南阳市超硬材料和制品加工产业发展研究.doc

南阳市超硬材料与制品加工产业发展研究 一、基础和前景 （一）概述 超硬材料主要是指人造金刚石和立方氮化硼（CBN）以及以这两种材料为主要成分的复合材料，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。超硬材料及制品已被广泛用于航天航空、电子信息、汽车制造、能源及家电等领域，如集成电路基片、固体激光散热片、超效热感计、光学窗口保护膜、高温金刚石整流器和高温三极管等，在国民经济各个领域的发展中发挥着极其重要的作用。 我国在超硬材料合成技术方面一直坚持发展拥有自主知识产权的六面顶设备及工艺。自1963年我国第一颗人造金刚石诞生以来，经过40多年的发展，我国超硬材料及制品产业从无到有、从小到大，已形成了一个门类齐全、具有相当规模的完整工业体系。同时，随着行业技术与装备水平不断提高，产品品种不断完善，超硬材料及制品在国民经济的各个领域得到越来越广泛的应用，取得了巨大的经济和社会效益，并大量出口世界各地，赢得了“小行业里的大行业”的赞誉。 （二）国内外超硬材料产业发展现状 同时，我国的六面顶合成技术在压机和高压模具设计及压力、温度控制等工艺核心技术上取得突破性进展，生产金刚石的六面压机从6×6 MN（已属落后生产设备）发展到6×20MN，缸径从F280mm 发展到F500mm，且顶锤、模具的使用寿命和消耗等指标大大优于国外两面顶技术。采用六面顶生产超硬材料产品的成本仅为国外两面顶生产成本的60％左右，生产的超硬材料单晶产品品种和品级达到或接近国外先进的两面顶产品水平。由于我国金刚石质量和稳定性的逐步提高，加上成本低廉，使我国在国际中低档市场上的竞争力大增，出口持续增长，出口价格稳中有升。不过，我国每年的金刚石进口量仍高达6000万克拉以上，年增长率高达30%，且单价增长率高达25%，比出口价高2-3倍。近年进口量的高速度增长，说明国内高档金刚石需求市场在不断扩大，国产高档金刚石虽已达到国际先进水平，但未能被高档用户完全接受。 2、超硬材料制品 金刚石和CBN产品主要用于黑色及有色金属、天然石和混凝土、木制材料、塑料、玻璃和陶瓷等各种材料的钻削、锯削、切削、磨削及抛光加工中所使用的工具。随着科技的进步，制造业的高速发展，使用新型超硬材料工具生产及应用也越来越广泛，如汽车零部件的切削加工、硬脆非金属材料加工、强化木地板加工、塑料制品加工等。 （1）金刚石工具 世界各国高速公路、机场新建与扩建，建筑工程的维修与改造工程量不断增加，迫切需要安全可靠有效的干切金刚石工具满足用户与工程需要。其中，激光焊接金刚石工具获得了迅速发展。以在世界金刚石工具行业排名第五的韩国新韩金刚石工具公司为例，2007年其生产销售收入1.5亿美元，其中激光焊接金刚石工具在新韩金刚石工具公司的比重已占重要地位，占销售总收入的55%左右。 在我国，金刚石工具激光焊接设备主要使用三种类型的CO2激光发生器: 快速横流式，快速轴流式和扩散冷却板条式激光器。鉴于扩散式冷却板条式激光器的优越性能，在我国激光焊接金刚石工具的激光器中已多达40～50台。德国Dr. Fritsch（飞羽）公司生产的LSM240、LSM212、BSM220激光焊机都采用Rofin-Sinar的板条式激光器。 为改善光束质量，元素6公司生产了CVD金刚石输出窗口，输出镜、分光镜等，可改善与强化高功率CO2激光器的性能，完善光束质量，提高可靠性，并防止工作镜头的热损。最近德国Deudiam公司采用CO2板条式激光器焊接PCD取芯钻头取得成功。用582mmPCD取芯钻头钻电器开关插座孔，深度75mm，仅需7s，而普通钻头需30s，此外，破碎岩屑颗粒粗，粉尘少，振动少，都有益于工人操作。该公司目前正进一步研发激光焊接PCBN片。 电子信息产业在全球按摩尔定律高速发展，在我国国民经济中电子信息产业已成为第一大支柱产业。而电子信息产业的基础是集成电路（IC）产业。目前95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路（IC）是用硅材料做成的。硅属于非常坚硬的硬脆材料，又是良好的半导体材料，故在晶圆（芯片）加工中，在不同环节必须多次使用金刚石工具进行高精密加工。世界各国金刚石工具厂生产的高精密加工晶圆（芯片）的金刚石工具特点如下：①逐步用电镀或树脂线锯取代内圆切割锯片与加入金刚石磨料的多线锯。②逐步用电镀或树脂线锯取代内圆切割锯片与加入金刚石磨料的多线锯化学机械抛光（CMP）修整器品种多样，精度更高。③超薄切割片品种多样。芯片划片刀具以电铸为主，更加精密。 我国超硬材料工具的性能与质量与国外发达国家相比，仍有一定差距，还不能大量进入国外专业市场。因此，研究国外超硬材料工具的最新应用与进展，对进一步提高与发展我国超硬材料工具工业是非常有益的。 （2）超硬材料磨具 随着现代机械加工工业的不断发展及各种新型材料的不断出现