山東等地先后建立起了年產(chǎn)千萬克拉規(guī)模的納米金剛石生產(chǎn)線。據(jù)不完全統(tǒng)計,涉足納米金剛石應(yīng)用開發(fā)的高校、院所與企業(yè)有四五十個單位。現(xiàn)已取得一批階段性成果。北京理工大學為這個技術(shù)領(lǐng)域已培養(yǎng)出一批高級人才。

4 擁有廣闊的國內(nèi)外市場

從美國2005年進口的金剛石來看:(1)鍍金屬衣的金剛石,中國占有市場的89.8%,處壟斷地位;(2)80mesh以細的金剛石中國占美國市場主導地位,其總量為60.7%,其次是愛爾蘭占19.5%;(3)80mesh以粗金剛石中國在美國市場上首次超過愛爾蘭,成為最大供應(yīng)商,占其進口總量的34.8%,這是我國金剛石競爭力增強的實質(zhì)性標志。

在國際市場,歐美有著生產(chǎn)金剛石工具最先進的技術(shù)、最高的質(zhì)量標準、最大的經(jīng)濟效益。打入了歐美市場,就等于站在了世界金剛石工具制造的潮頭。1999年開始,石家莊博深工具集團有限公司(簡稱博深)先后引進了價值300多萬美元的包括7套德國生產(chǎn)的新型CNC控制激光焊接機和數(shù)套真空熱壓機、自動冷壓機、金剛石涂覆機、造粒機、抗彎強度儀、美國PRC激光切割機等代表當今世界先進水平的生產(chǎn)、檢測設(shè)備,使博深公司的裝備水平達到“世界級”。2005年以后,分別在新加坡、美國設(shè)立了兩家全資子公司。確立了“立足美國,發(fā)展北美地區(qū)市場;立足新加坡,發(fā)展東南亞市場;立足德國,發(fā)展歐洲市場,把博深打造成世界知名的金剛石工具生產(chǎn)商”的發(fā)展戰(zhàn)略。該公司的產(chǎn)品已得到了歐美地區(qū)各經(jīng)銷商與同行的認可,僅2005年,博深在美國的銷售就超過了800萬美元,占全國同類產(chǎn)品的40%以上[9]。

金剛石薄壁工程鉆(以下簡稱鉆頭),廣泛用于建筑工程行業(yè)。我國計劃在今后十年中,每年新增住房建筑面積約1億平方米,投資近千億元。如按2%的比例計算,每年鉆頭等工具的施工費用達20億元,則每年以薄壁鉆頭為主的金剛石工具消耗費用為5億元,若再加上舊房改造、裝修工程、打空調(diào)孔以及公路橋梁等各種混凝土工程的薄壁鉆頭使用,其數(shù)量更為可觀[10]。

湖北燕磯形成了全國最大的金剛石刀具生產(chǎn)基地。生產(chǎn)的金剛石刀具產(chǎn)品在國際市場占有率達到60%以上,2005年出口創(chuàng)匯200多萬美元(資料來源:中國企業(yè)報)。石材行業(yè)也是耗用工業(yè)金剛石的重要部門。據(jù)預測,21世紀頭二十年內(nèi)世界石材生產(chǎn)年均增長速度會超過6%,國際石材貿(mào)易年均增長速度超過8%。據(jù)國際權(quán)威資料顯示,2005年金球原石材使用量將達到8.68億平方米,需求荒料總量8000萬噸。石材行業(yè)是全球發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一[11,12]。

在天然石材貿(mào)易中,制成品的出口最有價值,中國在這方面的出口已位居第一。早在2005年,中國的出口量已經(jīng)是意大利的3倍。

據(jù)統(tǒng)計,韓國石材的92%是從中國進口的。今后隨著韓國的經(jīng)濟發(fā)展,石材的需求還會增加,從中國進口的石材也相應(yīng)會增多。

