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)
摘 要: 文章主要介绍了超硬材料在汽车、空调压缩机、航空航天、半导体、轴承、5G 手机陶瓷背板、金刚石微粉深度加工以及生物医疗精加工等方面的应用现状，分析对比了国内外产品的差异，认为国内超硬材料 应用在粗加工方面优势明显，精加工方面差距较大。存在高端产品创新力度不强和上下游、产学研协同不 足等问题，提出要加强基础研究和产品稳定性和针对性研究。预计国内超硬材料近几年在 5G 手机陶瓷背板加工、PCD,PCBN 等方面将取得重大突破; 国内精密加工产品会实质性进入汽车整车厂; 政府和企业将会加大金刚石工具在半导体加工领域的投资和研发力度; 超硬材料在航空航天、生物医疗领域的应用会加速。
关键词: 超硬材料; 精密加工; 应用; 展望
中图分类号: TG454; TQ164 文献标识码: A 文章编号: 1673-1433( 2018) 06-0043-04
基金项目: 广西科技计划: 桂科 AA17204098( 高性能超硬刀具材料技术开发及产业化) ; 广西自然科学基金: 2017GXNSFBA198147( 金刚石颗粒表面相变行为及其与 Fe 基金属结合剂的界面结合机理研究) ; 广西重点实验室专项: 17－ 259－ 26( 广西超硬材料重点实验室) ; 桂林市科技计划: 2016010701－1( 超硬材料及制品制备技术－汽车凸轮轴加工用立方氮化硼( CBN) 磨抛带的开发研究)
作者简介: 吕智( 1956－) ，男，博士，教授级高级工程师，长期从事超硬行业的研究与管理工作。
引文格式: 吕 智，谢志刚，林 峰，等．超硬材料在精密加工中的应用现状与展望［J］．超硬材料工程，2018，30( 6) : 43-46．
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。
参考文献:
［1］ 王先逵． 精密复合加工技术［J］． 现代制造工程，2012( 2) : 1-6．
［2］ 吕智，谢志刚，林峰，等． 超硬材料行业技术发展现状与展望
［J］． 超硬材料工程，2017( 5) : 47-51．
［3］ 林峰，蒋燕麟，苏钰，等． 国外超硬材料产业发展趋势［J］． 超硬材料工程，2015( 1) : 31-38．
［4］ 罗珊，胡小月，王成勇，等． 金刚石在医疗领域的应用［J］． 金刚石与磨料磨具工程，2018( 2) ．
［5］ 侯永改，田久根，路继红，等． 氧化锆陶瓷磨削加工的研究现状
［J］． 中国陶瓷，2014( 9) : 6-9．
