鄭州磨料磨具磨削研究所 王光祖 衛鳳午
河南工業大學機電學院 崔仲鳴 馮常財
超硬工具在現代加工中的應用佔有越來越重要的地位。為較全面、客 觀 的 評 述 其 發 展 的 代 表 性、 真實性，筆者用心地查閱了近三四年來，行業權威技術期刊和研討會文集，並進行了反覆地、認真地閱讀，從中選用了超硬行業技術發展現狀( 歷程 ) 與展望有關的論述文章，包括切削、研磨、鋸切和鑽探等四個大方面，撰寫了這篇集本行業專家、學者智慧之大成一文，與同仁們共享，具體內容各分述如下，不妥之處，請批評指正。
1.發展現狀與展望
製品總體上仍處於生產大國，不是強國。主要特徵是：高端製品仍大量進口，價格居高，許多核心技術仍由國外掌控，國內原創技術不多。因此，加快技術創新，提升產品性能，拓展應用領域，是當前較為緊迫的問題。
1.1技術亮點
組鋸技術研發成功，是對大板切割工藝的一項重要創新，標誌著我國金剛石繩鋸全面進入世界先進水平。
精密加工工具是附加值很高的產品，近幾年取得較大進展，如超薄切割片、玻璃加工刀輪、超高速高性能 CBN 砂輪等。國內個別公司的 PCBN 精密刀具早已進入市場，用於手機背板加工的 PCD 刀具也有重大突破。
囯 外 PCD 片 最 大 直 徑 超 過了 100mm， 主 流 產 品 尺 寸 60-80mm，而國內最大尺寸只能做到60mm 左右。高端 PCD 複合片目前市場仍以元素六、DI、住友等公司為主。
國內的 PCD 刀具可分為低端、中端、高端三部分，低端以粗粒度PCD 為代表，國內生產廠家多 ; 中端是指中粒度 PCD，能完全替代進口產品 ; 高端產品是指細粒度內的PCD，此類產品國內外差距明顯，每年需大量進口。高端 PCD 刀具的研發和生產對設備投入要求較高，存在技術和資金雙重壁壘。
PCBN 可分為低端和高端產品。低端片，即高含量、粗粒度產品，可以替代國外產品 ; 高端片，即低含量、細粒度的 PCBN 產品，與國外同類產品差距明顯，高端片以進口為主。
金剛石鋸片必須持續不斷進行技術創新，並且在產品細節、工藝等方面有持續的改進，才能在殘酷的市場競爭中佔有一席之地。
當前，單層釺焊技術已基本成熟，並且有產業化應用和生產。多層金剛石釺焊工具的製造技術已成形，但修整困難，嚴重製約了其產業化和應用。
在功能材料方面，CVD 金剛石只有在一些特殊場合，如紅外窗口、光刻機等方面有應用。CVD 的真正優勢是應用在功能材料方向，超硬材料行業要加快 CVD 金剛石生長技術研究及其產業化進程，促進 CVD金剛石在功能材料領域的快速發展。
球齒的應用實驗成本高，投入大，短期內還難以進入盾構機等主要工程應用領域。有資料表明，在囯外球齒在石油衝擊鑽頭上有應用，佔到油氣井鑽頭產值的 10%。國內也有相應的報導，如某公司生產的球齒已經出口到歐美市場，年出口約為 2000 萬元，主要應用在石油鑽頭的非主要部位。
1.2超硬材料技術發展展望
我國的高端超硬製品，如精密加工工具、專業鋸片、高速砂輪、細 粒 度 低 含 量 PCBN 等， 與 國 外同類產品相比仍有較大差距。努力提高我國超硬材料及製品的技術水平，發展高端製品，已成為迫在眉睫的事。行業人士應重點選擇一些更有發展前景或有望得到快速應用的新產品新技術進行開發。
發展金剛石長線等高端製品，將會促進我國光伏及相關產業的快速發展，對中國的經濟發展具有重要意義。
研究針對不同形狀、不同材質的高端金剛石線，開發多線、網面切或曲面切等加工方式，是未來超硬製品的一個重要發展方向。
要重點開發大尺寸、純度高、晶形完整的單晶，加強在軍工、航天及窗口的應用。高端 PCBN 和 PCD 要重視大直徑、細粒度帶來的均勻性問題及質量穩定性問題，推動 PCBN、PCD刀具替代陶瓷、高速鋼、硬質合金等刀具。
