淺析21世紀是中國金剛石世紀①

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、擁有技術力量雄厚的不同層次的研發中心與實驗室、擁有眾多的規模化生產基地和擁有廣闊的國內外市場等角度分析、考察了中國的優勢,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、生產與應用是全方位的。所謂全方位指的是金剛石合成技術及由此所得到的產品。例如,用靜態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高壓高溫合成金剛石優勢的形成與發展,與此同時會涉及一些金剛石膜與納米金剛石的研發、生產與應用的態勢。中國金剛石的研發、生產與應用經過幾十年的發展,在國際同行業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的靜態超高壓高溫設備有三種類型:一是以西方工業發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勢。

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

我國科學家和工程技術人員發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問題降低為一個傳統的機械加工技術與較容易制造加工的方錐頂砧高技術相結合的新技術問題,這大大降低了建立高壓條件的技術難度。此發明降低了超硬材料行業的準入門檻,是我國超硬材料工業蓬勃發展的基石。

我國科學家在方錐頂砧的砧頭側面設計了一個小側面,為解決超高壓技術要解決的核心問題——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的性能和設計的要求。我國超硬材料行業有今天這樣的繁榮景象,不能忘記小側面的作用[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壓縮率,反應芯內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境[2]。

根據文獻[4]研究者在兩面頂和六面頂的工作經驗,在傳壓材料特性下降和生長速度加快兩種不利條件下,六面頂生產的金剛石產品,晶體的對稱性平均優于來自兩面頂的產品,這里至少包括有其高壓腔內壓力場較好的這一因素在內。據說有人使用中國產的六面頂壓機,在國外生產出足以與兩面頂產品相媲美的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已經成為一種工業化體系,對傳統的世界超硬磨料格局產生了強有力的沖擊[3]。

2 擁有技術實力雄厚的研發中心

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合劑金剛石砂輪和樹脂結合劑砂輪,第一顆立方氮化硼和第一粒人造金剛石聚晶體。這些成果經中試后均在全國得到廣泛的推廣應用,開創了我國超硬材料及制品的新領域。為中國超硬材料行業的形成與發展作出了巨大的貢獻,這應是不爭的史實永遠載入中國超硬材料發展的史冊。

基于鄭州磨料磨具磨削研究所在我國超硬材料行業的形成和發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,經國家科學技術委員會批準,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、激光加熱系統等一批先進設備。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域高層次人才的培養基地。

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

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。現已發展成為我國電子基礎材料、超硬材料研究開發和生產的重要基地。主導產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、工具等系列產品[4]。

北京天地東方超硬材料股份有限公司于2001年經國家經貿委批準成立。目前,以生產、經營兩面頂生產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新材料領域、國家科技攻關、國家自然科學基金、軍工科研等多項重大科技攻關和研究項目。CVD金剛石膜材料及產品: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超高壓水霧化生產線和一條全套引進的真空冶煉惰性氣體霧化制粉生產線,是國內綜合配套最齊全的霧化制粉基地。

黃河旋風國家級企業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研究中心;河南省超硬研磨材料工程技術研究中心。為河南省創新團隊建設和科技領軍人物的培養步伐,把工程技術研究中心盡快建成企業乃至行業又好又快發展的動力源[5]。

河南工業大學、燕山大學、北京理工大學、都在承擔為超硬材料新技術、新工藝、新產品的開發與培養中、高級技術人才的任務。現在是我國超硬材料及制品研發過程中高級人才資源最富有的鼎盛時期,在從事這項事業的隊伍中,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,其數量之多,技術職稱之高,是本行業前所未有過的。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 擁有眾多規模化的生產基地

中南金剛石有限公司8/10～30/35產品的規模化生產,標志著我國優質大顆粒金剛石合成技術已跨入國際先進行列。從而結束了我國長期只能生產中、低檔金剛石的歷史,實現了成為生產強國之夢。無疑對世界“兩霸”所壟斷的高品級金剛石產生強大沖擊,動搖他們的壟斷地位。

據不完全統計,2006年,全球金剛石產量達到35億克拉,國內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%,占國內市場總量的42%。2010年產銷量將達到15億克拉,其中高品級金剛石產銷量達到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]。

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

需要注意的一個動向是,不少中小企業認識到了走差異化發展道路的重要性,避開與優勢大企業在用量最大的鋸片級金剛石市場的競爭,轉而專業生產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規模最大的基地,年生產能力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,這里有大大小小的人造金剛石微粉生產小作坊,達六七十家之多,估計年產量有個七八億克拉。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品研發與生產的專業化生產企業。cBN的年生產能力超億克拉,是中國最大的cBN供應商。cBN單晶產品已系列化,cBN產品基本上銷往國外。

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粗顆粒cBN的技術難題,使得我國cBN生產技術處于世界先進水平。

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化企業,是國內從事超硬復合材料研發與生產的姣姣者。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已矚目換位。作為世界石材主要生產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,中國穩守第一,而其它國家的石材工業發展也早已步入了快車道。愛恩邦德的投產,可以滿足更多高端市場的需求。這是國內首家可生產類金剛石涂層的基地。愛恩邦德總部設在無錫。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基地。

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

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千萬克拉規模的納米金剛石生產線。據不完全統計,涉足納米金剛石應用開發的高校、院所與企業有四五十個單位。現已取得一批階段性成果。北京理工大學為這個技術領域已培養出一批高級人才。

