謝德龍,溫簡杰,方嘯虎,萬隆

(1.湖南大學材料科學與工程學院,湖南長沙410082;2.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,桂林5410042; 3.上海昌潤極銳超硬材料有限公司,上海201101)

超硬材料制品產(chǎn)業(yè)近期發(fā)展現(xiàn)狀與展望①

謝德龍1,2,溫簡杰3,方嘯虎3,萬隆1

(1.湖南大學材料科學與工程學院,湖南長沙410082;2.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,桂林5410042; 3.上海昌潤極銳超硬材料有限公司,上海201101)

在當前大力提倡循環(huán)經(jīng)濟與低碳經(jīng)濟的的形勢下,超硬材料制品產(chǎn)業(yè)保持著穩(wěn)定的發(fā)展。文章對超硬材料制品產(chǎn)業(yè)近期的發(fā)展做了總結(jié),對超硬材料未來的重點發(fā)展領(lǐng)域進行了展望。

超硬材料;制品;綜述;現(xiàn)狀;展望

我國超硬材料制品產(chǎn)業(yè)經(jīng)過五十年的發(fā)展,不僅在國內(nèi)已經(jīng)形成了品種齊全、產(chǎn)量居首、質(zhì)量部分達到國際先進水平的產(chǎn)業(yè)體系,而且在國際上占有了一定的優(yōu)勢。行業(yè)老先生方嘯虎教授在十余年前就提出:總有一天,終歸會在超硬材料與制品上都烙上“中國制造”,現(xiàn)在來看這一目標將會提前實現(xiàn)。在當前政府大力提倡低碳經(jīng)濟、循環(huán)經(jīng)濟、綠色經(jīng)濟的大形勢下,特別是“十二五”期間超硬材料被列入國家重點規(guī)劃和發(fā)展行業(yè)的背景下,我國超硬材料制品產(chǎn)業(yè)憑借著其可循環(huán)利用、綠色環(huán)保等優(yōu)勢,繼續(xù)保持著穩(wěn)定的、健康的發(fā)展。

1 超硬材料制品產(chǎn)業(yè)近期發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 關(guān)鍵技術(shù)取得進一步突破和發(fā)展

近十年來,單晶鍍覆、新型預合金粉、有序排布、柔性加工、激光焊接等關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)了較大突破,在光伏產(chǎn)業(yè)、電子信息工業(yè)、國防軍工產(chǎn)業(yè)等方面,超硬材料制品都取得了更多重要的應用。目前金剛石線鋸、高精度砂輪、涂附磨具等產(chǎn)品已經(jīng)部分替代進口同類產(chǎn)品,在國際市場上也具備了一定的競爭優(yōu)勢。一方面隨著技術(shù)的進步,超硬材料更多的優(yōu)異性能被人們所研究和應用,促進了超硬材料制品技術(shù)的進步和升級;另一方面隨著綠色經(jīng)濟和環(huán)保經(jīng)濟的興起,超硬材料制品產(chǎn)業(yè)憑借著其節(jié)能減排的循環(huán)經(jīng)濟特色,符合現(xiàn)代加工技術(shù)高效、低耗的綠色和環(huán)保理念。正是由于技術(shù)的進步及在綠色環(huán)保理念下的健康發(fā)展,使得超硬材料制品性能和技術(shù)不斷提高。

1.2 制品品種的多樣化、系列化、標準化、專業(yè)化

超硬材料制品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,尤其是經(jīng)過近十幾年來的發(fā)展,品種更加多樣化、精細化,應用也更標準化、專業(yè)化?，F(xiàn)在一般小規(guī)模的企業(yè)就會有幾十個產(chǎn)品規(guī)格;略有規(guī)模的企業(yè)會有幾百個產(chǎn)品規(guī)格;規(guī)模大或很大的企業(yè)會有上千個產(chǎn)品規(guī)格。以金剛石圓鋸片為例,其在石材加工、陶瓷切割、家庭裝修、混凝土切割等方面形成了豐富多樣的產(chǎn)品系列,在每一個產(chǎn)品系列中,又能根據(jù)不同的切割對象形成一個完整的產(chǎn)品體系,并且都具備了規(guī)?；?、專業(yè)化的生產(chǎn)。再如激光焊接鋸片,在本世紀初,由于引進了國外先進的高功率激光焊接設備,我國的激光焊接鋸片產(chǎn)品有了飛速的發(fā)展,建立了將近30個生產(chǎn)廠家,比較有影響力的有北京安泰鋼研超硬材料制品公司、博深工具公司等。通過技術(shù)的不斷進步,國內(nèi)的激光焊接鋸片完全能達到中高檔的要求,并且形成了系列的規(guī)格尺寸,從Φ105mm～Φ600mm的常規(guī)鋸片,到直徑達Φ1200mm的大直徑、高性能鋸片,系列化、多樣化的產(chǎn)品完全可以出口到國外去,并且能占據(jù)越來越大的國際市場。