未來幾年超硬行業應加大 NPD的研發力度，重點關注 NPD 的理論研究和後期加工兩個主要問題，在軍工、航空航天等高端應用領域進行應用探索，進一步培育市場，推動高端 NPD 的產業化。
2.聚晶立方氮化硼複合片的應用及發展現狀
作為刀具材料，PCBN 複合片的應用範圍十分廣泛，多數用在高級數控工具機、多用途的全自動工具機以及專用的高速自動線工具機等，還有用在加工淬火鋼、冷硬鑄鐵、模具鋼以及淬硬鍛造鋼件等柔性生產系統，其取代傳統的硬質合金、陶瓷刀具已經成為刀具行業發展的趨勢。
歐洲、北美、日本等一些國家PCBN 刀具發展較早，現已有比較成熟的製備技術，呈現產品系列化、質量優化、性能均一化的特點。
全球高端市場全部被國外產品佔據，且國內外 90% 的市場被國外的 PCBN 刀具材料佔據，國內的PCBN 刀具只能在低端市場惡性競爭。因此，向高端 PCBN 複合展開研發具有重大現實價值與意義。
PCBN 硬度高、耐磨性好、化學穩定性好、高溫穩定性好、高導熱、摩擦係數小等優良特性使其成為難加工材料的最佳選擇，可以進行 高 速 精 切 削， 實 現 以 車 代 磨，提高加工效率。此外，PCBN 複合片還是最適合幹切削工藝的刀具材料，因此，PCBN 刀具在汽車製造、軸承、航空航天等諸多領域有著廣泛應用。根據行業統計，PCBN 刀具在行業中應用有以下幾個方面 :
(1) 按 行 業 來 分 , 汽 車 工 業 佔50.37%, 重 型 機 械 佔 20.74%, 泵 業佔 8.89%, 軸承齒輪佔 5.93%, 軋滾佔 5.19%, 航空航天佔 2.95%, 其他佔 5.93%。
(2) 按加工材料來分，淬火鋼佔65%, 鑄鐵佔 28%, 耐熱鋼佔 7%;
(3) 按 加 工 工 序 來 分， 車 削 佔60%, 銼削佔 32.5%, 端銑佔 7.5%;
(4) 按替代原加工來分，50% 替代磨削 30% 替代硬質合金刀具 ,10% 替代金屬陶瓷刀具 , 5% 替代陶瓷刀具 , 5% 替代研磨加工。
值得注意的是，PCBN 刀具具有較強的針對性，對於不同的加工材料及加工方式應選用不同的配方的 PCBN 刀具。根據 CBN 的含量其大致可分為高、中、低含量 PCBN 複合片，其中高含量 (80%-95%) 主要用於各類鑄鐵、粉末冶金、而高溫合金等，中含量（60%-80%）主要用於重載、斷續加工淬火鋼，低含量（40%-60%）主要用於高速輕載連續精加工淬火鋼。根據加工精度和表面質量要求，製造切削工具用的 CBN 粒度大約分為：粗粒度 20-30um；中粒度 3-10um；細粒度 2um。用粗粒度做成的聚晶難以做成精度要求高的刀具，但其耐磨性、抗衝擊性較高，細粒度做成的聚晶刀具可滿足精加工和超精加工的要求。
3. 超硬材料在精密加工中的應用現狀與展望
精密加工是衡量一個國家製造水平高低的重要標誌，是現代技術發展的基礎。超硬材料廣泛應用在汽車、空調壓縮機、軸承、半導體、手機背板、石油鑽進以及生物醫療等領域的精密加工中。超高速磨削 CBN 砂輪、PCD/PCBN 超硬刀具，金剛石超薄砂輪等超硬製品在汽車發動機、空調壓縮機活塞、氣缸、半導體晶片等精密加工中發揮關鍵作用。
在轉向器、變速箱、萬向節等配件加工上，國產砂輪正在逐步替代進口砂輪。
目前，在鑄鐵類的粗加工方面，國內高含量 PCBN產品已佔主流，但在加工淬火鋼的低含量 PCBN 和精加工方面，仍以國外產品為主。
幾年前，空調壓縮機行業用的 CBN 砂輪幾乎全部使用國外產品，目前己全部替代，它是超硬材料精密加工中取代國外產品最成功的範例。
