浅析21世纪是中国金刚石世纪①

王光祖,王芸

(1.郑州磨料磨具磨削研究所 河南 郑州 450007;2.华中集团有限责任公司,江苏 常州 213016)

浅析21世纪是中国金刚石世纪①

王光祖1,2,王芸2

(1.郑州磨料磨具磨削研究所 河南 郑州 450007;2.华中集团有限责任公司,江苏 常州 213016)

文章从拥有中国特色的铰链式六面顶压机、拥有技术力量雄厚的不同层次的研发中心与实验室、拥有众多的规模化生产基地和拥有广阔的国内外市场等角度分析、考察了中国的优势,从而得出21世纪是中国金刚石世纪的论断。

21世纪;中国金刚石世纪;四个“拥有”

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

中国对金刚石的研发、生产与应用是全方位的。所谓全方位指的是金刚石合成技术及由此所得到的产品。例如,用静态高压高温法合成得到的金刚石单晶、用低压高温气相沉积法合成得到的金刚石膜与动态高压高温法得到的纳米金刚石单晶与多晶。本文将着重分析静态高压高温合成金刚石优势的形成与发展,与此同时会涉及一些金刚石膜与纳米金刚石的研发、生产与应用的态势。中国金刚石的研发、生产与应用经过几十年的发展,在国际同行业中是一支不可忽视的重要力量。

1 拥有中国特色的饺链式六面顶压机

迄今,世界用于金刚石生产的静态超高压高温设备有三种类型:一是以西方工业发达国家为代表的年轮式两面顶压机;二是中国的饺链式六面顶压机(下简称六面顶压机);三是俄罗斯、乌克兰的双面凹砧型压机。这三种不同类型的压机各有特点,从使用的实际效果来看,年轮式两面顶压机与饺链式六面顶压机较之双面凹砧型压机更具优势。

中国笫一颗人造金刚石是在我国自行设计、制造的61型年轮式两面顶压机上研制成功的。中国金刚石行业则是采用饺链式六面顶压机才发展起来的。上个世纪70年代初,我们根据合成腔体的不断扩大,不仅能提高金刚石的产量,而且还有提高质量的作用的事实,提出了高压腔体大型化的主张。

我国科学家和工程技术人员发明的饺链式六面顶压机,用四个超高压缸推动四个方锥硬质合金顶砧代替年轮式模具,把一个制造加工年轮模具的高技术问题降低为一个传统的机械加工技术与较容易制造加工的方锥顶砧高技术相结合的新技术问题,这大大降低了建立高压条件的技术难度。此发明降低了超硬材料行业的准入门槛,是我国超硬材料工业蓬勃发展的基石。

我国科学家在方锥顶砧的砧头侧面设计了一个小侧面,为解决超高压技术要解决的核心问题——密封问题和模具问题提供了一个简单而有效的方法,同时也降低了传压介质的性能和设计的要求。我国超硬材料行业有今天这样的繁荣景象,不能忘记小侧面的作用[1]。

随着六面顶压机的大型化,大尺寸腔体具有更灵敏的动态压缩率,反应芯内的压力梯度和温度梯度更小,可为大粒度晶体生长提供更良好的微观生长环境[2]。

根据文献[4]研究者在两面顶和六面顶的工作经验,在传压材料特性下降和生长速度加快两种不利条件下,六面顶生产的金刚石产品,晶体的对称性平均优于来自两面顶的产品,这里至少包括有其高压腔内压力场较好的这一因素在内。据说有人使用中国产的六面顶压机,在国外生产出足以与两面顶产品相媲美的PCD来,这也可当做一个旁证。

六面顶压机在中国得到了迅猛发展,其主要标记为压机大型化。以六面顶压机为依托的超硬磨料生产已经成为一种工业化体系,对传统的世界超硬磨料格局产生了强有力的冲击[3]。

2 拥有技术实力雄厚的研发中心

郑州磨料磨具磨削研究所(河南郑州)是中国第一颗人造金刚石研制成功的单位之一。在第一颗人造金刚石研制成功后,相继又研制出第一片金属结合剂金刚石砂轮和树脂结合剂砂轮,第一颗立方氮化硼和第一粒人造金刚石聚晶体。这些成果经中试后均在全国得到广泛的推广应用,开创了我国超硬材料及制品的新领域。为中国超硬材料行业的形成与发展作出了巨大的贡献,这应是不争的史实永远载入中国超硬材料发展的史册。

