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超硬材料在精密加工中的应用现状与展望

2020-04-29浏览量:3197

信息导读:

 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,国外相比还存在差距在 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。

  2.4 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。

  2.5 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。

  2.6 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。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。

  3.3 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。

  3.4 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。

  4.3 加强与汽车整车企业的联系和沟通,做好示范工程,局部突破,以点带面

  目前,国产超硬材料产品大规模进入汽车整车领域的条件逐步成熟,3 ~ 5 年内有望取得重大突破。要加强与汽车整车企业的联系和沟通,了解企业需求, 积极宣传国内产品,根据企业提出的要求,有针对性 的改进工艺。同时,做好示范工程,先易后难,争取局 部突破,以点带面,进而实现全面突破。

  4.4 深入调研,客观分析,制定超硬材料在航空航天领域的发展对策

  深入调研航空航天领域中超硬材料的应用情况, 分析所用材料的加工特性,确定取代技术路线,寻求 突破口。在此基础上,制定超硬材料在航空航天领域 的发展对策。总体判断是: 超硬材料在航空航天领域的应用进程会比较曲折、缓慢,局部会有突破,全面替 代短期内可能性不大。

  4.5 加大金刚石微粉深度加工的研发力度,争取短期内突破技术瓶颈

  充分认识金刚石微粉对精密加工的重要性,加大金刚石微粉高效率、高质量选型分级的研发力度,争取在短期内突破技术瓶颈,实现纳米级金刚石微粉的机械化高效生产。

  4.6 密切跟踪超硬材料在轴承、陶瓷、硬质合金以及生物医疗等行业的动态,扩大应用领域

  超硬材料在轴承、新型陶瓷、硬质合金以及生物 医疗等行业的应用潜力大,已做了大量的前期工作, 应继续保持重点关注。

  4.7加大 NPD 研发力度,推动高端 NPD 的产业化

  NPD 具有未来工业性超硬材料的潜质,在精密加工中会有很好的应用。近几年实验室合成工艺已 基本成熟,在应用中也取得了良好进展,下一步要加 大工程化力度,大幅度降低成本,争取早日投入商用。

来源:中国研磨网

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