中国超硬材料行业发展现状及问题

中国超硬材料行业发展现状及问题点击：20 日期：2008-11-18 15:09:05我们金刚石方面也应该有硬件和软件之分，有人认为有了设备就会有优质粗颗粒金刚石，这是一种片面性的观念，是错误的。

应该这么说：金刚石压机大型化与控制系统的精细化属于硬件部分；而组装设计、合成工艺及包括后部提纯、分选、鉴定、分类及标准等就是软件部分。

这两者必须紧密结合起来，我们才能获得制品合用的真正优质产品。

——方啸虎一个国家超硬材料应用的状态，体现了这个国家现代化工业的发展水平。

中国改革开放三十年以来，由于工业化、现代化的建设不断获得进步，国民经济总量已成为全球第二的大国。

当然人均GDP我国还是相当落后的，一般只有发达国家的10%左右，所以说中国的发展道路还很长！作为超硬材料行业，中国不仅是超硬材料生产大国，而且是超硬材料应用大国，这一趋势将会持续下去，超硬材料的发展也将会持续下去。

下面我们就超硬材料相关问题予以讨论。

1、基本情况在这里希望行业首先要树立一个新的概念，即硬件与软件的概念，金刚石行业也应该有硬件和软件的关系问题。

众所周知，计算机行业从来就是把硬件和软件这两部分作为两大问题分别展开工作的，所以其进步很快。

我们金刚石行业也应该有硬件和软件之分。

有人认为有了设备就会有优质粗颗粒金刚石，这是一种片面性的观念，是错误的。

应该这么说：金刚石压机大型化与控制系统的精细化属于硬件部分；而组装设计、合成工艺及包括后部提纯、分选、鉴定、分类及标准等就是软件部分。

这两者必须紧密结合起来，我们才能获得制品合用的真正优质产品。

有人会说，这个问题我们始终如一地在做，但又应该指出：这个问题绝不是没有依据，因为行业里有少数工作者就是这样在强调这种片面性，所以必须这么提出，让同仁重视。

同时，优质产品不见得都是强度越高越好，透明度越高越好，而应该是产品越适宜于应用越好。

有了这个基本原则，我们就有了谈下面问题的基础。

1.1设备1.1.1压机总量估计及趋势目前国内的主要机型已经转为≥Φ500mm缸径的压机。

当然有一部分Φ（400-800）mm 缸径压机转为生产聚晶、复合片及其它超硬材料产品，但已经失去其主力设备的功能和能力了。

我国的主力机型压机总台数应该有4000-4500台，甚至更多。

其分布以河南为主，其几个大型企业就已达3500台以上，其次有北京（含河北）、湖南、安徽、山东、江苏、浙江等。

山东、安徽两省都有200台左右的规模企业。

北京有数个企业都是数十台，有的企业下一步计划将更大。

不为人知的浙江某地采用Φ600mm缸径（因为单缸设计压力大，相当一般说的Φ650mm缸径）的压机已经有30余台，第一期计划在50~100台。

还应特别提到的，行业又有一专业厂上市，压机将会大幅增加，无疑将会成为行业产生新的竞争者。

其它最少应达200~300台。

1.1.2进一步大型化与单缸高压力化在我们讲≥Φ500mm缸径压机为我国压机主力设备的同时，可以指出在2008~2009年期间真正在生产的Φ500mm缸径的压机已经几乎没有了。

而多数都是以Φ600~650mm缸径为发展方向，从目前情况看Φ600~650mm缸径压机将会越来越显示出它的优势。

目前国内最大的压机是Φ700~750mm缸径压机。

另外无工作缸的大型压机也会进一步完善后进入发展阶段，其工作缸径将会达1000~1500mm。

尽管这两类型压机目前技术还不完全稳定，但有的企业已经开始稳定，这种发展趋势是不会逆转的。

在这里还要强调的是，单缸压力由100MPa提至120~125MPa也是可能的。

据调研，已经有数百台在正常运行，它的投入产出比将会更加合理。

这里关键是要解决一个理念问题，我们应该用全新的理论和经验来指导现在高速发展的现实。

1.1.3高精度控制系统与群控在高品质金刚石研制中，很多研究者都发现高精度控制、自动化控制、计算机化控制的重要作用，尤其是在合成块几何尺寸，公差配合，触媒石墨柱等外部条件决定后，这种作用也越明显。

