超硬材料在精密加工中的应用现状与展望

2018-03-26谢志刚莫培程谢德龙蒋燕麟王智慧肖乐银

超硬材料工程 2018年6期

吕智，谢志刚，林峰，莫培程，谢德龙，蒋燕麟，刘燕，王智慧，肖乐银，陈超

(国家特种矿物材料工程技术研究中心,广西超硬材料重点实验室,中国有色桂林矿产地质研究院，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之间的加工方法[1]，是国家制造工业水平的重要标志之一。近几年我国超硬材料在中、粗加工领域(如石材、建材、木业等领域)发展迅速，产品具有明显的竞争优势，取代进口并大量出口，是名副其实的超硬材料大国；在空调压缩机、汽车零部件和3C材料中的精密加工方面也取得了长足进步。但另一方面，在半导体精密加工和高端PcBN、PCD方面的加工仍以进口为主，而航空航天等行业的应用却刚刚起步。总体上，中国超硬材料在精加工方面与国外先进水平仍存在较大的差距[2]。

2 超硬材料在精加工领域的应用现状

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。

2.1 超硬砂轮和刀具在汽车行业的应用

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[3]，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。

2.2 cBN砂轮在空调压缩机行业的应用

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。

2.3 金刚石工具在航空航天领域的应用

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。

2.4 超硬材料在半导体行业的应用

半导体行业的硅晶片精密加工、晶圆精密切割等已广泛采用金刚石工具。在芯片背面采用精密金刚石砂轮，实现了硅材料的纳米级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圆，用减薄砂轮进行减薄处理；采用金刚石超薄砂轮进行切割封装。日本、美国占据着国内外半导体行业用大部分金刚石砂轮的份额，目前国内半导体行业用砂轮(切割、减薄、抛光)80%以上是进口产品，这是国内超硬材料在精密加工领域与国外差距最大，也是产品进口比例最高的行业。

2.5 cBN砂轮在轴承行业的应用

国外企业早在20世纪80年代就开始使用cBN砂轮内圆磨来加工轴承，并且国外企业在中国的轴承厂基本采用国内cBN砂轮进行加工。但是中国本土的轴承企业目前仍以普通磨料砂轮为主，主要原因是国内轴承行业整体装备水平落后，不能适应高速磨削的发展，导致cBN砂轮在国内现有设备上无法使用。轴承行业产量大，是cBN砂轮应用拓展很重要的一个领域。

2.6 超硬材料在3C材料的应用

3C电子通讯领域是超硬材料最近几年成功应用的一个范例。聚晶金刚石轮廓刀、聚晶金刚石倒角刀、聚晶金刚石铣刀等金刚石刀具在3C产品的外壳加工上均有很好的应用，产品可以一次成型，提高了效率，并且保证了产品的表面光洁度。虽然刀具用的PCD以进口为主，但是国产PCD近一年来取得实质性进展，产品性能已达到或接近国外产品水平，部分取代了进口。随着5G时代的到来，5G手机背板的选材成为热点，目前判断会以氧化锆陶瓷为主。

2.7 钻探用PCD复合片

近年来中国油气钻井用PCD复合片取得了很大进展，大部分产品性能与国外同类产品接近，而价格却为国外产品的80%。在国际市场也已获得初步认可，但在高端钻头和关键部位应用上，国内产品所占有的份额仍然较少。目前，国内与国外的差异性主要体现在产品的稳定性与产品结构上。

2.8 微粉的深度加工

金刚石微粉是精密加工必不可少的关键材料，但是国内企业对金刚石微粉的深度加工重视程度不够。在形状控制、表面分散性、表面纯净度、表面改性、粒度精细控制等方面还不能有效满足使用要求。国内外在微粉处理技术上的差距不大，产品互为补充。

2.9 金刚石材料在生物医疗领域的应用

随着医疗技术的发展，对医疗材料的品种和质量提出了更高的要求，为金刚石材料的应用开拓出一片新的市场。金刚石材料以其独特的优势应用在医用刀具、医用材料和医药领域中。由于金刚石手术刀具在手术过程中对手术部位的挤压、撕拉损伤小、伤口边缘整齐、易愈合，目前主要用于眼科、神经外科、骨科、口腔科以及生物组织切片等。人体植入物是近年来医用领域中的一个热门方向，在植入体表面镀金刚石膜，能优化其体内的物理化学特性和生物相容性，在医用材料中加入金刚石成分优化其性能。利用纳米金刚石颗粒独特的惰性、生物相容性等性能应用于医药领域中，包括蛋白质分离、载药、标记、抗癌治疗、杀菌等方面[4]有广阔的前景。

3 国内超硬材料在精加工中存在的问题

3.1 高端产品创新力度不强，差距较大

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。

3.2 上下游，产学研协同严重不足

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。

3.3 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。

3.4 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[5]。

3.5 航空航天领域进展缓慢，短期内难以突破

由于航空航天领域的特殊性，对安全性和稳定性的要求非常高，因此不会轻易地改变生产工艺，超硬材料短期内还难以全面进入航空航天领域。目前加工航空航天材料还是以硬质合金刀具为主，国外大型航天航空厂家也只是少量使用超硬材料进行加工，短期内很难全面被取代。

4 发展展望

4.1 加强基础研究，大力推进产学研结合，全面攻克5G背板加工难题和实质缩小半导体加工差距

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。

4.2 加大稳定性、针对性和扩大片径研究，明显提高高端PCD，PcBN的产品性能，加快替代步伐

预计国产PCD/PcBN五年内会有突破性进展，其中PCD进展会比PcBN快。要加大稳定性和针对性以及结合剂研究，针对不同的加工对象，研发细分产品。目前国内主流复合片以Φ(30～40)mm为主，要加大对扩大片径的研究，争取在二年内开发出性能稳定的Φ60mm片径产品。同时，启动Φ70mm产品的研发，争取3～5年内大幅度替代进口产品。