航空航天是超硬材料下一步應用拓展的十分有前景的領域，應該重點關注。目前半導體行業用砂輪 ( 切割、減薄、拋光 )80%以上是進口，這是國內超硬材料在精密加工領域與國外差距最大，產品進口比例最高的行業。
軸承行業產量大，是 CBN 砂輪應用拓展很重要的一個領域。
隨著 5G 時代的到來，5G 手機背板的選材成為熱點，目前判斷會以氧化鋯陶瓷為主。
近年來中國油氣鑽井用 PCD 複合片取得了很大的進展，大部分產品性能同國外同類產品接近，價格約為國外產品的 80%。在國際市場上也獲得初步認可。但在高端鑽頭和關鍵部位應用上，國內產品所佔有的份額仍然較少。目前，與國外的差異性主要體現產在產品穩定性和產品結構上。
隨著醫療技術的發展，對醫療材料的品種和質量提出了更高要求，為金剛石材料的應用開拓了一片新的市場。由於金剛石手術刀具在手術過程中對手術部位的擠壓、撕拉損傷小、傷口邊緣整齊，易癒合。目前，主要用於眼科、神經外科、骨科、口腔科以及生物組織切片等。人體植入物是近年來醫用領域中的一個熱門方向。呂智，謝志剛等對共其未來發展提出了以下認知：
(1) 加強基礎研究，大力推進產學研結合，全面攻克 5G 背板業加工難題和實質縮小半導體加工差距。
(2) 加 大 穩 定 性、 針 對 性 和 擴大片徑研究，明顯提高高端 PCD、PCBN 的產品性能，加快替代步伐。
(3) 加強與汽車整車企業的聯繫和溝通，做好示範工程，局部突破，以點帶面。
(4) 深入調研，客觀分析，制定超硬材料在航空航天領域的發展對策。
(5) 加大金剛石微粉深度加工的研發力度，爭取在短期內突破技術瓶頸。
(6) 密切跟蹤超硬材料在陶瓷、硬質合金、以及生物醫療等行業的動態，擴大應用領域。
(7) 加大 NPD 研發力度，推動高端 NPD 的產業化。
4.金剛石線鋸發展評述
孟雪等人全面評述了太陽能矽片切割用金剛線的發展現狀，並對未來可能發展的趨勢進行了預測。
近年來，隨著矽片減薄化，以及矽片製造企業進一步降低生產成本的需求日益緊迫，金剛石線切割技術應運而生，並逐步在全行業得到推廣。
它與傳統砂漿切割的最大不同有兩個方面，一個是使用的磨料不同，二是切割作用中磨料形態不同，傳統砂漿切割為自由磨料，而金剛石線切割使用固結磨料。
在光伏矽材料切割，尤其是單晶矽切割領域，金剛石線應用展現出了相比於傳統砂漿切割壓倒的優勢，主要表現三大方面：
(1)高效率，高質量 ;(2) 低成本 ; (3) 高效清潔生產。
太陽能在矽片切割已經全面進入金剛線切時代，對應爆發式增長的光伏行業，金剛線的需求也在呈現快速增長勢態，一時難以完全滿足市場需求。展望未來的發展趨勢需要從下遊用戶的實際需來考量。對應到金剛線行業，則可能會朝向』四化方向發展：即細化、快切化、省線化和低 TTV 化。
（1）細線化，預計從目前的直徑80um、70um 線向兩種電鍍金剛線向 65um、60um 金剛線快速過渡 ;（2）快切化，單片切割的耗時將會從現在的 2-3 小時快速降低至 1 小時，甚至更低 ;（3）省線化，是指在切割加工過程中減少金剛線的損耗，從而降低耗材成本 ;（4）低 TTV，是指矽片厚度變化量，是衡量晶片品質的一個很重要的指標，通過改善電鍍金剛線性能特徵是實現 TTV 化的關鍵途徑。
5.立方氮化硼磨具的研發歷程與技術發展趨勢
按 照 結 合 劑 材 料 的 不 同， 將CBN 磨具分為陶瓷結合劑、樹脂結合劑和金屬結合劑 3 大類型，其中金屬結合劑又分為燒結金屬和電鍍金屬等類別。