1.3 制品的特色化品牌化發(fā)展更加明顯

超硬材料制品產(chǎn)業(yè)在朝著多樣化、系列化、標準化、專業(yè)化方向發(fā)展的同時,也必然會重視產(chǎn)品的差異化、特色化、個性化和品牌化。在競爭日益激烈的今天,特色化的品牌產(chǎn)品無異會具有更強的生命力和吸引力,更能獲得客戶的青睞。各個制品生產(chǎn)廠家越來越注重自身的產(chǎn)品定位,越來越重視產(chǎn)品的特色經(jīng)營,越來越加強對自身品牌的建設。細數(shù)超硬材料制品行業(yè)的知名公司就可以發(fā)現(xiàn),任何一家公司的成功無一例外是有自己的主導產(chǎn)品。不僅如此,更多的廠家還將精力投入到技術(shù)創(chuàng)新和管理提升上,以最大的可能去實現(xiàn)自身品牌的差異化、高端化、個性化。如以前總認為電鍍制品是個小打小鬧的產(chǎn)品,但國內(nèi)竟出現(xiàn)了產(chǎn)品包含六大系列,幾千個品種、上億元產(chǎn)值的一個中型企業(yè)。所以說:擁有鮮明特色的主打產(chǎn)品和很高知名度的品牌,是一家企業(yè)真正成熟和成功的標志。在這充滿希望與機遇的時代里,每一個企業(yè)必須經(jīng)營好自己的特色,并且要時時刻刻緊跟和了解客戶的需求,為客戶提供更多個性化和附加服務,才能在市場的檢驗中站住腳。

1.4 技術(shù)聯(lián)盟在制品發(fā)展中的角色愈發(fā)重要

技術(shù)聯(lián)盟在超硬材料制品產(chǎn)業(yè)發(fā)展中扮演著重要角色,是創(chuàng)新和發(fā)展的驅(qū)動力。通過組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,可以探討制品發(fā)展面臨的問題和障礙;通過各成員間的溝通和協(xié)調(diào),可以形成促進制品發(fā)展的新機制和新模式。原來的技術(shù)聯(lián)盟主要集中在河南境內(nèi),鄭州是全國最重要的一個制品發(fā)展基地。近十幾年來,出于制品發(fā)展的需要,其他有條件的地區(qū)都在積極籌建。如北京、泉州、石家莊、鎮(zhèn)江、鄂州、萊州、云浮等通過這些年的發(fā)展,已經(jīng)并列成為國內(nèi)金剛石工具產(chǎn)品的多個大制造基地和集散中心。技術(shù)聯(lián)盟和制品基地的形成,為超硬材料制品產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展插上了騰飛的翅膀。

2 超硬材料制品產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望

2.1 超硬材料刀具

超硬刀具主要包括單晶金剛石刀具、聚晶金剛石刀具(PCD)、聚晶立方氮化硼(PcBN)刀具、化學氣相沉積金剛石刀具(CVD)等。未來的中國制造業(yè)正朝著高效、高速、高精度方向發(fā)展,在汽車、航天航空、能源、軍事、機械等領(lǐng)域,超硬材料刀具都將有更加廣闊的發(fā)展前途和發(fā)展空間。如何使超硬材料刀具符合現(xiàn)代高速、高效、高精度、低成本以及低碳環(huán)保的要求,如何實現(xiàn)超硬刀具的“綠色使用”,是我們必須重視的一個問題。

