一、刀具市場空間和規(guī)模

       切削加工是機(jī)械制造中最基本的加工方法之一，切削加工的目的是利用刀具切除被加工對象上的多余材料，從而得到形狀、精度和表面質(zhì)量都符合預(yù)定要求的表面。在進(jìn)行切削工作時，刀具需要承受很大壓力、沖擊力、熱載荷，因此刀具材料需要具備高硬度、高耐熱性、高強度和耐沖擊性的特點。一般來說，硬度越高的材料切削速度越快，加工效率越高，表面光潔度越好。

       隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球刀具市場亦保持著穩(wěn)步增加的趨勢。2019年全球刀具市場規(guī)模為359億美元，2020年全球刀具市場規(guī)模為370億美元，同比增速為3%。根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)，預(yù)計到2022年全球刀具市場將達(dá)到390億美元規(guī)模。

       目前，國內(nèi)刀具行業(yè)存在百億級的市場規(guī)模。我國刀具市場規(guī)模從2005年的137億元增長到2019年的393億元。從整體發(fā)展來看，2008年受到全球金融危機(jī)影響，2009年的刀具行業(yè)規(guī)模銳減，隨著行業(yè)內(nèi)企業(yè)平穩(wěn)度過金融危機(jī)的影響，在2011刀具市場恢復(fù)性增長達(dá)到了400億元。之后市場年增長速度平穩(wěn)，2012年至2019年刀具市場增速略有放緩，但市場總體規(guī)模提高，據(jù)不完全統(tǒng)計，2017年至2020 年平均市場規(guī)模為400億元。

       另一方面，中國刀具占全球市場的相對規(guī)模保持增長，2016年至2019年中國占全球刀具行業(yè)相對規(guī)模分別為14%、17%、18%、16%。從市場增長速度角度而言，相較于全球刀具市場，中國刀具市場仍然保持一個較高的增長速度，2018年全球刀具市場規(guī)模增速為2.6%，中國刀具市場規(guī)模增速為8.5%，是全球刀具市場規(guī)模增速的3倍。

二、刀具材料的分類及應(yīng)用領(lǐng)域

       縱觀切削刀具材料的發(fā)展歷史，可分為四類：高速鋼、硬質(zhì)合金（含硬質(zhì)合金PVD涂層）、陶瓷以及超硬材料。

20世紀(jì)初，匹茲堡伯利恒鋼鐵公司展現(xiàn)了泰勒（機(jī)械工程師）和懷特（冶金工程師）經(jīng)過反復(fù)切削測試的新型刀具，此刀具由制造時經(jīng)過一種熱處理的鉻鎢鋼所制成，其車削速度比碳鋼高出十幾倍。盡管在加工過程中，刀具和工件相互摩擦?xí)r產(chǎn)生熱量并且成暗紅色，但卻鋒利不減，削鐵如泥，令人驚嘆不止。此后，這種鋼就獲得了“高速鋼”的美名。之后人們不斷的變換高速鋼成分，先后出現(xiàn)了很多種類的高速鋼刀具。

       然而進(jìn)入20世紀(jì)中葉以來，各種高強度鋼、高錳鋼、不銹鋼、高硬耐磨鑄鐵、高溫合金、鈦合金，以及各種非金屬材料、復(fù)合材料等難加工材料相繼出現(xiàn)，高速鋼刀具加工這些材料時效率太低，甚至根本切不動。于是人們又改進(jìn)高速鋼的化學(xué)成分和熱處理方法，提高高速鋼的切削性能，出現(xiàn)了很多新型高速鋼，如含鈷、高釩超硬高速鋼等。另外又利用高硬度的碳化鎢和金屬粘結(jié)劑，經(jīng)粉末冶金工藝制成硬質(zhì)合金。本世紀(jì)20年代，先后制成鎢鈷類和鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金，并逐步應(yīng)用于生產(chǎn)。硬質(zhì)合金刀具加工某些金屬的效率，可比高速鋼提高4-10倍，而且硬質(zhì)合金的硬度很高，可以加工高速鋼加工不了的材料，但對當(dāng)時的生產(chǎn)水平而言，硬質(zhì)合金韌性差，可加工性能差，只能在部分加工范圍內(nèi)替代高速鋼使用。