據(jù)了解,中國的花崗巖石材價格較低(每平方米比葡石材低約5美元),質(zhì)量較好,已經(jīng)使得一些葡花崗巖石材進口商將目光轉(zhuǎn)向中國,并且隨著歐洲市場的擴大,中國花崗巖石材開始擠占葡原有歐洲市場。幾年前,葡占德國花崗巖石材市場的46%,現(xiàn)已減至14%,大部分德國進口商轉(zhuǎn)而進口中國產(chǎn)品。

中國金剛石繩鋸技術(shù)創(chuàng)新之路還很漫長,任重而道遠,意味著金剛石耗量的巨大潛在商機[13,14]。

目前,精密技術(shù)制品生產(chǎn)有賴于精細金剛石磨料和金剛石磨具。據(jù)預測,全球精密技術(shù)制品交易每年以20%的速度增長。2000年交易總值為30億美元,至2005年可增至68億美元,其市場潛力之大可想而知[15]。

汽車制造業(yè)是許多國家國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè),汽車的產(chǎn)量與銷量均與日俱增。有人說,從美國底特律汽車城的生產(chǎn)線上每駛出一輛汽車就耗用掉1克拉金剛石。

聚晶金剛石(PCD)刀具在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用占到60%[16]。

近年來,PCD刀具在木工工業(yè)上的卓越性能,為PCD材料與木工工具生產(chǎn)商,特別是最終的木工工具用戶都帶來了巨大效益[17～19]。

5 結(jié)語

(1)隨著六面頂壓機向工作缸徑500mm至600mm以上等級發(fā)展,配套的控制系統(tǒng)的升級,特別是粉末觸媒技術(shù)在六面頂壓機上的成功推廣,粒度達到30/40高品級金剛石在六面頂壓機上大批量生產(chǎn),生產(chǎn)成本將進一步降低。發(fā)展六面頂壓機的優(yōu)勢,中國超硬材料工業(yè)對世界產(chǎn)生更強大的沖擊將是必然的。

(2)隨著高壓腔體的大型化,在六面頂壓機上合成高品級金剛石不但顯現(xiàn)出技術(shù)上的優(yōu)勢,而且經(jīng)濟上的優(yōu)勢同樣得到了顯現(xiàn)。所以,我們可以夸不夸張地說,沒有餃鏈式六面頂壓機,就沒有中國超硬材料的今天。

(3)40/50以細金剛石完全可以達到國外次當檔金剛石的質(zhì)量水平;35/40及以粗金剛石接近國外次高檔金剛石的質(zhì)量水平。這是一個了不起的突破[20]。

(4)應(yīng)用工業(yè)金剛石最多的部門為金屬材料加工,其次為石材行業(yè)、建筑業(yè)、采礦業(yè)、玻璃陶瓷等材料加工業(yè)。這些部門都擁有耗用工業(yè)金剛石的廣闊市場[21]。

(5)在殘酷的商戰(zhàn)中,一個企業(yè)首先要求生存然后才談得上發(fā)展。企業(yè)求得生存最基本的條件一是低成本,二是創(chuàng)新。企業(yè)的產(chǎn)品在激烈的市場競爭中要占有一席之地就必須價廉物美。

(6)金剛石無論是作為工程材料,還是功能材料,其應(yīng)用范圍尚未窮盡。金剛石的應(yīng)用對科學實踐,如基礎(chǔ)科學研究、新材料研究、新能源研究等必將起重要作用。金剛石未被發(fā)現(xiàn)的優(yōu)異物理和化學性質(zhì)很可能對21世紀科學技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生巨大而深遠的影響。

(7)21世紀將是以新材料為重要基礎(chǔ)的知識經(jīng)濟時代,而金剛石材料被譽為21世紀的材料。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展和人類社會的不斷進步,金剛石將為人類創(chuàng)造更大的財富。

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TQ 164

A

1673-1433(2010)01-0031-05

2010-01-28

王光祖(1933-),男,教授,長期從事超硬材料及制品的研發(fā)工作,出版多部專著,發(fā)表上百篇學術(shù)論文。