超硬材料及制品基本知识

及制品基本知识

超硬材料

超硬材料及制品基本知识

一、超硬材料概念：对于超硬材料的含义至今没有一个公认为满意的解释。1981年国际硬物质科学会议认为，硬度大于1000HV的物质均可称为硬物质，这就自然包括了金刚石和立方碳化硼。后来对这个定义进行了补充，认为能加工诸如硬质合金（硬度1600—1800HV）、刚玉（—2000HV）、碳化硅（—2200HV）等这一类物质的材料称为超硬材料。目前由于金刚石和立方氮化硼等材料有其极高的硬度，所以统称为超硬材，具有硬度高、耐磨和热传导性能好、热膨胀系数低等优异性能。

二、超硬材料的分类：分为单晶超硬材料和聚晶超硬材料（也称为“复合超硬材料”）及3．金刚石薄膜三类。

单晶超硬材料和聚晶超硬材料的主要区别为：单晶金刚石/立方氮化硼材料的特点为硬度更高、耐热性更好，但尺寸较小，多用于制造锯片等切割工具；聚晶金刚石/立方氮化硼是指以金刚石和立方氮化硼微粉等单晶超硬材料为主要原料，添加金属或非金属粘结剂通过超高压高温烧结工艺制成的聚晶复合材料。它的特点是硬度、耐热性略逊于单晶材料，但是由于聚晶超硬材料是内部结构紧密的金刚石致密体，可以增加工具的切割面积，同时克服了单晶超硬材料由于粘结面积小造成的轻易从锯片表面脱落的弊端，具有更高的耐磨性。富耐克超硬材料股份有限公司，是中国最大的CBN磨料制造商，拥有多年的研发生产经验，曾经参与过国家立方氮化硼起草标准。

金刚石薄膜是用化学气相沉积（CVD）法或其它方法在非金刚石衬底上制备出的超硬薄膜。它不仅可用于制作各种金刚石刀具，还可作为功能材料用于制作声传感器、扬声器振动膜、红外窗口、X光检测窗口等，应用领域十分广泛。国际上从七十年代初开始进行金刚石薄膜的试制并迅速掀起金刚石薄膜研究开发热潮。我国从八十年代中期开始此项研究，并已列入国家“863计划”，现已能制备出80mm、厚2mm的金刚石薄膜，并在应用研究方面取得了不少成果，但目前总体上仍处于研制阶段，尚未达到工业化应用阶段。有人预计，金刚石薄膜将是21世纪金刚石工业的主要材料，各国科学家都在为使金刚石薄膜产业化而不懈努力。

金刚石按用途分为两类：质优粒大可用作装饰品的称宝石级金刚石，质差粒细用于工业的称工业用金刚石。宝石级金刚石，又称钻石，光泽灿烂，晶莹剔透，被誉为“宝石之王”，价值昂贵，是世界公认的第一货品，其占有程度和消费水平往往被视为是衡量个人和国家经

济富裕程度的标志。达不到宝石级的金刚石（工业用金刚石），以其超硬性广泛用于机电、光学、建筑、交通、冶金、地勘、国防等工业领域和现代高、新技术领域。

总的来说，复合超硬材料相对于传统合金材料具有强大的替代性，市场潜力更大，广泛应用于机械、冶金、地质、石油、煤炭、石材、建筑等传统领域，电子信息、航天航空、国防等高技术领域以及汽车、家电等新兴产业。

1.1复合超硬材料的主要产品用途

当前，复合超硬材料的产品主要分为四类：石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片、煤田矿山用聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石高品级拉丝模坯和刀具用聚晶金刚石/聚晶立方氮化硼复合片。

（1）石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片

石油天然气聚晶金刚石复合片是由无数微小金刚石颗粒和粘结剂混合组成的切削层和硬质合金衬底层在高温高压下烧结合成的，具有很高强度、硬度、耐磨性、抗冲击性以及良好的自锐性，这些优良特性使其能够应用在岩石的钻探领域。该产品主要作为石油天然气钻头的切削齿，是钻头上起到切削和掘进的核心部件。