       1969年瑞典研制成功了碳化鈦涂層（PVD涂層，即物理氣相沉積涂層）刀具，刀具的基體是鎢鈦鈷硬質(zhì)合金或鎢鈷硬質(zhì)合金，表面碳化鈦涂層的厚度不過幾微米，但是與同牌號的合金刀具相比，使用壽命延長了3倍，切削速度提高了25%～50%。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)第四代涂層刀具，可用來切削很難加工的材料。隨著技術(shù)水平的提高，硬質(zhì)合金刀具的性能得到了全方位的提高，即使PVD涂層刀具的出現(xiàn)，也并沒有動搖硬質(zhì)合金刀具的地位。硬質(zhì)合金刀具由于廣泛應(yīng)用于加工車刀、銑刀、刨刀、鉆頭和鏜刀，以及能夠加工的材料較多的突出綜合性能，在2019年全球刀具市場中，硬質(zhì)合金刀具仍占據(jù)著高達(dá)63%的市場份額。

       陶瓷刀具早在1912-1913年在英國和德國出現(xiàn)，由于其強度、韌度低，只應(yīng)用于連續(xù)切削的精加工中，且切削速度和進(jìn)給量都較低，直到1950年左右才開始被應(yīng)用于生產(chǎn)。直到后來出現(xiàn)了氧化鋁陶瓷刀具和氮化硅陶瓷刀具，強度和韌性才得到有效地提高。但其抗沖擊韌性和抗斷裂性能還是較差，不能斷續(xù)切削和性能較差的鑄造件加工。并且隨著后來的超硬刀具的出現(xiàn)，陶瓷刀具的市場一直沒能擴(kuò)展。

超硬刀具可分為金剛石類和立方氮化硼兩大類。金剛石類（單晶金剛石、PCD復(fù)合片、CVD金剛石涂層）刀具憑借其超高的硬度和耐磨性，在高強石墨、高硅鋁合金、鈦合金、鋁基復(fù)合材料、工程陶瓷、碳纖維復(fù)合材料（CFRP）、玻璃纖維增強復(fù)合材料（GFRP）等這些非鐵系材料的加工中，在穩(wěn)定性、加工壽命和效率方面具有無可比擬的優(yōu)勢，受到越來越多行業(yè)客戶的青睞，市場需求亦逐年增加。立方氮化硼類超硬刀具主要應(yīng)用于鐵系金屬的加工。

三、切削刀具發(fā)展趨勢

       近年來隨著汽車、航空航天、3C等行業(yè)的飛速發(fā)展，各種難加工復(fù)合材料的應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具或PVD涂層刀具的應(yīng)用在受到了極大的限制。伴隨著國家對環(huán)保要求的提高，CNC加工技術(shù)的迅猛發(fā)展以及數(shù)控機(jī)床的普遍使用，“綠色加工”、“以車代磨”、“以銑代磨”、“硬態(tài)加工”、“高速切削”、“鏡面加工”等先進(jìn)的切削加工概念伴隨著超硬刀具的應(yīng)用而被熟知，刀具市場的消費觀念和消費結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，超硬刀具尤其是單晶金剛石刀具及PCD復(fù)合片刀具因其卓越的切削性能、優(yōu)異的表面質(zhì)量、超長的加工壽命越來越受到市場的認(rèn)可和青睞。單晶金剛石刀具具有極高的刃口質(zhì)量，在合適的加工參數(shù)下，可以直接加工出納米級的表面光潔度，但單晶金剛石受到本身性能、規(guī)格尺寸、價格的限制，主要用于精加工和連續(xù)加工領(lǐng)域，且無法加工成復(fù)雜形狀的刀具來使用；PCD復(fù)合片可以根據(jù)具體需要加工成不同形狀的刀具來使用，但根據(jù)加工對象不同，需要選擇不同規(guī)格的PCD材料，而且由于PCD復(fù)合片材料本身的性能差異，在一定領(lǐng)域內(nèi)限制了其應(yīng)用。

