推动我国超硬材料制品向高端发展（下）①

吕 智，郑 超，林 峰，王进保，谢志刚

（1.国家特种矿物材料工程技术研究中心；广西桂林541004；2.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西桂林541004）

推动我国超硬材料制品向高端发展（下）①

吕 智1，2，郑 超1，林 峰1，王进保1，谢志刚1，2

（1.国家特种矿物材料工程技术研究中心；广西桂林541004；2.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西桂林541004）

“十二五”期间将是我国超硬材料制品产业发展的重要机遇期，这将加速我国超硬材料制品产业向世界强国行列迈进。文章综述了我国超硬材料制品的发展现状，重点介绍了近年来我国激光锯片、绳锯、超高速磨具、高性能玻璃磨轮等传统产品性能向高端发展、在国内市场逐渐取代甚至完全取代进口产品以及进入国外市场的一些情况。阐述了“十二五”期间值得重点投入研究开发的几类超硬材料制品及创新技术。通过这些介绍，期待对行业的产品结构调整、新产品和新技术开发起一定的引导作用。

超硬材料制品；机遇期；综述；技术创新；高端制品

3 “十二五”期间应重点向高端发展的几种超硬材料制品

3.1 固结金刚石线锯

固结金刚石线锯与传统的游离式碳化硅切割线相比具有切割效率更高、切缝更小、被加工工件的表面质量更高和表面损伤更小、低碳环保等突出优点，因此它将逐渐替代钢丝游离式线锯，成为降低光伏产业晶硅切片加工成本的重要手段，其在蓝宝石、陶瓷等硬脆材料的多线切片加工方面的应用也十分成功。近年来全球市场需求量和产量稳步增长，见图8所示。

图8 2005～2010年全球金刚石线锯需求量及产量Fig.8 The demands and yields of global diamond wire saw in 2005to 2010

目前，国内金刚石线锯制造技术与德国、日本等发达国家相比仍有很大差距，主要是产品质量不稳定，还不能用于多晶硅薄片切割，且切割产品有划痕产生。图9为国产Φ0.25mm金刚石线锯，图10为国产多线锯机在切割蓝宝石。

图9 国产金刚石线锯（φ0.25mm）Fig.9 Domestic diamond wire saw

为促使国内金刚石线锯的技术进步，需要加强以下几方面的研究：①进一步减小金刚石线锯线径（小于Φ100μm）；②完善电镀金刚石线锯的均匀上砂技术；③完善金刚石长线锯的直径公差控制技术；④完善金刚石环线锯的接口焊接技术；⑤开发国产线锯机（长线及环线）。

图10 国产多线锯机在切割蓝宝石Fig.10 Domestic multi-wires saw machine in cutting sapphire

3.2 适用于高效高精加工的PCD、PcBN及其刀具

PCD、PcBN刀具兼备超硬材料的硬度、耐磨性及硬质合金的韧性，红硬性高，化学稳定，被加工工件表面光洁度高，刀具寿命长，甚至能实现“以车代磨”，是传统刀具最理想的替代工具，是实现高效高精加工的新型工具材料。图11为超硬复合刀具材料，图12为超硬复合刀具。

图11 超硬复合刀具材料Fig.11 Superhard composite tool materials

图12 超硬复合刀具Fig.12 Superhard composite tools

据有关机构调查［4］，2011年国内刀具复合片市场规模约为15亿元，预计未来两年增速将保持45%以上，2015年将达66亿元。

从世界产业格局看，国外复合片生产企业仍然占据主导地位，控制了国内约90%的市场。目前国内企业在高端复合片与制品生产方面技术比较落后，不能生产稳定的高品质产品。近年来国内在生产技术、切割技术、刃磨技术等方面提高很快，制备高档超硬刀具的条件日趋成熟。但仍需加强以下几个方面的工作：①加速PCD、PcBN及其刀具产品的系列化开发工作。国外刀具复合片产品系列化技术已经成熟，适用于不同加工对象的规格品种不断增加。②细化晶粒，提高PCD、PcBN及其刀具产品的耐磨性、抗冲击韧性和可加工性。目前日本住友、元素六等公司均推出了粒度2μm甚至0.5μm以下的细粒度产品，而俄罗斯微硼公司对外宣布已成功合成出纳米级的PcBN复合片。③质量优化、性能均一化技术的开发。国外优质超硬刀具材料（Ф50.8mm产品）性能均匀较为稳定，据报道其显微硬度的最大差值可控制在15%之内，而国内即使直径Ф22mm的刀具材料性能均匀性也较差，中心与边缘的磨耗比差可达30%。

