呂智，謝志剛，林峰，莫培程，謝德龍，蔣燕麟，

劉燕，王智慧，肖樂銀，陳超

( 國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心，廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院，桂林 541004)

摘 要: 文章主要介紹了超硬材料在汽車、空調(diào)壓縮機(jī)、航空航天、半導(dǎo)體、軸承、5G 手機(jī)陶瓷背板、金剛石微粉深度加工以及生物醫(yī)療精加工等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析對比了國內(nèi)外產(chǎn)品的差異，認(rèn)為國內(nèi)超硬材料  應(yīng)用在粗加工方面優(yōu)勢明顯，精加工方面差距較大。存在高端產(chǎn)品創(chuàng)新力度不強(qiáng)和上下游、產(chǎn)學(xué)研協(xié)同不  足等問題，提出要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和產(chǎn)品穩(wěn)定性和針對性研究。預(yù)計(jì)國內(nèi)超硬材料近幾年在 5G 手機(jī)陶瓷背板加工、PCD,PCBN 等方面將取得重大突破; 國內(nèi)精密加工產(chǎn)品會實(shí)質(zhì)性進(jìn)入汽車整車廠; 政府和企業(yè)將會加大金剛石工具在半導(dǎo)體加工領(lǐng)域的投資和研發(fā)力度;  超硬材料在航空航天、生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用會加速。

關(guān)鍵詞: 超硬材料; 精密加工; 應(yīng)用; 展望

中圖分類號: TG454; TQ164    文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A    文章編號: 1673-1433( 2018) 06-0043-04

基金項(xiàng)目: 廣西科技計(jì)劃: 桂科 AA17204098( 高性能超硬刀具材料技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化) ; 廣西自然科學(xué)基金: 2017GXNSFBA198147( 金剛石顆粒表面相變行為及其與 Fe 基金屬結(jié)合劑的界面結(jié)合機(jī)理研究) ; 廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng): 17－ 259－ 26( 廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室) ; 桂林市科技計(jì)劃: 2016010701－1( 超硬材料及制品制備技術(shù)－汽車凸輪軸加工用立方氮化硼( CBN) 磨拋帶的開發(fā)研究)

作者簡介: 呂智( 1956－) ，男，博士，教授級高級工程師，長期從事超硬行業(yè)的研究與管理工作。

引文格式: 呂 智，謝志剛，林 峰，等．超硬材料在精密加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望［J］．超硬材料工程，2018，30( 6) : 43-46．

1 引言

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［1］，是國家制 造工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。近幾年我國超硬材料 在中、粗加工領(lǐng)域( 如石材、建材、木業(yè)等領(lǐng)域) 發(fā)展迅速，產(chǎn)品具有明顯的競爭優(yōu)勢，取代進(jìn)口并大量出 口，是名副其實(shí)的超硬材料大國; 在空調(diào)壓縮機(jī)，汽車零部件和3C 材料中的精密加工方面也取得了長足進(jìn)步。但另一方面，在半導(dǎo)體精密加工和高端 PCBN、PCD 方面的加工仍以進(jìn)口為主，而航空航天等行業(yè)的應(yīng)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(jìn)水平仍存在較大的差距［2］。

2 超硬材料在精加工領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

精密加工是衡量一個(gè)國家制造技術(shù)水平高低的 重要標(biāo)志，是現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。超硬材料 廣泛應(yīng)用在汽車、空調(diào)壓縮機(jī)、軸承、、半導(dǎo)體、5G 手機(jī)背板、石油鉆進(jìn)以及生物醫(yī)療等領(lǐng)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(fā)動(dòng)機(jī)，空調(diào)壓縮機(jī)的活 塞、、氣缸以及半導(dǎo)體芯片等精密加工中發(fā)揮著極重要 的作用。

2.1 超硬砂輪和刀具在汽車行業(yè)的應(yīng)用

超硬材料已大量應(yīng)用在汽車行業(yè)的精密加工中， 加工技術(shù)成熟。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行加工［3］，汽車領(lǐng)域的超高速磨削基本以 CBN 砂輪為主。近年來，國內(nèi)的 CBN 砂輪取得了很大的進(jìn)展，在技術(shù)水平上與國外先進(jìn)產(chǎn)品相比差距不 大。但在實(shí)際應(yīng)用中汽車整機(jī)廠使用的工具大都由 國外 CBN 砂輪壟斷，，國產(chǎn)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(zhuǎn)向器變速箱、萬向節(jié)等配件的加工上國產(chǎn)砂輪正在逐步替代進(jìn)口砂輪。PCD 超硬刀具高速銑削已逐漸應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋的精密加工也取得了很大的進(jìn)展。國產(chǎn) PCD 在性能、品種系列和質(zhì)量的穩(wěn)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(nèi)高含量PCBN 產(chǎn)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(chǎn)品壟斷，但近年來已有突破，國內(nèi)有少量產(chǎn)品進(jìn)入整車廠，比如已經(jīng)在國外獨(dú)資的某汽車大品牌剎車盤加工廠得到了成功應(yīng)用，近期有望全面進(jìn)入。

