金刚石和超硬材料的应用与展望

金刚石和超硬材料的应用与展望

王文飞

河南黄河旋风股份有限公司河南省许昌461500

摘要：自1955年美国GE公司采用高温高压的方法获得人造金刚石以来，引起全世界的关切，尤其是对缺乏天然金刚石矿藏的国家具有巨大的吸引力。1957年以高温高压的方法合成了立方氮化硼。（CBN）。这些人造材料大大地丰富了材料宝库，特别有利于切削工具的发展。当时这些材料在机械加工领域的主要用途是作磨料。经过20多年的努力，1977年GE公司又成功地开发了金刚石烧结体（PCD）和CBN烧结体（PCBN），并制造成刀片，使人造超硬材料的用途进一步扩展，由磨削扩展到了切削。

关键词：金刚石；超硬材料；材料应用

1、前言

更可喜的是大颗粒的单晶金刚石和单晶CBN的合成，为取代天然金刚石创造了条件。据资料表明，当前已经合成的人造单晶金刚石中，最大的竟重达34.2克拉，但是要实际应用尚有待进一步的研究、探索，而且现在的成本也昂贵。我国在人造金刚石方面的发展也十分迅速，据统计，1993年全世界的产量为9亿克拉，而我国已达到2.1，2.3亿克拉，居世界首位。这表明我国在这个领域的潜力相当大。这门技术的发展为推动超硬材料在我国的广泛应用创造了前提。

2、相关技术应用发展现状

精密加工是衡量一个国家制造技术水平高低的重要标志，是现代高技术产业发展的基础。超硬材料广泛应用在汽车、空调压缩机、轴承、半导体、５Ｇ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，空调压缩机的活塞、气缸以及半导体芯片等精密加工中发挥着极重要的作用。超硬材料已大量应用在汽车行业的精密加工中，加工技术成熟。汽车发动机活塞、缸体、缸盖，汽车轮毂，变速箱齿轮，壳体，曲轴和凸轮轴等已广泛使用超硬材料进行加工，汽车领域的超高速磨削基本以CＢＮ砂轮为主。近年来，国内的CＢＮ砂轮取得了很大的进展，在技术水平上与国外先进产品相比差距不大。但在实际应用中，汽车整机厂使用的工具大都由国外CＢＮ砂轮垄断，国产CＢＮ砂轮主要在在汽车配件厂（曲轴、凸轮轴等）使用，占了８０％左右的比例。在转向器、变速箱、万向节等配件的加工上，国产砂轮正在逐步替代进口砂轮。ＰＣＤ超硬刀具高速铣削已逐渐应用于汽车发动机活塞、缸体、缸盖以及汽车轮毂等零件的精密加工中。ＰCＢＮ刀具在气门阀座圈，刹车盘以及发动机缸体缸盖的精密加工也取得了很大的进展。国产ＰＣＤ在性能、品种系列和质量的稳定性上，与国外相比还存在差距，差距在５年左右。ＰCＢＮ的差距比ＰＣＤ差距更大，目前在铸铁类的粗加工方面国内高含量ＰCＢＮ产品已占主流，但是在加工淬硬钢的低含量ＰCＢＮ和精加工方面，仍以国外品牌为主。整车厂几乎由国外产品垄断，但近年来已有突破，国内有少量产品进入整车厂，比如已经在国外独资的某汽车大品牌刹车盘加工厂得到了成功应用，近期有望全面进入。近几年国内CＢＮ砂轮发展迅速，用于空调压缩机三大部件（活塞、气缸、上下轴承座）加工用的内圆磨砂轮大幅增加。空调压缩机去年产量约为两亿台，全球７０％以上压缩机厂在中国，９０％的压缩机产自中国。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，目前已被全面替代，它是超硬材料精密加工中取代国外产品最成功的范例。在航空航天领域大量使用的高温合金、金属间化合物、先进陶瓷、碳纤维复合等难加工材料，目前主要采用硬质合金和普通磨料加工，在高温合金和碳纤维复合材料等方面部分采用了金刚石工具，但不是主流。金刚石工具在航空航天领域有很好的应用前景。据分析，在航空机载设备（导航系统、雷达系统、机械控制系统等）、发动机、机翼、骨架、机身、蒙皮等方面均有可能使用金刚石工具，国外已经研发出了钛合金、碳纤维复合等新型难加工材料加工用的金刚石刀具，并且已通过有关认证，在波音和空客公司成功使用。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。但是相对汽车领域来说，航空航天材料用超硬材料工具量不会很大。