超硬材料刀具的發(fā)展和應用水平直接決定著一個國家的制造業(yè)水平,大力開發(fā)高檔刀具,提高切削工藝的發(fā)展,已經(jīng)成為世界各國的共識。對于中國來講,當前處在一個制造業(yè)大國向強國邁進的關(guān)鍵階段,在未來制造業(yè)水平的提高上,在今后我國工業(yè)經(jīng)濟的高速發(fā)展上,超硬材料刀具都是一個關(guān)鍵因素。

2.2 深孔鉆進工具

這里說的深孔鉆進工具主要是指深孔地質(zhì)礦產(chǎn)鉆頭、深孔油(氣)井鉆頭、深孔科學鉆探鉆頭、深孔海洋鉆探鉆頭等。多種深孔鉆探鉆頭都在朝著鉆進更深地層的方向發(fā)展,對我們進一步認識地球是有著積極的意義的,同時對我們獲取有益的礦產(chǎn)資源也有著積極意義。

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,我國淺部地層的礦產(chǎn)資源已經(jīng)開發(fā)到了極限,地質(zhì)找礦逐步從過去的淺部(500m以內(nèi))、中深部(500～800m)轉(zhuǎn)向深部(大于1000m)甚至超深部勘探(大于3000m)。2011年12月8日,國務院辦公廳下發(fā)了由國土資源部、發(fā)展改革委、科技部、財政部四部委聯(lián)合編制的《找礦突破戰(zhàn)略行動綱要(2011-2020)》,要求“對重要固體礦產(chǎn)加強隱伏礦勘察和深部找礦,穩(wěn)定和擴大產(chǎn)能”,“開展老礦山深部和外圍接替資源勘查,促進深部找礦突破”。由此可見,開發(fā)適應深部找礦的長壽命、高效率的深孔鉆頭,不僅關(guān)乎國家的礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略,而且影響著國民經(jīng)濟的持續(xù)、穩(wěn)定、健康發(fā)展,因此,深孔地質(zhì)鉆頭將成為超硬材料制品中的一個重要的研究方向。

不僅淺層礦產(chǎn)的開采到了極限,而且淺層油氣資源的可采儲量也越來越少,于是人們需要不斷探索更深地層儲藏的石油天然氣。以往的油井井深一般在1000～2000m,如今4000～5000m井深已成為主流,有的石油深井甚至已達7000～8000m。鉆井越深,對鉆頭的要求就越高,所以我們要引起足夠的重視,投入更多的科研力量,爭取早日開發(fā)出適應深孔鉆進的工具,更好地為資源開采服務。

當然,在海洋鉆探、月球勘探等方面,也必須加大對鉆進工具的研究。由于這些鉆進工具的研制具有特殊的難度,所以我們應很好重視,加速開發(fā)。以前我們對深孔海洋鉆探投入甚少,隨著國家對南海地區(qū)地位的重視,以及已列為重大項目,投入7000～8000萬元,相信不久的將來一定會取得重大突破和進展。

2.3 金剛石修整工具

金剛石修整工具主要是對普通磨料砂輪進行高效精密修整。目前主要有單顆粒金剛石修整筆、多顆粒金剛石修整片及金剛石修整滾輪三種產(chǎn)品。我國的金剛石修整工具制造技術(shù)相對來說已經(jīng)比較成熟,能夠滿足中等精度和部分高精度修整要求。

為滿足超精密加工的要求,對修整工具特別是修整滾輪的精度的要求必將會更高,微米級金剛石修整滾輪具有更高的形位精度,因此,將成為未來的一個重要發(fā)展方向。同時,針對不同的修整對像,將會出現(xiàn)相應的修整工具,即金剛石修整工具將會更加專業(yè)化、精密化。當然,在提高精密化和專業(yè)化的同時,也要考慮低成本化,如何將新型高品級大顆粒合成金剛石用在修整工具上,如何降低制造成本,如何盡量提高工作效率,是科研人員要認真思考的一個問題。如在2006年,三磨所胡玉峰等人研發(fā)了汽車轉(zhuǎn)向齒條磨削用高精度金剛石滾輪,在磨削性能上達到了國外同類產(chǎn)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