2.2 CBN 砂輪在空調(diào)壓縮機(jī)行業(yè)的應(yīng)用

近幾年國內(nèi)CBN 砂輪發(fā)展迅速，用于空調(diào)壓縮機(jī)三大部件( 活塞、氣缸、上下軸承座) 加工用的內(nèi)圓磨砂輪大幅增加?？照{(diào)壓縮機(jī)去年產(chǎn)量約為兩億臺， 全球 70%以上壓縮機(jī)廠在中國，90%的壓縮機(jī)產(chǎn)自中國。幾年前，空調(diào)壓縮機(jī)行業(yè)用的 CBN 砂輪幾乎全部使用國外產(chǎn)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(chǎn)品最成功的范例。

2.3 金剛石工具在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域大量使用的高溫合金、金屬間化 合物、先進(jìn)陶瓷、碳纖維復(fù)合等難加工材料，目前主要采用硬質(zhì)合金和普通磨料加工，在高溫合金和碳纖維 復(fù)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(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。據(jù)分析，在航空機(jī)載設(shè)備( 導(dǎo)航系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、機(jī)械控制系統(tǒng)等) ，發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)翼、骨架，機(jī)身蒙皮等方面均有可能使用金剛石工具，國外已經(jīng)研發(fā)出了鈦合 金、碳纖維復(fù)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(guān)認(rèn)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(yīng)用拓展的十分有 前景的領(lǐng)域，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注。但是相對汽車領(lǐng)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(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用

半導(dǎo)體行業(yè)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(shí)現(xiàn)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(jìn)行減薄處理; 采用金剛石超薄砂輪進(jìn)行切割封裝。日本、美國占據(jù)著國內(nèi)外半導(dǎo)體行業(yè)用大部分金剛石砂輪的份額，目前國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)用砂輪 ( 切割、減薄、拋光) 80% 以上是進(jìn)口產(chǎn)品，這是國內(nèi)超硬材料在精密加工領(lǐng)域與國外差距最大，也是產(chǎn)品進(jìn)口比例最高的行業(yè)。

2.4  CBN 砂輪在軸承行業(yè)的應(yīng)用

國外企業(yè)早在 20 世紀(jì) 80 年代就開始使用CBN 砂輪內(nèi)圓磨來加工軸承，并且國外企業(yè)在中國的軸承 廠基本采用國內(nèi)CBN 砂輪進(jìn)行加工。但是中國本土的軸承企業(yè)目前仍以普通磨料砂輪為主，主要原因是 國內(nèi)軸承行業(yè)整體裝備水平落后，不能適應(yīng)高速磨削 的發(fā)展，導(dǎo)致 CBN 砂輪在國內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備上無法使用。軸承行業(yè)產(chǎn)量大，是 CBN 砂輪應(yīng)用拓展很重要的一個(gè)領(lǐng)域。

2.5 超硬材料在 3C 材料的應(yīng)用

3C 電子通訊領(lǐng)域是超硬材料最近幾年成功應(yīng)用的一個(gè)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(chǎn)品的外殼加工上均有很好的應(yīng)用，產(chǎn)品可以一次成型，提高了效率，并且保證了產(chǎn)品的表面光潔度。雖然刀具用的PCD 以進(jìn)口為主，但是國產(chǎn) PCD 近一年來取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，產(chǎn)品性能已達(dá)到或接近國外產(chǎn)品水平，部分取代了進(jìn)口。隨著 5G 時(shí)代的到來，5G 手機(jī)背板的選材成為熱點(diǎn)，目前判斷會以氧化鋯陶瓷為主。

2.6 鉆探用 PCD 復(fù)合片

近年來中國油氣鉆井用 PCD 復(fù)合片取得了很大進(jìn)展，大部分產(chǎn)品性能與國外同類產(chǎn)品接近，而價(jià)格卻為國外產(chǎn)品的 80%。在國際市場也已獲得初步認(rèn)可，但在高端鉆頭和關(guān)鍵部位應(yīng)用上，國內(nèi)產(chǎn)品所占有的份額仍然較少。目前，國內(nèi)與國外的差異性主要體現(xiàn)在產(chǎn)品的穩(wěn)定性與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(guān)鍵材料，但 是國內(nèi)企業(yè)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(xì)控制等方面還不能有效滿足使用要求。國內(nèi) 外在微粉處理技術(shù)上的差距不大，產(chǎn)品互為補(bǔ)充。