       與單晶金剛石刀具、PCD復(fù)合片刀具不同，CVD金剛石涂層刀具是采用化學(xué)氣相沉積（CVD）的方法在硬質(zhì)合金刀具表面沉積CVD金剛石涂層的刀具。在CVD金剛石涂層過程中，刀具表面是純金剛石，沒有任何添加劑存在，避免了PCD復(fù)合片中添加劑金屬存在導(dǎo)致的應(yīng)用局限。而且整個沉積過程是在氣氛狀態(tài)下進(jìn)行，對刀具幾何形狀沒有特殊要求，可以在任意形狀的硬質(zhì)合金刀具表面做涂層，滿足復(fù)雜輪廓的加工需求。CVD金剛石涂層刀具充分利用了金剛石高硬度、高彈性模量、高熱導(dǎo)率、低摩擦系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能，是加工非鐵系難加工材料的理想刀具材料。

四、CVD金剛石涂層刀具的應(yīng)用領(lǐng)域

       1、近年來電火花加工（EDM）領(lǐng)域?qū)δ＞咧谱鞯囊笤絹碓礁?，銅電極由于自身條件的限制，已越來越不能滿足模具行業(yè)的發(fā)展要求。石墨具有較高的高溫強度、低熱膨脹系數(shù)、較好的可加工性和良好的電導(dǎo)率，作為EDM電極材料，具有高切削性、重量輕、成形快、膨脹率極小、損耗小、修整容易等優(yōu)點。然而，用于EDM電極材料的石墨微粒硬度非常高，且石墨電極形狀復(fù)雜，對加工刀具就提出了非常高的要求：刀具必須足夠鋒利以保證表面加工質(zhì)量；同時滿足一定的抗沖擊性能，防止石墨中的硬質(zhì)相崩刀；切削工況下與石墨保持化學(xué)惰性，以提高刀具壽命，降低加工成本。

       已有數(shù)據(jù)表明帶有CVD金剛石涂層的硬質(zhì)合金刀具加工石墨模具時，其壽命可達(dá)未涂層的硬質(zhì)合金刀具的10倍以上，同時，由于摩擦系數(shù)低，CVD金剛石涂層刀具加工速度可比硬質(zhì)合金刀具高2-3倍，不需冷卻液，可精確加工石墨電極的薄壁、深肋槽部位。在碳纖維復(fù)合材料的加工中，也有可能獲得較長的刀具壽命和較高的加工質(zhì)量。

       2、CVD金剛石涂層刀具因為刀具表面為純金剛石膜，因此耐磨性極高，在木工刀具方面也廣受歡迎，例如氧化鋁強化木地板的性能要優(yōu)于三聚氰胺木地板，其耐磨層更加堅硬，傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具已無法滿足加工需求，PVD涂層刀具也極易發(fā)生磨損，因此近年來PCD復(fù)合片刀具在該領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但由于PCD復(fù)合片刀具硬度、抗沖擊性能不如CVD金剛石涂層刀具，根據(jù)近兩年來木工刀具市場調(diào)研報告顯示，CVD涂層刀具在加工氧化鋁強化木地板上的壽命是PCD復(fù)合片壽命的2倍以上。而且在石材、玻璃纖維、碳基復(fù)合材料及有機(jī)復(fù)合材料的加工領(lǐng)域，CVD金剛石涂層刀具也是目前最理想的刀具材料。

       3、CVD金剛石涂層刀具可用于高精度刀具。在制版行業(yè)廣泛應(yīng)用的制版精修刀、首飾行業(yè)用到的首飾刀（俗稱劈花刀）等，這些刀具要求其本身的精度極高，刀具表面的粗糙度極低（部分要求達(dá)到0.05μm），以前只能使用單晶金剛石刀具才能滿足需求。目前CVD金剛石涂層刀具已廣泛應(yīng)用于超精加工領(lǐng)域，耐磨性比PCD刀具高2-10倍，加工質(zhì)量可與單晶金剛石刀具相媲美，而性價比遠(yuǎn)優(yōu)于單晶金剛石刀具。