（2）煤田矿山钻头用聚晶金刚石复合片

由于具有硬度高、耐磨性强、抗冲击韧性良好等特点，复合超硬材料除了可用于制作石油天然气用钻头外，还可用于制作煤田矿山钻头用PCD复合片，其用途并不局限制造于煤田和矿山作业用的钻进和切割工具，还可广泛应用于制造建筑建造、水电工程施工、凿岩破碎、公路修补等众多领域的钻进工具。

（3）聚晶金刚石高品级拉丝模坯

拉丝模是各种金属线材生产厂家（如电线电缆厂、钢丝厂、焊条焊丝厂等）拉制线材的一种非常重要的易消耗性模具。拉丝模的适用范围十分广泛，主要用于拉拔棒材、线材、丝材、管材等直线型难加工物体，适用于钢铁、铜、钨、钼等金属和合金材料的拉拔加工。复合超硬材料是制造高品级拉丝模最为理想的材料。

（4）刀具用复合片

使用PCD/PCBN刀具复合片制造的刀具可以替代几乎所有传统硬质合金材质的刀具，用途十分广泛，包括制造汽车零部件、加工木材、开采石材、数控机床刀头等。基于其下游行业规模庞大，市场对于刀具用复合片的需求量也十分巨大。

1.3复合超硬材料行业技术现状剖析

复合超硬材料生产的核心环节在于对单晶超硬材料和粘结剂的原材料配方处理；核心技

术在于对单晶超硬材料和相应粘结剂通过高温高压进行烧结的工艺。市场上产品质量过硬，具有明显竞争优势的厂家无不具有独特的配方和先进的生产工艺，上述两点构成了复合超硬材料行业的核心竞争力。在我国行业发展初期，我国复合超硬材料产品与国际先进产品相比在耐磨度、硬度、复合片均匀度和复合片尺寸等技术指标方面均存在一定的差距。但随着我国业内企业和科研人员不断钻研，充分发挥了六面顶压机的性能优势、克服了劣势，我国复合超硬行业技术水平已经形成了自身特点，并且在总体技术指标上接近或达到了国际先进水平。

外国生产厂商以二面顶压机为主（如E6，DI、住友、日进为两面顶，USSynthetic，MegaDiamond、Novatek等为六面顶），我国生产复合超硬材料的压机以六面顶压机为主（如四方达、新亚、海明润为六面顶、江钻为两面顶）。两种设备各有特点，两面顶压机每组压缸、顶锤的造价较高，高压腔尺寸相对较大，适合生产尺寸较大的产品；六面顶压机每组顶锤的造价较低，操作方便，高压腔尺寸相对较小，适合生产尺寸较小的产品。但是随着近年来六面顶压机的大型化，其能生产的产品尺寸也越来越大，与两面的的差异越来越小，我国四方达公司已经可以生产直径46毫米的PCD复合片，预计在不远的将来，直径2英寸的复合片也可以在六面顶压机上生产出来。

2复合超硬材料的行业市场分析

2.1复合超硬材料行业市场规模现状

根据市场调研和对下游市场需求、境外主流复合超硬材料制造商销售数据的分析，按照主要产品分类估算2009年主要复合超硬材料的市场容量如下：石油用PDC全球市场容量约为97亿元人民币，其中国内市场容量约为6亿元人民币；煤田矿山用PDC复合片由于下游产业矿山工具市场极其广阔，其全球市场容量超过200亿元人民币；PCD高品级拉丝模坯目前的全球市场容量约为5亿元人民币，但随着其性价比优势逐渐得到下游客户的认可未来几年内市场容量将增长至10亿元人民币以上；刀具用PCD复合片的市场容量也达到100亿元人民币以上。可见，复合超硬材料的市场容量巨大，且行业前景极其广阔。

2.2复合超硬材料行业竞争格局分析

总体而言，来自美国、日本、爱尔兰等国的老牌复合超硬材料制造商在科研积累、行业经验、技术工艺、产品质量上保有一定程度的领先优势，在国际市场上占领了较大的市场；同时，来自韩国、中国等国的一批新兴复合超硬材料制造企业经过十几年的技术科研开发和生产工艺探索，也形成了各具特色的生产工艺、优势产品，此外凭借一定的价格优势占据了一部分市场，其产品范围、经营领域和市场份额正在不断地扩大，成为复合超硬材料市场不