人造金刚石硬质合金复合片项目

人造金刚石硬质合金复合片项目简介

一、项目概述

金刚石具有极其优异的力学、电学、热学、声学和光学等性质。其优异的力学性能突出地表现在其硬度在已发现的材料中最高的，可达到1000kg/mm2，加之其磨擦系数非常小（约0.05），因而可用作切削刀具、钻头、轴承、压模、拉丝模、精密量具的涂层等，不仅提高使用寿命，还可提高加工精度。从而大大提高机械加工效率。

在硬质合金基体上利用高温高压烧结一层厚度为0.5-0.7mm的金刚石微粉形成硬质合金-金刚石复合材料，称之为聚晶金刚石复合片（Polycrystalline Diamond Compacts，简称PDC）刀具材料。由于它既具有金刚石的高硬度和强度同时又具有硬质合金韧性，被广泛应用于石油地质钻头、拉丝模具、以及有色金属及其合金、木工材料、陶瓷材料、复合材料的精密及半精密的连续或断续切削加工，已经或正在全面取代天然或人造大颗粒金刚石单晶刀具和传统硬质刀具（如硬质合金刀具、涂层刀具、陶瓷刀具等）。随着现代制造业尤其是汽车制造业的快速发展，PDC超硬刀具材料的生产及应用也在超常速增长。据有关资料报导，八十年代末期PDC刀具全球销售额仅为50万美元，至1997年PDC刀具销售额已达2.3亿美元。其中大部分（约60%）用于汽车零件的切削加工，其次，PCD刀具近30%用于木工刀具。国内PDC刀具市场已超过1亿元人民币，其厂家主要分布在上海、北京、深圳、西安、郑州、长沙、廊坊等地。这些厂家一般采用国外G·E公司、Beer's公司复合片原材料，目前自主开发PDC超硬刀具材料的国内厂家很少。随着我国国内机床工业面临着升级换代，新的加工技术如CNC及数控机床将得到普遍广泛使用。可以预言，可实现高效率、高稳定性、高精度，长寿命的PDC超硬刀具的应用也会日益普及，PDC超硬刀具材料的市场发展前景十分看好。

本项目属于国家技术经济政策鼓励重点发展的两个高新技术产业领域：其一是新材料产业，本项目的原材料超硬材料属于新材料；其二是现代先进制造业，本项目产品是现代制造业必不可少的新型先进加工工具。发达国家超硬材料工具制造技术先进，产品档次高，附加值在10倍甚至20倍以上。而国内目前基本上是中低档产品，附加值3倍左右。高档工具主要靠进口，每年进口额超过25亿人民币。国内急需要大力开发超硬材料工具高档产品替代进口，满足国内市场需要。

二、市场分析

磨料磨具素有“工业牙齿”之称，其产品广泛地应用于磨削和非磨削领域，因此决定了磨料磨具行业的基础性地位。根据《国家产业政策纲要》机电、石化、汽车、建筑业将成为我国四大支柱产业，将会得到持续地高速发展，而这些工业都是磨料磨具的相关行业。超硬材料及制品的市场容量：10亿克拉。

金刚石作为一种超硬刀具材料应用于切削加工已有数百年历史。在刀具发展历程中，从十九世纪末到二十世纪中期，刀具材料以高速钢为主要代表；1927年德国首先研制出硬质合金刀具材料并获得广泛应用；二十世纪五十年代，瑞典和美国分别合成出人造金刚石，切削刀具从此步入以超硬材料为代表的时期。二十世纪七十年代，人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石（PCD），解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题，使金刚石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。

随着现代制造业尤其是汽车制造业的快速发展，PDC超硬刀具材料的生产及应用也在超常速增长。据有关资料，PDC刀具约60%用于汽车零件的切削加工，近30%用于木工刀具。

工业发达国家对PCD刀具的研究开展较早，其应用已比较成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金刚石以来，对PCD刀具切削性能的研究获得了大量成果，PCD刀具的应用范围及使用量迅速扩大。目前，国际上著名的人造金刚石复合片生产商主要有英国De Beers公司、美国GE公司、日本住友电工株式会社等。据报道，1995年一季度仅日本的PCD刀具产量即达10.7万把。PCD刀具的应用范围已由初期的车削加工向钻削、铣削加工扩展。由日本一家组织进行的关于超硬刀具的调查表明：人们选用PCD 刀具的主要考虑因素是基于PCD刀具加工后的表面精度、尺寸精度及刀具寿命等优势。金刚石复合片合成技术也得到了较大发展，DeBeers公司已推出了直径74mm、层厚0.3mm的聚晶金刚石复合片。

国内PCD刀具市场随着刀具技术水平的发展也不断扩大。目前中国第一汽车集团已有一百多个PCD车刀使用点，许多人造板企业也采用PCD刀具进行木制品加工。PCD刀具的应用也进一步推动了对其设计与制造技术的研究。国内的清华大学、大连理工大学、华中理工大学、吉林工业大学、哈尔滨工业大学等均在积极开展这方面的研究。国内从事PCD刀具研发、生产的有上海舒伯哈特、郑州新亚、南京蓝帜、深圳润祥、成都工具研究所等几十家单位。目前，PCD刀具的加工范围已从传统的金属切削加工扩展到石材加工、木材加工、金属基复合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。

国内PDC刀具市场已超过1亿元人民币，但我国PDC刀具市场95%左右，是由外国刀具商占据着，国产PDC刀具仅占5%左右的国内市场，由此可见PDC用作刀具，在国内有着很大的潜在市场。仅美国通用电器公司（GE）在中国的金刚石刀具年销售额就超过千万元人民币。我国年需金刚石刀具数十万片，价值超过数千万元人民币，大都为进口。金刚石刀具替代现有进口金刚石刀具将带来良好的经济效益，同时对开发新型的刀具材料和耐磨材料，具有很高的科学意义和广阔的应用前景。

三、PCD刀具的性能特点和应用

金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性，可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。金刚石刀具的上述特性是由金刚石晶体状态决定的。在金刚石晶体中，碳原子的四个价电子按四面体结构成键，每个碳原子与四个相邻原子形成共价键，进而组成金刚石结构，该结构的结合力和方向性很强，从而使金刚石具有极高硬度。由于聚晶金刚石（PCD）的结构是取向不一的细晶粒金刚石烧结体，虽然加入了结合剂，其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。但由于PCD烧结体表现为各向同性，因此不易沿单一解理面裂开。

PCD刀具材料的主要性能指标：

①PCD的硬度可达8000HV，为硬质合金的80～120倍；

②PCD的导热系数为700W/mK，为硬质合金的1.5～9倍，甚至高于PCBN和铜，因此PCD刀具热量传递迅速；

③PCD的摩擦系数一般仅为0.1～0.3（硬质合金的摩擦系数为0.4～1），因此PCD刀具可显著减小切削力；

④PCD的热膨胀系数仅为0.9×10-6～1.18×10-6，仅相当于硬质合金的1/5，因此PCD刀具热变形小，加工精度高；⑤PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。

通过对近年来PCD刀具应用的分析可见，PCD刀具主要应用于以下两方面：

①难加工有色金属材料的加工：用普通刀具加工难加工有色金属材料时，往往产生刀具易磨损、加工效率低等缺陷，而PCD刀具则可表现出良好的加工性能。如用PCD 刀具可有效加工新型发动机活塞材料——过共晶硅铝合金（对该材料加工机理的研究已取得突破）。

②难加工非金属材料的加工：PCD刀具非常适合对石材、硬质碳、碳纤维增强塑料（CFRP）、人造板材等难加工非金属材料的加工。如华中理工大学1990年实现了