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