基于郑州磨料磨具磨削研究所在我国超硬材料行业的形成和发展过程中所作出的重要历史性贡献和地方政府的积极支持,1999年10月,经国家科学技术委员会批准,以郑州磨料磨具磨削研究所为依托,组建了“国家超硬材料及制品工程技术研究中心”。

吉林大学国家超硬材料重点实验室(吉林 长春),是1989年9月经国家计委批准,由世界银行贷款资助建立的超硬材料国家重点实验室,实验室现有多功能光谱仪、布里渊散射谱仪、激光喇曼光谱仪、激光加热系统等一批先进设备。实验室已成为我国超硬材料与高压物理研究中心和这个领域高层次人才的培养基地。

另外,国家特种矿物材料工程技术研究中心,山东省超硬材料工程技术研究中心。也是技术实力雄厚的国内超材料研中心。

长沙矿冶研究院(湖南长沙),是金瑞新材料科技股份有限公司的依托单位。现已发展成为我国电子基础材料、超硬材料研究开发和生产的重要基地。主导产品有合成人造金刚石用触媒合金、粉末一体化块,高品级人造金刚石和金刚石微粉、工具等系列产品[4]。

北京天地东方超硬材料股份有限公司于2001年经国家经贸委批准成立。目前,以生产、经营两面顶生产的高品级金刚石单晶,大尺寸PCD,PcBN,化学气相沉积(CVD)金刚石膜产品和新型激光焊接金刚石工具等各种超硬材料制品为主。承担国家863新材料领域、国家科技攻关、国家自然科学基金、军工科研等多项重大科技攻关和研究项目。CVD金刚石膜材料及产品:包括汽车刀具、精密轴承支撑器、新型复合刀具材料、强化木地板材料;金刚石热沉、红外窗口、拉丝模、耐磨喷嘴产品;超精密刀具、首饰刀具等。

安泰科技股份有限公司粉末冶金事业部雾化制粉厂的前身是钢铁研究总院粉末研究室雾化制粉组,其有近40年的历史,拥有德国、英国引进的A r气和高压水雾化等多套装备,包括一条100 M Pa超高压水雾化生产线和一条全套引进的真空冶炼惰性气体雾化制粉生产线,是国内综合配套最齐全的雾化制粉基地。

黄河旋风国家级企业中心和博士后科研工作站。

河南省科技厅豫科计[2007]10号文,批准河南省超硬复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术研究中心;河南省超硬研磨材料工程技术研究中心。为河南省创新团队建设和科技领军人物的培养步伐,把工程技术研究中心尽快建成企业乃至行业又好又快发展的动力源[5]。

河南工业大学、燕山大学、北京理工大学、都在承担为超硬材料新技术、新工艺、新产品的开发与培养中、高级技术人才的任务。现在是我国超硬材料及制品研发过程中高级人才资源最富有的鼎盛时期,在从事这项事业的队伍中,中科院院士有之,博导有之,教授有之,博士有之,高级工程师有之,乃至冠以这样或那样头衔的学者也有之,硕士级的人才更不用说了,多得很,其数量之多,技术职称之高,是本行业前所未有过的。这是中国将成为21世纪是中国金刚石世纪条件中最最重要的条件[6]。

3 拥有众多规模化的生产基地

中南金刚石有限公司8/10～30/35产品的规模化生产,标志着我国优质大颗粒金刚石合成技术已跨入国际先进行列。从而结束了我国长期只能生产中、低档金刚石的历史,实现了成为生产强国之梦。无疑对世界“两霸”所垄断的高品级金刚石产生强大冲击,动摇他们的垄断地位。

据不完全统计,2006年,全球金刚石产量达到35亿克拉,国内26亿克拉,中南金刚石有限公司将达到11亿克拉,占全球市场总量的31%,占国内市场总量的42%。2010年产销量将达到15亿克拉,其中高品级金刚石产销量达到6亿克拉以上,销售收入超过10亿元,全球市场占有率超过50%[7]。

从中超协会2006年对28家企业的年产量统计得知,在此28家企业中,黄河旋风和中南两大公司的产量约占总产量的60%,6家超亿克拉的企业产量占总产量的26%(含一家专业生产细颗粒磨料级金刚石的企业)。