相對其它超硬材料制品來說,超硬材料涂附磨具的發(fā)展較晚,算得上是近年來才發(fā)展起來的新型制品,雖然很多產(chǎn)品依然處在開發(fā)之中,但應用前景已經(jīng)凸顯出來。金剛石砂帶砂布,金剛石研磨紙、研磨片等的相繼研發(fā)成功,不僅拓展了金剛石的應用范圍,而且將超硬材料制品產(chǎn)業(yè)推向了一個新的發(fā)展空間。

但是,由于只是部分產(chǎn)品投入批量生產(chǎn)應用,因此,涂附磨具在整個超硬材料制品中所占比例很小。即使如此,我們也應該看到涂附磨具是一項高附加值產(chǎn)品,發(fā)展空間巨大,利潤回報豐厚。隨著高強度粘結(jié)、有序排列、金剛石表面處理等各項技術(shù)難點的不斷突破,新型的超硬材料涂附磨具將快速發(fā)展起來,成為超硬材料制品產(chǎn)業(yè)中的又一個重要產(chǎn)品。

2.5 金剛石線鋸

金剛石線鋸在我國成為熱點完全是近幾年的事情,相對其它超硬材料制品來說它屬于新興產(chǎn)品。金剛石線鋸由于出現(xiàn)較晚,因此對它的研究相對比較少。但是,由于金剛石線鋸具備鋸縫小、鋸切效率高、加工實物損失少等優(yōu)點,得到了行業(yè)的普遍重視。由于線鋸獨特的優(yōu)勢,在光伏產(chǎn)業(yè)、光電子產(chǎn)業(yè)等行業(yè)有著廣闊的應用前景。隨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,金剛石線鋸的研究與應用必將得到加強,金剛石線鋸也將會成為超硬材料制品中又一類重要的類型。

由于我國的金剛石線鋸產(chǎn)業(yè)剛剛起步,因此存著著諸多問題,綜合來看,未來的一段時間要重點解決的是:(1)加強基礎理論研究。包括制造技術(shù)、鋸切技術(shù)、工藝原理等方面,要開展系統(tǒng)性的研究,以指導線鋸產(chǎn)業(yè)更快更好的發(fā)展;(2)制造線鋸的原材料的性能指標要有統(tǒng)一的標準。由于線鋸產(chǎn)業(yè)為新生產(chǎn)業(yè),包括金剛石、鋼絲、結(jié)合劑等原材料的檢測、使用都比較混亂,需要進一步明確和建立統(tǒng)一標準。(3)避免行業(yè)內(nèi)的惡性競爭。由于線鋸潛在的巨大市場,白熱化的競爭不可避免。必須改變這種情況,促進金剛石線鋸產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。

2.6 金剛石拉絲模

金剛石拉絲模的作用是拉制各種金屬線材,在我國經(jīng)歷了40多年的發(fā)展,目前已經(jīng)形成了結(jié)構(gòu)合理、品種齊全的格局。

相對于國際高端產(chǎn)品,我國拉絲模的綜合品質(zhì)與之依然存在著較大差距。高性能聚晶(復合片)、大顆粒人造金剛石單晶主要靠進口,并且?？准庸ぜ夹g(shù)是手工加工水平,數(shù)控加工技術(shù)的應用不夠普及。展望未來,我們必須提高自己產(chǎn)品的性能及使用壽命,依靠金剛石質(zhì)量的進步,提高模孔加工水平,提高激光加工水平,加強數(shù)控機床的使用,提高操作精度,全面提高我國金剛石拉絲模的總體制造技術(shù)水平。在滿足國內(nèi)市場的基礎上,眼光要看向世界,要以積極的心態(tài),爭取占領(lǐng)國際高端產(chǎn)品市場!