五、CVD金剛石涂層刀具的現(xiàn)狀和發(fā)展前景

       CVD金剛石涂層刀具既具有硬質(zhì)合金的強韌性，又兼具了金剛石表面平整光滑、摩擦系數(shù)小和容易研磨拋光等優(yōu)點，在切削加工領(lǐng)域的需求日益廣泛。與PCD刀具相比，CVD金剛石刀具具有制備工藝簡單，而且可以做成各種復(fù)雜幾何形狀的優(yōu)點，但是，因金剛石薄膜與硬質(zhì)合金基體間附著力較差的缺點限制了CVD納米金剛石涂層刀具大規(guī)模工業(yè)化的應(yīng)用。

       從發(fā)展水平來看，國外CVD金剛石涂層技術(shù)已日趨成熟，已有多家以CVD金剛石涂層刀具技術(shù)進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)的公司，如德國賽利公司、瑞士歐瑞康巴爾查斯公司、英國卡羅杰公司等，這些公司已將CVD金剛石涂層刀具廣泛應(yīng)用到了實際生產(chǎn)當(dāng)中。幾乎世界知名的工具公司如Drukker、Sandwich、Kenner等在CVD金剛石刀具應(yīng)用方面投入了巨大的財力物力，進(jìn)行深入的研發(fā)，市場規(guī)模迅速擴(kuò)張。其中德國賽利于2019 年初，在蘇州設(shè)立CVD金剛石涂層生產(chǎn)線，生產(chǎn)CVD金剛石涂層刀具，同時也提供涂層服務(wù)和銷售CVD金剛石涂層設(shè)備。目前已推出了一系列金剛石涂層刀具。瑞士巴爾查斯是一家表面處理服務(wù)公司，于2010年收購德國D-Coat，推出金剛石涂層刀具。

       然而，國內(nèi)CVD金剛石涂層技術(shù)在實際生產(chǎn)中應(yīng)用的比較好的只有上海交通大學(xué)（交友鉆石公司），但僅限于在拉絲模具中的應(yīng)用，作為涂層刀具使用仍不成熟。近兩年，市場上有多家公司進(jìn)行CVD金剛石涂層刀具的宣傳和銷售，但其CVD金剛石涂層的制備多數(shù)是代工廠的涂層服務(wù)，并不掌握CVD金剛石涂層技術(shù)，因為關(guān)鍵技術(shù)容易受制于人，涂層服務(wù)成本占刀具銷售價格的一半以上，嚴(yán)重阻礙了CVD金剛石涂層刀具在國內(nèi)的快速推廣。

       國家在十二五規(guī)劃中明確指出，開發(fā)復(fù)合材料系列刀具以及專用金剛石涂層整體硬質(zhì)合金刀具為科技重大專項。國內(nèi)企業(yè)也紛紛在該領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)，如今廈門金鷺和株鉆，已經(jīng)向市場推出涂層刀具，包括PVD涂層和CVD金剛石涂層，都是作為硬質(zhì)合金刀具品質(zhì)的提升。另外，嘉興沃爾德作為科創(chuàng)板上市企業(yè)，一直將CVD金剛石涂層刀具技術(shù)作為公司的儲備技術(shù)，該公司生產(chǎn)的CVD金剛石涂層刀具主要應(yīng)用于航空復(fù)合材料加工以及石墨磨具的加工，據(jù)反饋，效果很好。河北上誠超硬材料有限公司通過自主研發(fā)，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的CVD生長設(shè)備及涂層技術(shù)，可穩(wěn)定批量的向市場供貨，其產(chǎn)品質(zhì)量在大部分加工領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到甚至超出國外水平。

       對于國內(nèi)企業(yè)來講，技術(shù)成熟度差一些，基本上是處于邊研發(fā)邊搶占市場階段，一旦技術(shù)有所突破，將迅速崛起。隨著科研工作者的繼續(xù)努力，相信不久的將來，CVD金剛石涂層不論在技術(shù)、設(shè)備還是工藝上都會得到很大進(jìn)展。隨著能源經(jīng)濟(jì)節(jié)約意識的加強和綠色經(jīng)濟(jì)的推廣，CVD金剛石涂層的應(yīng)用前景將是十分廣闊的。