需要注意的一个动向是,不少中小企业认识到了走差异化发展道路的重要性,避开与优势大企业在用量最大的锯片级金刚石市场的竞争,转而专业生产细颗粒磨料级金刚石(包括RVD,140/170～600/80的细粒,黑色脆性RVD),逐步朝市场细分的健康道路发展。

河南省亚龙超硬材料有限公司是中国人造金刚石微粉生产规模最大的基地,年生产能力1亿克拉,其中90%的微粉出口到美国、瑞士、日本、韩国等。柘城是河南省的一个小城镇,这里有大大小小的人造金刚石微粉生产小作坊,达六七十家之多,估计年产量有个七八亿克拉。在中国,河南不仅是人造金刚石微粉生产的第一大省,而且也是出口的第一大省。

河南富耐克超硬材料有限公司,是一家从事立方氮化硼产品研发与生产的专业化生产企业。cBN的年生产能力超亿克拉,是中国最大的cBN供应商。cBN单晶产品已系列化,cBN产品基本上销往国外。

2007年中南杰特超硬材料有限公司,推出了30/60粗颗粒cBN,解决了世界性不易生产粗颗粒cBN的技术难题,使得我国cBN生产技术处于世界先进水平。

郑州新亚复合超硬材料有限公司,是以制造金刚石复合片、立方氮化硼复合片、金刚石刀具、立方氮化硼刀具为主的专业化企业,是国内从事超硬复合材料研发与生产的姣姣者。此外,在郑州还有河南四方超硬材料有限公司、河南英达莱超硬材料有限公司和河南华宜超硬材料有限公司[8]。

2006底年瑞士爱恩邦德(IonBond启动了在中国市场的类金刚石涂层(DLC)项目。天然石材市场的主导者在近几年内已瞩目换位。作为世界石材主要生产国和主要消费国的意大利和德国已分别被中国和美国取代,在世界石材市场上意大利淡出,俄罗斯崛起,中国稳守第一,而其它国家的石材工业发展也早已步入了快车道。爱恩邦德的投产,可以满足更多高端市场的需求。这是国内首家可生产类金刚石涂层的基地。爱恩邦德总部设在无锡。由于他们的很多国际性客户已来到中国,所以将把中国总部扩建成为一个大型的综合性服务基地。

Element Six也于2006年4月19日在苏州成立了一家新的工业用合成金刚石工厂。合成金刚石的年产量增加3亿克拉。这是该公司在亚洲的首次投资。Element Six首席执行官Christian Hultner说:“我们的苏州工厂将专门采用中国的工业用合成技术。”

在新世纪初,在绵阳、兰州、西安、深圳、郑州、山东等地先后建立起了年产千万克拉规模的纳米金刚石生产线。据不完全统计,涉足纳米金刚石应用开发的高校、院所与企业有四五十个单位。现已取得一批阶段性成果。北京理工大学为这个技术领域已培养出一批高级人才。

4 拥有广阔的国内外市场

从美国2005年进口的金刚石来看:(1)镀金属衣的金刚石,中国占有市场的89.8%,处垄断地位;(2)80mesh以细的金刚石中国占美国市场主导地位,其总量为60.7%,其次是爱尔兰占19.5%;(3)80mesh以粗金刚石中国在美国市场上首次超过爱尔兰,成为最大供应商,占其进口总量的34.8%,这是我国金刚石竞争力增强的实质性标志。

在国际市场,欧美有着生产金刚石工具最先进的技术、最高的质量标准、最大的经济效益。打入了欧美市场,就等于站在了世界金刚石工具制造的潮头。1999年开始,石家庄博深工具集团有限公司(简称博深)先后引进了价值300多万美元的包括7套德国生产的新型CNC控制激光焊接机和数套真空热压机、自动冷压机、金刚石涂覆机、造粒机、抗弯强度仪、美国PRC激光切割机等代表当今世界先进水平的生产、检测设备,使博深公司的装备水平达到“世界级”。2005年以后,分别在新加坡、美国设立了两家全资子公司。确立了“立足美国,发展北美地区市场;立足新加坡,发展东南亚市场;立足德国,发展欧洲市场,把博深打造成世界知名的金刚石工具生产商”的发展战略。该公司的产品已得到了欧美地区各经销商与同行的认可,仅2005年,博深在美国的销售就超过了800万美元,占全国同类产品的40%以上[9]。