2.9金剛石材料在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，對醫(yī)療材料的品種和質(zhì)量提出了更高的要求，為金剛石材料的應(yīng)用開拓出一片新的市場。金剛石材料以其獨(dú)特的優(yōu)勢應(yīng)用在醫(yī)用刀具、醫(yī)用材料和醫(yī)藥領(lǐng)域中。由于金剛石手術(shù)刀具在手術(shù)過程中對手術(shù)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(jīng)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(yī)用領(lǐng)域中的一個(gè)熱門方向，在植入體表面鍍金剛 石膜，能優(yōu)化其體內(nèi)的物理化學(xué)特性和生物相容性， 在醫(yī)用材料中加入金剛石成分優(yōu)化其性能。利用納 米金剛石顆粒獨(dú)特的惰性、生物相容性等性能應(yīng)用于 醫(yī)藥領(lǐng)域中，包括蛋白質(zhì)分離、載藥、標(biāo)記、抗癌治療、殺菌等方面［4］有廣闊的前景。

3.國內(nèi)超硬材料在精加工中存在的問題

3.1 高端產(chǎn)品創(chuàng)新力度不強(qiáng)，差距較大

近年來國內(nèi)超硬材料行業(yè)得到了迅速發(fā)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(dǎo)體芯片制造中用的金剛石工具，低含量 PcBN 等，與國外同類產(chǎn)品相比仍有較大差距。半導(dǎo)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(shù) 門檻明顯，制造難度大，目前主要被國外企業(yè)產(chǎn)品所 控制。低含量的高端 PCBN 的主要差距在結(jié)合劑上， 國內(nèi)結(jié)合劑的性能與國外差距明顯。主要原因是: 高端技術(shù)研究不夠，創(chuàng)新力度不強(qiáng)。

3.2 上下游，產(chǎn)學(xué)研協(xié)同嚴(yán)重不足

超硬材料上下游企業(yè)之間的交流溝通不夠密切 通暢，就材料做材料的現(xiàn)象普遍存在，缺乏現(xiàn)場感覺， 上下游企業(yè)沒有找到一個(gè)合適節(jié)點(diǎn)有效對接?；A(chǔ) 研究、工程化和產(chǎn)業(yè)化脫節(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，企業(yè)、學(xué)校、科 研院所分工不明確，沒有充分發(fā)揮各自優(yōu)勢。汽車整車廠進(jìn)入門檻高，影響因素復(fù)雜國內(nèi)超硬制品沒有實(shí)質(zhì)進(jìn)入汽車整機(jī)廠的原因， 既有技術(shù)方面的也有非技術(shù)方面的。在技術(shù)方面，整 車廠要求產(chǎn)品品質(zhì)高，質(zhì)量穩(wěn)定性好，因此用的都是 國外大品牌，不輕易更換砂輪。非技術(shù)方面，雖然國 內(nèi)某些品牌砂輪性能差距不大，但是仍難進(jìn)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(yè)改變的動(dòng)力不強(qiáng); 另一方面，國內(nèi)產(chǎn)品的品牌效應(yīng)還不強(qiáng)，用戶還在觀望和遲疑。

3.3 5G 手機(jī)背板材料加工存在重大技術(shù)瓶頸

用于 5G 手機(jī)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(jī)廠家期望值 100 元左右) 。目前國內(nèi)外均在探討和優(yōu)化技術(shù)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?？傊趸啽嘲宓募庸?，還存在較大的技術(shù)瓶頸。

3.4 航空航天領(lǐng)域進(jìn)展緩慢短期內(nèi)難以突破

由于航空航天領(lǐng)域的特殊性，對安全性和穩(wěn)定性的要求非常高，因此不會輕易地改變生產(chǎn)工藝，超硬材料短期內(nèi)還難以全面進(jìn)入航空航天領(lǐng)域。目前加工航空航天材料還是以硬質(zhì)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(jìn)行加工，短期內(nèi)很難全面被取代。 

4 發(fā)展展望

4.1 加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，大力推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，全面攻克5G 背板加工難題和實(shí)質(zhì)縮小半導(dǎo)體加工差距