高精度控制，并且能随时提出并进行重复性试验将成为最主要的问题了。

近几年凡配置到≥Φ500mm缸径压机上的控制系统，其压力都能通过压力传感器控制到0.05~0.1MPa；温度可按表格的0.N%指示外，都能按设计曲线控制精度，这比以前的粗放型控制进步确实很大。

这也是我们目前金刚石品质进步的一项重要措施。

在计算机技术高度发展的今天，充分发挥该项技术的优势是极为重要的一环。

其实几十年前大家就有这种构思，如在上世纪70年代我们就与当时的贵阳工学院一些老师合作过，但是由于当时的整体技术水平太低，无法实现。

现在不仅可以把计算机用于金刚石企业，而且可以几十台至几百台进行群控，也可以在一些大型企业按不同工艺用一组群控，同时还可以进行远程控制和进行必要的控制系统的维护。

1.1.4出口量及相关问题具有中国自主知识产权的六面顶液压机已被世界高压界所认可，也不是很容易的事情，首先是相当一段时间内国内都在进行争议。

但这时，国际上已经开始注意到中国的金刚石发展速度，并在上世纪90年代初第一次有国外企业购买了少量中国的六面顶压机，特别是近几年有了较大的发展。

截止2009年底，一共卖给国外和地区近300台。

这个数量还在不断增加，这就说明具有中国特色的六面顶压机已经为全球超硬材料界所认可。

出口国家（地区）：美国、英国、日本、印度、伊朗、韩国和台湾地区等；出口缸径：有Φ320mm、Φ400mm、Φ460mm的，但最最多的还是Φ500mm，其次Φ560mm、Φ600mm、Φ650mm，国外已签订合同的有Φ700mm，提出要求的还有750-800mm 的；出口主要用途：早期主要用于金刚石或立方碳化硼的复合片和聚晶的生产，近年来多数是生产不同粒度高品质金刚石单晶；出口企业：以桂林冶金机械总厂居多，其次有洛阳铁路分局机械厂、北方重工机械厂等；从以上资料可以看出：1）中国大型或较大型六面顶液压机已经被世界各国普遍所认可他们正在用我国的设备、控制系统、材料、工艺理念、提纯技术等在生产着人造金刚石！2）中国拥有自主知识产权的压机在国际上已有重要的地位；3）六面顶压机的设计、制造、控制精度已经能够满足超硬材料生产和科研各方面的需要；当然我们不能满足现在对设备的技术的需求，我们还应该在这种设备的更加大型化，更加自动化，更加精度化上继续下功夫，让它精益求精。