金刚石薄壁工程钻(以下简称钻头),广泛用于建筑工程行业。我国计划在今后十年中,每年新增住房建筑面积约1亿平方米,投资近千亿元。如按2%的比例计算,每年钻头等工具的施工费用达20亿元,则每年以薄壁钻头为主的金刚石工具消耗费用为5亿元,若再加上旧房改造、装修工程、打空调孔以及公路桥梁等各种混凝土工程的薄壁钻头使用,其数量更为可观[10]。

湖北燕矶形成了全国最大的金刚石刀具生产基地。生产的金刚石刀具产品在国际市场占有率达到60%以上,2005年出口创汇200多万美元(资料来源:中国企业报)。石材行业也是耗用工业金刚石的重要部门。据预测,21世纪头二十年内世界石材生产年均增长速度会超过6%,国际石材贸易年均增长速度超过8%。据国际权威资料显示,2005年金球原石材使用量将达到8.68亿平方米,需求荒料总量8000万吨。石材行业是全球发展最快的产业之一[11,12]。

在天然石材贸易中,制成品的出口最有价值,中国在这方面的出口已位居第一。早在2005年,中国的出口量已经是意大利的3倍。

据统计,韩国石材的92%是从中国进口的。今后随着韩国的经济发展,石材的需求还会增加,从中国进口的石材也相应会增多。

据了解,中国的花岗岩石材价格较低(每平方米比葡石材低约5美元),质量较好,已经使得一些葡花岗岩石材进口商将目光转向中国,并且随着欧洲市场的扩大,中国花岗岩石材开始挤占葡原有欧洲市场。几年前,葡占德国花岗岩石材市场的46%,现已减至14%,大部分德国进口商转而进口中国产品。

中国金刚石绳锯技术创新之路还很漫长,任重而道远,意味着金刚石耗量的巨大潜在商机[13,14]。

目前,精密技术制品生产有赖于精细金刚石磨料和金刚石磨具。据预测,全球精密技术制品交易每年以20%的速度增长。2000年交易总值为30亿美元,至2005年可增至68亿美元,其市场潜力之大可想而知[15]。

汽车制造业是许多国家国民经济的支柱产业,汽车的产量与销量均与日俱增。有人说,从美国底特律汽车城的生产线上每驶出一辆汽车就耗用掉1克拉金刚石。

聚晶金刚石(PCD)刀具在汽车领域的应用占到60%[16]。

近年来,PCD刀具在木工工业上的卓越性能,为PCD材料与木工工具生产商,特别是最终的木工工具用户都带来了巨大效益[17～19]。

5 结语

(1)随着六面顶压机向工作缸径500mm至600mm以上等级发展,配套的控制系统的升级,特别是粉末触媒技术在六面顶压机上的成功推广,粒度达到30/40高品级金刚石在六面顶压机上大批量生产,生产成本将进一步降低。发展六面顶压机的优势,中国超硬材料工业对世界产生更强大的冲击将是必然的。

(2)随着高压腔体的大型化,在六面顶压机上合成高品级金刚石不但显现出技术上的优势,而且经济上的优势同样得到了显现。所以,我们可以夸不夸张地说,没有饺链式六面顶压机,就没有中国超硬材料的今天。

(3)40/50以细金刚石完全可以达到国外次当档金刚石的质量水平;35/40及以粗金刚石接近国外次高档金刚石的质量水平。这是一个了不起的突破[20]。

(4)应用工业金刚石最多的部门为金属材料加工,其次为石材行业、建筑业、采矿业、玻璃陶瓷等材料加工业。这些部门都拥有耗用工业金刚石的广阔市场[21]。

(5)在残酷的商战中,一个企业首先要求生存然后才谈得上发展。企业求得生存最基本的条件一是低成本,二是创新。企业的产品在激烈的市场竞争中要占有一席之地就必须价廉物美。

(6)金刚石无论是作为工程材料,还是功能材料,其应用范围尚未穷尽。金刚石的应用对科学实践,如基础科学研究、新材料研究、新能源研究等必将起重要作用。金刚石未被发现的优异物理和化学性质很可能对21世纪科学技术的发展产生巨大而深远的影响。

(7)21世纪将是以新材料为重要基础的知识经济时代,而金刚石材料被誉为21世纪的材料。随着科学技术的不断发展和人类社会的不断进步,金刚石将为人类创造更大的财富。

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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,长期从事超硬材料及制品的研发工作,出版多部专著,发表上百篇学术论文。