目前，國內(nèi)超硬材料在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用與國外 差距明顯，產(chǎn)品被國外壟斷，主要原因是基礎(chǔ)研究嚴(yán) 重不夠，缺乏有組織的攻關(guān)。由于芯片產(chǎn)品的特殊 性，涉及國家的核心利益，加之具有較大的市場規(guī)模， 必須值得高度關(guān)注。行業(yè)有關(guān)組織要加大宣傳力度， 及時(shí)向政府有關(guān)部門建言，獲取政策和經(jīng)費(fèi)上的支持 并牽頭組織產(chǎn)學(xué)研攻關(guān)，力爭短期內(nèi)實(shí)質(zhì)性縮小 差距。氧化鋯屬于難加工材料，但手機(jī)行業(yè)的特點(diǎn)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(yōu)勢，因此對超硬材料行業(yè)來說應(yīng)該是重大機(jī)遇。下一步要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，上下游、產(chǎn)學(xué)研緊密協(xié)同，盡快確定技術(shù)路線，爭取在 2 ～ 3 年內(nèi)全面攻克 5G 陶瓷背板加工難題。

4.2 加大穩(wěn)定性、針對性和擴(kuò)大片徑研究，明顯提高高端 PCD，  PCBN 的產(chǎn)品性能，加快替代步伐

預(yù)計(jì)國產(chǎn) PCD / PCBN 五年內(nèi)會有突破性進(jìn)展， 其中 PCD 進(jìn)展會比 PCBN 快。要加大穩(wěn)定性和針對性以及結(jié)合劑研究，針對不同的加工對象，研發(fā)細(xì)分 產(chǎn)品。目前國內(nèi)主流復(fù)合片以 Φ( 30 ～ 40) mm 為主， 要加大對擴(kuò)大片徑的研究，爭取在二年內(nèi)開發(fā)出性能 穩(wěn)定的 Φ60mm 片徑產(chǎn)品。同時(shí)，啟動(dòng) Φ70mm 產(chǎn)品的研發(fā)，爭取 3 ～ 5 年內(nèi)大幅度替代進(jìn)口產(chǎn)品。

4.3 加強(qiáng)與汽車整車企業(yè)的聯(lián)系和溝通，做好示范工程，局部突破，以點(diǎn)帶面

目前，國產(chǎn)超硬材料產(chǎn)品大規(guī)模進(jìn)入汽車整車領(lǐng)域的條件逐步成熟，3 ～ 5 年內(nèi)有望取得重大突破。要加強(qiáng)與汽車整車企業(yè)的聯(lián)系和溝通，了解企業(yè)需求， 積極宣傳國內(nèi)產(chǎn)品，根據(jù)企業(yè)提出的要求，有針對性 的改進(jìn)工藝。同時(shí)，做好示范工程，先易后難，爭取局 部突破，以點(diǎn)帶面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全面突破。

4.4 深入調(diào)研，客觀分析，制定超硬材料在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展對策

深入調(diào)研航空航天領(lǐng)域中超硬材料的應(yīng)用情況， 分析所用材料的加工特性，確定取代技術(shù)路線，尋求 突破口。在此基礎(chǔ)上，制定超硬材料在航空航天領(lǐng)域 的發(fā)展對策?？傮w判斷是: 超硬材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)程會比較曲折、緩慢，局部會有突破，全面替 代短期內(nèi)可能性不大。

4.5 加大金剛石微粉深度加工的研發(fā)力度，爭取短期內(nèi)突破技術(shù)瓶頸

充分認(rèn)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(zhì)量選型分級的研發(fā)力度，爭取在短期內(nèi)突破技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)納米級金剛石微粉的機(jī)械化高效生產(chǎn)。

4.6 密切跟蹤超硬材料在軸承、陶瓷、硬質(zhì)合金以及生物醫(yī)療等行業(yè)的動(dòng)態(tài)，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域

超硬材料在軸承、新型陶瓷、硬質(zhì)合金以及生物 醫(yī)療等行業(yè)的應(yīng)用潛力大，已做了大量的前期工作， 應(yīng)繼續(xù)保持重點(diǎn)關(guān)注。

4.7加大 NPD 研發(fā)力度，推動(dòng)高端 NPD 的產(chǎn)業(yè)化

NPD 具有未來工業(yè)性超硬材料的潛質(zhì)，在精密加工中會有很好的應(yīng)用。近幾年實(shí)驗(yàn)室合成工藝已 基本成熟，在應(yīng)用中也取得了良好進(jìn)展，下一步要加 大工程化力度，大幅度降低成本，爭取早日投入商用。

參考文獻(xiàn):

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［2］ 呂智，謝志剛，林峰，等． 超硬材料行業(yè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

［J］． 超硬材料工程，2017( 5) : 47-51．

［3］  林峰，蔣燕麟，蘇鈺，等． 國外超硬材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢［J］． 超硬材料工程，2015( 1) : 31-38．

［4］  羅珊，胡小月，王成勇，等． 金剛石在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用［J］． 金剛石與磨料磨具工程，2018( 2) ．

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