3、超硬材料精加工的问题与对策

近年来国内超硬材料行业得到了迅速发展，取得了一些重大成果，但是精密加工方面，差距依然明显。如半导体芯片制造中用的金刚石工具，低含量ＰCＢＮ等，与国外同类产品相比仍有较大差距。半导体芯片制造对加工工件的平整度和精度等要求非常高，技术门槛明显，制造难度大，目前主要被国外企业产品所控制。低含量的高端ＰCＢＮ的主要差距在结合剂上，国内结合剂的性能与国外差距明显。主要原因是：高端技术研究不够，创新力度不强。超硬材料上下游企业之间的交流沟通不够密切通畅，就材料做材料的现象普遍存在，缺乏现场感觉，上下游企业没有找到一个合适节点有效对接。基础研究、工程化和产业化脱节现象严重，企业、学校、科研院所分工不明确，没有充分发挥各自优势。汽车整车厂进入门槛高，影响因素复杂国内超硬制品没有实质进入汽车整机厂的原因，既有技术方面的也有非技术方面的。在技术方面，整车厂要求产品品质高，质量稳定性好，因此用的都是国外大品牌，不轻易更换砂轮。非技术方面，虽然国内某些品牌砂轮性能差距不大，但是仍难进入整车厂，其重要原因是砂轮在加工成本中所占比例小，企业改变的动力不强；另一方面，国内产品的品牌效应还不强，用户还在观望和迟疑。５Ｇ手机背板材料加工存在重大技术瓶颈用于５Ｇ手机背板的氧化锆属于难加工材料，在加工过程中砂轮易磨钝，粉末容易堵塞砂轮，加工效率低，成品率低而且加工成本高，目前加工成本３００元人民币左右（手机厂家期望值１００元左右）。目前国内外均在探讨和优化技术路线，是采用磨削还是切削，尚未有定论。磨削的主要问题是效率难以满足要求，切削的问题在于材料本身，既硬又韧，切削难度太大。总之，氧化锆背板的加工，还存在较大的技术瓶颈。

4、超硬材料发展展望

目前，国内超硬材料在半导体行业的应用与国外差距明显，产品被国外垄断，主要原因是基础研究严重不够，缺乏有组织的攻关。由于芯片产品的特殊性，涉及国家的核心利益，加之具有较大的市场规模，必须值得高度关注。行业有关组织要加大宣传力度，及时向政府有关部门建言，获取政策和经费上的支持并牵头组织产学研攻关，力争短期内实质性缩小差距。氧化锆属于难加工材料，但手机行业的特点是批量大，加工效率和成本要求高，这些都是超硬材料加工的优势，因此对超硬材料行业来说应该是重大机遇。下一步要加强基础研究和应用研究，上下游、产学研紧密协同，尽快确定技术路线，争取在２～３年内全面攻克５Ｇ陶瓷背板加工难题。

5、结束语

超硬材料在轴承、新型陶瓷、硬质合金以及生物医疗等行业的应用潜力大，已做了大量的前期工作，应继续保持重点关注。充分认识金刚石微粉对精密加工的重要性，加大金刚石微粉高效率、高质量选型分级的研发力度，争取在短期内突破技术瓶颈，实现纳米级金刚石微粉的机械化高效生产。

参考文献

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