超硬材料在精密加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

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)

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、缸蓋以及汽車輪轂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，與國外相比還存在差距，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。空調(diào)壓縮機(jī)去年產(chǎn)量約為兩億臺(tái)，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(duì)汽車領(lǐng)域來說，航空航天材料用超硬材料工具量不會(huì)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(jí)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)。

2.5 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。

2.6 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(huì)以氧化鋯陶瓷為主。

2.7 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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)接。基礎(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。

3.3 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。

3.4 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。總之，氧化鋯背板的加工，還存在較大的技術(shù)瓶頸[5]。

3.5 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(duì)安全性和穩(wěn)定性的要求非常高，因此不會(huì)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(duì)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(duì)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(huì)有突破性進(jìn)展，其中PCD進(jìn)展會(huì)比PcBN快。要加大穩(wěn)定性和針對(duì)性以及結(jié)合劑研究，針對(duì)不同的加工對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)策。總體判斷是：超硬材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)程會(huì)比較曲折、緩慢，局部會(huì)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(shí)金剛石微粉對(duì)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(jí)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(jí)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(huì)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。