3.3 小直径绳锯及多绳锯机

金刚石绳锯用于矿山开采，取代了黑火药爆破，石材出材率由30%提高到了90%，有效扼制了资源破坏、浪费和生态环境污染、破坏及安全问题，用于拆除建筑物，能有效避免建筑物报废和对周边建筑物伤害及人员伤亡（小直径绳锯（≤7.2mm）及多绳锯进行石材板材切割，见图13所示）。

图13 多绳锯机切割花岗岩板材Fig.13 Multi-wire saw machine cutting granite

近年来，国际金刚石绳锯市场需求量稳步上升，有专家估计今年有望超过600万米，而我国的出口量不足40万米，还不到国际市场需求的1／10，这意味着市场潜力还很大。多绳锯机用小直径串珠绳锯（Φ7.2mm以下）是目前国内厂家的攻关重点，目前还不能稳定的批量出口，但市场需求增长很快。小直径串珠绳锯制造是一个系统工程，需要从原料、结构、工艺等多方面研究探索，重点的研究应在以下几个方面：①小直径钢丝绳材质的选择，解决加工过程中的断绳问题；②进一步优选串珠固定材料和技术，解决金刚石绳锯直径减小后带来的固定材料开裂、串珠转动和窜动等导致绳锯过早失效的问题；③研究低钴胎体材料，进一步降低生产成本，同时可提高串珠广谱性能；④提高生产自动化程度。尤其是提高串珠冷压、穿绳、开刃、串珠外径检测等工序的自动化程度，以有效提高劳动生产率和产品质量；⑤不同加工对象、不同工况条件绳锯的开发；⑥开发世界上最先进的智能多绳锯机。目前，国内多家企业都在瞄准世界上最先进的智能多绳锯机，应该进行多方协作，依靠国内强烈需求的市场平台，开发世界上最先进的智能多绳锯机，在国内开创出又一个花岗岩板材加工的新时代。

3.4 PDC复合片及PDC钻头

图14 切削齿的快速磨损、断裂状况Fig.14 The rapid wear，fracture shape of cutting teeth

图15 PCD／YG非平面复合示意图Fig.15 PCD／YG non-planar composite schematic diagram

国际市场对PDC钻头需求量巨大，但中国产品的市场份额很少。据有关机构调查［4］，国外产品占据全球石油复合片97%的市场份额，约140亿元，而中国产品仅为3%，约4亿元；国内矿山复合片约46亿元。预计2013年国产石油复合片、矿山复合片将分别达到28.6亿元、303.8亿元。这是PDC复合片和PDC钻头技术发展和市场开拓的机遇，近年来世界各大钻头公司根据钻井技术的发展和钻井现场的实际需要，正努力设计开发多种新型PDC切削齿、专用PDC钻头及相关技术。有关企业的对比测试结果表明，国内PDC产品的水平目前与世界一流企业产品的水平还有一定差距，其主要的技术指标——耐热性、抗冲击性的测试结果，与国外产品基本上差别不大，而耐磨性指标由于测试方法的不同，测试结果各自不同，但总的来说耐磨性能和西方主要产品相差在50%左右。由于井下钻进的复杂性，PDC切削齿易发生冲击损坏和高温磨损现象，切削齿的复合片会产生石墨化、磨损快、易脱落等问题，引起钻头先期损坏，见图14所示。因此，在设计和制造水平达到一定的条件下，提高切削齿的性能就成了提高钻头各项指标的主要途径。因此，在PDC及PDC钻头研究方面应该重点开展以下工作：①开发适合于硬地层、夹层、深井等难攻地层钻头用的PDC；②提高PDC的耐磨性能。可采用提高PDC层密度、增加D-D结合程度、细化或粗化晶粒的工艺；③提高PDC抗冲击韧性。A、优化PDC制造工艺：提高金刚石浓度、选用多峰的粒度配比、选用高耐热粘接剂等，并采用多层过渡层的配合及波浪形、沟壑形等合金界面技术（见图15所示），提高钻头的抗冲蚀以及抗冲击能力；B、采用钢盔齿、椭圆齿、弧面齿、堆齿等设计（见图16所示）；④创新PDC钻头结构设计、钻齿分布及布齿密度设计（见图17所示），在PDC钻头的设计技术和布齿方面实现重大的突破；⑤进一步扩大应用面，开展油气勘探PDC绳索取心钻头、定向钻进和水平孔钻进PDC钻头的研制工作。