2.7 超硬材料制品新技術(shù)

超硬材料制品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展促進了一些新技術(shù)的產(chǎn)生,新技術(shù)的產(chǎn)生又反過來促進著超硬材料制品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。進入21世紀以來,超硬材料制品在均勻分布/有序排列技術(shù)、粉末超細化低氧化、粉末冷等靜壓技術(shù)等方面,都取得了重大突破。

采用均勻分布/有序排列技術(shù)與制造工藝,能改變常規(guī)金剛石工具里金剛石在胎體中的偏聚問題,使單位面積上的金剛石分布趨于一致,消除了金剛石富集和稀少帶來的不利影響,最大限度地提高了金剛石工具的工作效率與工作壽命。再加上一些先進的冷壓與燒結(jié)技術(shù),如粉末冷等靜壓、釬焊燒結(jié)技術(shù)等,從而使金剛石工具生產(chǎn)從模擬時代進入了數(shù)字化時代,顯著提高了工具的質(zhì)量與性能。

隨著預合金粉在超硬材料制品中的成功應用,對粉末的顆粒要求越來越嚴格。在顆粒尺寸向著微米級方向發(fā)展的趨勢下,如何生產(chǎn)出粒度更細的超細粉,如何有效地降低氧含量,將成為制約金屬粉末發(fā)展的關(guān)鍵因素。粉末越細,氧含量越低,粉末燒結(jié)組織合金化會更充分,晶粒尺寸會更加細小,組織會更細致、均勻,從而提高了金剛石制品的耐磨性。

總之,要重視制品領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)創(chuàng)新,通過新技術(shù)的開發(fā)與應用,推進制品的結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級,提高制品的技術(shù)含量,最終提高我國超硬材料制品產(chǎn)業(yè)的整體技術(shù)水平。

3 結(jié)論

超硬材料制品產(chǎn)業(yè)在飛速發(fā)展的同時,我們更要頭腦清醒,冷靜思考。我們要認識超硬材料制品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須是全方位、高效益、高水平、可持續(xù)的發(fā)展,而不僅僅是只保持一個較高的增長速度。我們必須登高望遠,面向世界、展望未來,這一點對發(fā)展中的中國超硬材料制品產(chǎn)業(yè)是非常重要的。

1.前面已經(jīng)提到:超硬材料制品將朝著系列化、標準化、專業(yè)化方向發(fā)展,因此各企業(yè)要實現(xiàn)品牌的差異化、高端化和個性化,要在制品行業(yè)中給自己重新定位。要走專業(yè)化和品牌化的路線,通過特色產(chǎn)品和服務,搶占市場份額中的最大“蛋糕”。

2.開發(fā)高檔產(chǎn)品是未來一段時間內(nèi)要加強的重點工作。國內(nèi)很多小企業(yè)還停留在依靠產(chǎn)量求利潤的發(fā)展模式上,特別是在磨具方面。我們必須要轉(zhuǎn)到從以量為榮到以質(zhì)為榮的軌道上來。通過新技術(shù)、新工藝的創(chuàng)新,提高產(chǎn)品的技術(shù)含量,提高高檔產(chǎn)品的比重。只有力挺產(chǎn)品高端,才是提高我國在國際市場競爭力的正確選擇。

3、超硬制品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是與超硬材料緊緊聯(lián)系在一起的,我們只有切實加強超硬材料的研制和應用,制品的發(fā)展才會有突破。要更好地發(fā)展超硬制品,必須首先解決好單晶金剛石、立方氮化硼、各種聚晶及復合片等的應用,拓展其應用領(lǐng)域和范圍,形成材料和制品兩條腿走路的良性局面。不能顧此失彼,使制品失去了發(fā)展依賴的基礎。

本文盡管對超硬材料制品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進行了預期和展望,但肯定是管中窺豹,難免掛一漏萬。技術(shù)在飛速進步著,超硬材料制品肯定會隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進步產(chǎn)生出更多、更好的新產(chǎn)品。不斷進步的超硬材料制品產(chǎn)業(yè)會更好地促進中國制造業(yè)的發(fā)展,促進中國經(jīng)濟的發(fā)展,會為“中國夢”和“超硬夢”的實現(xiàn)做出最特殊的貢獻。

[1] 方嘯虎,鄧福銘,鄭日升.現(xiàn)代超硬材料與制品[M].杭州:浙江大學出版社,2011:415-422.

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[8] 方嘯虎.中國超硬材料新技術(shù)與進展[M].合肥:中國科學技術(shù)大學出版社.2003.

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

謝德龍(1984—)男,湖南大學在讀博士研究生。從事超硬材料制品方面的研究工作,聯(lián)系方式:flora421@126.com