1.2产品产量1.2.1金刚石单晶09年超硬材料分会的资料已明确金刚石主要企业产量达到51亿ct。

实际国内单晶的生产能力已经达到或超过60亿ct。

超硬材料分会资料比以往准确性要大得多。

与前些年相比，最大的区别在于各企业不完全在乎企业产量。

而是把创优及产品的市场适用性放在重要位置了。

譬如说，目前大型压机已经可以合成ф52-55mm腔体，而单次产量现在主要企业都可控制在200ct左右，但实际上很多企业为了保证产品质量，而放弃了再高产量的生产。

很多企业都更加追求哪种产品的投入产出比更为合理？也就是说：我们的企业家都更加理性了。

1.2.2立方氮化硼上世纪90年代至本世纪初，我国CBN单晶产品有了较快的发展。

这主要得益于触媒的开发研究。

CBN单晶的合成关键在于触媒，琥珀色CBN单晶的合成直接推动了触媒的研究与制备生产。

随着琥珀色CBN单晶合成技术的推广，新的触媒不断出现，使CBN单晶品种出现了多样性发展。

从颜色方面可分为成黑色、棕色、琥珀色等，它们又有透明与不透明之分。

从晶体强度方面又可分为高强高韧产品和一般产品。

从晶体形态上分，有完整类球形晶体，不完整晶体以及它们的变形产品——厚板状晶体，片状晶体等。

同时，可供晶体的粒度从400目到20目一应俱全，形成了种类齐全，能够满足不同使用要求的系列化CBN单晶产品体系。

目前我国CBN单晶产品体系比较完善，与国际市场接轨较好。

早期我们从机械制造业考虑得多一些，所以认为它应占超硬材料的30%左右为宜，现在看来只可能占到10～15%就相当好了。

就现实看，全球总产量应在5亿克拉左右，中国还是生产大国，生产量约达55%～60%。

而且产品质量占有一定优势，所以有望进一步得到发展。

1.2.3聚晶与复合片该类产品由于近年国家能源，交通的高速发展，它在钻采业、工程掘进业中得到较快的发展，需求量也随之增大。

在文章的前面我就强调了，由于近三十年来的改革开放，我国国民经济总量（GDP）已经接近日本，成为全球第三的大国。

这样的高速发展，势必需求大量的煤炭、石油（气）、电力（水电、火电）。

举个最简单的数字，仅金刚石钻头，用于矿产（有色、黑色、核工业、化工、水电等）一年需求60万只，每个钻头补强就要24～30粒聚晶金刚石，这就需要1500-1800万粒（颗）。

还由于复合片质量稳定和提高，已经适用于中硬—硬岩层的掘进，所以采煤，一般坑道、隧道，都可得到广泛应用了，很快增加了使用量。

仅西安一地使用复合片制的煤炭用产品产值就达七亿以上！估计聚晶全国生产总量约为2000万粒（颗）左右，而复合片全国生产总量约为400～500万片。

1.3产品质量与系列化经过近十年的设备大型化和粉未触媒的试验投产，我国的金刚石技术应该说得到了长足的发展，而且进一步说明只要两面顶压机上能实现的指标，在六面顶压机上都能实现。

以前我们有个体会，就是改一项工艺，扩大一次腔体总要数月或一年以上才能稳定。

在压机大型化的初期，如ф500mm缸径压机，曾考虑用三年或更多的时间来稳定它，实际上用了一年半左右就开始稳定，并逐步得到推广。

而现在多数在半年左右一项新的工艺就可稳定并得到推广。

这对我们压机进一步大型化或不同品级、不同粒度新工艺获得非常有好处。

在中、高档金刚石单晶方面，国产的金刚石已经完全可以替代国外产品了。

2009年上海GEMS公司与北京安泰公司联合做了一项试验，用的是上海公司的40/50和30/40两个粒度号的GSD9970料，与国外同品级的高档商品进行对比，不仅仅测定各项指标数据，还同时做了锯切试验。

试验证明不只是参数上已经互为上下，非常接近，而且锯切效果也能完全达到要求，有一样指标还优于国外产品，这项工作也完全得到国外用户的认可。

值得说明的是这还不是国内最佳产品，所以我们可以说，国产金刚石单晶完全达到了国际先进水平。

金刚石单晶粗颗粒进步很快。

这里指的是1～3mm的粗大单晶体金刚石和5mm左右或更大颗粒的金刚石。

前者用于合成法直接合成，后者用籽晶法进行合成。

近年由于我国金刚石压机大型化和粉未触媒、碳素柱的成功运用。

给这些试验带来不少方便，而且进步相当快，大家在工艺和材料等方面做了比较多的工作，如某企业前年的样品还有不少气态包裹体，后来作者在《金刚石与磨料磨具工程》杂志上发表了一文，指出金刚石不包裹体的分类和成因及可能解决问题的方案。

而去年年会开会时看到该企业3mm左右的合成金刚石单晶包裹体就是明显减少，透明度明显提高，有的几乎已经看不到气态和固态包裹体。