图16 PDC钢盔齿、椭圆齿Fig.16 Helmet shape and oval shape PDC cutter

图17 PDC球齿及布齿Fig.17 Spherical PDC cutters and arrangement

4 结束语

我国是超硬材料制品生产大国，但不是强国，我国超硬材料制品必须向高端方向发展。近年来，我国通过诸多国家级、省市级超硬材料工程技术研究中心、重点实验室与产业化基地的建设，有效提升了超硬材料制品企业的自主创新能力，促进企业在制造高新产品中一些关键技术难题的突破，打破了欧美企业对高端超硬材料制品的垄断。如，北京钢院、桂林矿地院等下属企业的高档锯片，开始进入国际市场，起到了促进行业技术进步，引领企业产品结构调整，提升国际市场竞争能力的作用。目前我国已具备向高端产品发展的条件和能力。我国应重点推进金刚石线锯、PCD和PcBN刀具、金刚石绳锯、激光焊接和薄壁金刚石钻头、PDC石油和地质钻头等特色及市场潜力巨大的制品向高端方向发展。国内超硬材料制品行业更应抓住机遇，开拓创新，加速我国超硬材料制品产业全面进入世界先进行列的步伐，不懈努力推动我国由超硬材料制品生产大国向强国迈进，

［1］ 吕智，郑超，等.中国超硬材料制品技术现状与发展［J］.超硬材料工程，2012（2）.

［2］ 吕智，谢志刚.在新形势下超硬材料制品企业如何打造国际竞争力［C］.2012超硬材料行业高层论坛.

［3］ 刘金昌.‘十一五’我国超硬材料产业创新与发展盘点［J／OL］.中国超硬材料网，专题资讯，2012.

［4］ 陈金龙.超硬材料行业研究报告［R］.和君数据库，2012.

Development of high-end superhard abrasive products in China

LV Zhi1，2，ZHENG Chao1，LIN Feng1，WANG Jin-bao1，XIE Zhi-gang1，2
（1.National Special Mineral Materials Engineering Research Center，Guilin541004；2.China Nonferrous Metal（Guilin）Geology and Mining Co.，Ltd.，Guilin541004）

The"12th Five-Year Plan"will be the important opportunity period of superhard abrasive products industry development in China，which will accelerate the superhard abrasive products industry into the ranks of the world powers.This paper reviews the present development situation of superhard abrasive products in China，introduced with emphasis the traditional products performance to high-end development in recent years such as the laser saw，diamond wire saw，ultra-high speed grinding tool and high performance glass grinding wheel etc.，which replace gradually or even completely replace the imported products in the domestic market and turn into the international market.It has elaborated several kinds of superhard materials products and innovative technology worth of research and development in"12th Five-Year Plan"period，and looks forward to play aguiding role for the product structure adjustment，new products and new technology development of the industry.

superhard abrasive product；opportunity period；technological innovation；high-end product

TQ164

A

1673－1433（2013）02－0039－05

2012－12－24

吕智（1956－），男，博士，教授级高级工程师，中国材料研究学会超硬材料及制品专业委员会主任委员，广西有色金属集团副总经理，中国有色桂林矿产地质研究院院长，长期从事超硬材料方面的研发和管理工作。