4 擁有廣闊的國內外市場

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性標志。

在國際市場,歐美有著生產金剛石工具最先進的技術、最高的質量標準、最大的經濟效益。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套德國生產的新型CNC控制激光焊接機和數套真空熱壓機、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、檢測設備,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、美國設立了兩家全資子公司。確立了“立足美國,發展北美地區市場;立足新加坡,發展東南亞市場;立足德國,發展歐洲市場,把博深打造成世界知名的金剛石工具生產商”的發展戰略。該公司的產品已得到了歐美地區各經銷商與同行的認可,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。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、打空調孔以及公路橋梁等各種混凝土工程的薄壁鉆頭使用,其數量更為可觀[10]。

湖北燕磯形成了全國最大的金剛石刀具生產基地。生產的金剛石刀具產品在國際市場占有率達到60%以上,2005年出口創匯200多萬美元(資料來源:中國企業報)。石材行業也是耗用工業金剛石的重要部門。據預測,21世紀頭二十年內世界石材生產年均增長速度會超過6%,國際石材貿易年均增長速度超過8%。據國際權威資料顯示,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。石材行業是全球發展最快的產業之一[11,12]。

在天然石材貿易中,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,中國的出口量已經是意大利的3倍。

據統計,韓國石材的92%是從中國進口的。今后隨著韓國的經濟發展,石材的需求還會增加,從中國進口的石材也相應會增多。

據了解,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),質量較好,已經使得一些葡花崗巖石材進口商將目光轉向中國,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%,現已減至14%,大部分德國進口商轉而進口中國產品。

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

目前,精密技術制品生產有賴于精細金剛石磨料和金剛石磨具。據預測,全球精密技術制品交易每年以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]。

汽車制造業是許多國家國民經濟的支柱產業,汽車的產量與銷量均與日俱增。有人說,從美國底特律汽車城的生產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)刀具在汽車領域的應用占到60%[16]。

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

5 結語

(1)隨著六面頂壓機向工作缸徑500mm至600mm以上等級發展,配套的控制系統的升級,特別是粉末觸媒技術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,生產成本將進一步降低。發展六面頂壓機的優勢,中國超硬材料工業對世界產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出技術上的優勢,而且經濟上的優勢同樣得到了顯現。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量水平;35/40及以粗金剛石接近國外次高檔金剛石的質量水平。這是一個了不起的突破[20]。

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

(5)在殘酷的商戰中,一個企業首先要求生存然后才談得上發展。企業求得生存最基本的條件一是低成本,二是創新。企業的產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,其應用范圍尚未窮盡。金剛石的應用對科學實踐,如基礎科學研究、新材料研究、新能源研究等必將起重要作用。金剛石未被發現的優異物理和化學性質很可能對21世紀科學技術的發展產生巨大而深遠的影響。

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

[1] 鄭日升,李飛躍,王大偉.六面頂超高壓技術重要研究成就回顧[C].中國超硬材料行業技術發展論壇論文集,2006,11:17-19.

[2] 鄧福銘,陳啟武.試論我國金剛石行業超高壓技術的發展道路問題[J].超硬材料工程,2005(3):33-36.

[3] 周大偉.發展六面頂壓機的優勢[C].中國超硬材料新技術研討會論文集,2004(12):24-27.

[4] 金瑞新材料科技股份有限公司廣告[J].礦冶工程,2006(5),封二.

[5] 孟偉民.河南省超硬材料行業又有三家省級工程技術研究中心

[J].磨料磨具通訊,2007(6):26.

[6] 王光祖.想到哪里說到哪里[J].超硬材料工程,2006,(1):31-35.

[7] 河南中南工業有限公司開展“精心創品牌活動”總結[J].中國超硬材料,2006(4):15-17.

[8] 王光祖,連金彥,賈英倫.河南——中國超硬材料重要生產基地[J].中國超硬材料,2003(2):7-19.

[9] 博深公司.依靠科技創新鑄造馳名品牌[J].中國超硬材料,2006(4):19-22.

[10] 鄭超.我國激光焊接金剛石薄壁鉆頭發展評述[J].超硬材料工

程,2006(2):37-41.

[11] 張文波.勤奮工作努力拼搏再創佳績[J].石材,2004(1).[12] 韓永奇.我國石材工業現狀及發展對策[J].石材,2004(1).

[13] 呂智,唐存印.金剛石繩鋸技術的發展和未來[J].珠寶科技,2004(4).

[14] 韓愛豐,盧德泉.石材荒料開采進入金剛石繩鋸時代[J].石材,2004(12).

[15] Anon smallest component under the magnifying gass[J].I DR,204,3.

[16] 張紹軍,田步勛.PCD刀具切削SAE327硅鋁合金工藝研究[J].工具技術,2004,38(2):5658.

[17] 白清順,姚英學.Gravcezhang,聚晶金剛石加工刀具在中國的研究與發展[J].機械工程師,2001(11):74-77.

[18] 鄭超,張志軍,李東平.我國金剛石木工刀具發展評述[J].金剛石與磨料磨具工程,2003(2):77-80.

[19] Q ingshun Bai,Yingxue Yao,Shuodong Chen.Research and development of polycrystalline diamond woodworking tools[J].International journal of Refractory M etals&Hard M aterials,2002,20:395-400.

[20] 李志宏,趙博,宜云雷.波濤洶涌中高速發展的超硬材料行業

[C].中國超硬材料新技術發展研討會論文集,2006,11:7-11.[21] N A Kolchemanev,Russiia’s diamond research institute lives

on inMoscow[J].D I AMANTE Application&Tecnologia.

Analysis on twenty-f irst century is the China diamond century

WAN G Guang-zu1,2,WAN G Yun2
(1.Zhengzhou R esearch Institute f or A brasives&Grind ing,Zhengzhou450007,China;2.M ichael Group Corp.,L td.,Changzhou213016,China)

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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工作,出版多部專著,發表上百篇學術論文。