陶瓷結合劑 CBN 磨具的規格從通常直徑的 50-500mm 發展到現在的小到 1mm 噴油噴嘴內圓磨砂輪，大到 1600mm 磨曲軸砂輪 ; 砂輪最高工作線速度逐步從 50m/s 提高到200m/s；應用從軍工領域擴展到工具機工具、汽車等，磨削加工對象涉及高速樹鋼刀具、高速鋼絲錐螺紋、精密絲槓、軸承、汽車凸輪軸、曲軸等 ; 產品性能質量不斷提高，汽車發動機關鍵零部件加工用 CBN 磨具的性能已達到發達國家同類產品水平。
樹脂結合劑 CBN 磨具的規格從通常的 50-500mm發展到現在的小到 1mm 硬質合金納米（拋光表面達到納米級粗糙度）磨頭，大到 1200mm 粗磨鐵基粉末冶金零件磨盤；應用領域包括刀具、軸承、汽車和家電等，主要磨削加工對象包括高速鋼刀具、軸承、汽車變速箱空零件和空調壓縮機葉片等；產品性能質量不斷提高，空調壓縮機零件加工用 CBN 磨具的性能達到發達囯家同類產品水平。
金屬結合劑 CBN 磨具方面，最薄的超薄切割砂輪厚度達到 0.08mm，直徑最大為 1000mm。
粗磨 99 瓷金屬磨盤應用領域涉及汽車和家電等領域，加工對象包括汽車摩託車缸套、連杆、汽車節氣門導杆、空調壓、縮機支座內孔和平面等 ; 產品性能不斷提高，汽車、摩託機缸套、連杆力工加工用 CBN珩磨油石的性能質量達到發達國家同類產品水平。
電鍍金屬結合劑 CBN 磨具包括電鍍 CBN 磨頭、高速鋼木工刀具、開槽用電鍍 CBN 砂輪、電鍍壓縮機葉片槽磨砂輪和電鍍磨曲軸砂輪等，達到或接近國外同類產品水平。
5.1 製造技術發展預測
CBN 砂輪的修整技術已經成為制約 CBN 磨具推廣應用的瓶頸。因此需要進一步加強研究，開發出更加高效的精密修整技術，解決 CBN 砂輪修整難的問題。
為進一步發揮 CBN 磨料的優異特性，滿足各種不同加工對象高效精密加工的需求，高耐熱高流動性樹脂、溶膠凝膠法陶瓷結合劑、高強度玻璃陶瓷結合劑、樹脂 / 金屬複合結合劑、陶瓷 / 金屬複合結合劑等新型結合劑的研究，將成為 CBN 磨具結合劑的研究熱點。
為提高結合劑與 CBN 磨料的把持力，從而提高磨削效率和磨具的使用壽命，需要加強結合劑與磨料界面結合機理的研究。
為滿足使用速度不於小 200m/s 的超高速磨削技術對陶瓷結合劑 CBN 砂輪的要求，需要進一步加強輕量化基體、超高速砂輪安全檢測技術的研究。
為適應發展低碳經濟的需要，具有高效、節能、低耗、環保特點的新型燒結燒成技術與裝備，將會得到研究開發。
為滿足智能製造技術發展的需要，數位化、智能化設計技術，可靠性評價技術將會得到關注和發展 ;3D列印的應用技術將會成為行業關注的熱點。
5.2 CBN 磨具產品預測
隨著智能製造和一帶一路的發展，機器人用於交叉滾珠軸承、高鐵用軸承等高端產品的需求量越來越大，對加工製造精度及其一致性的要求越來越高。使用 CBN 磨具進行加工，將顯著提高軸承零件加工精度及其一致性。
應多關注軸承行業的需求，積極開展該行業用CBN 磨具的研究開發，拓展新的應用領域，尋找新的市場機會。
隨著多品種、小批量、個性化等定製生產方式的推廣，具有高型面保持性，適合於異形複雜型面工件加工用電鍍金屬結合劑 CBN 砂輪將得到關注工與發展。
隨著裝配式凸輪軸的推廣應用，新型陶瓷結合劑 CBN 砂輪將會得到開發應用。
隨著不鏽鋼、氮化不鏽鋼等難加 工 材 料 應 用 範 圍 的 快 速 擴 大，CBN 磨具的推廣應用將會進一步擴展，例如用於汽車電子助力泵、製冷壓縮機葉片、液壓泵葉片等高效磨削加工的樹脂結合劑 CBN 磨具用量會進一步加大，一系列具有綜合優勢的新型複合結合劑磨具產品將得到開發。
6.金剛石深孔鑽進的特點與展望
礦產資源對人類生存和發展而言是重要的物質基礎，礦業在我國產業經濟中處於「上遊」地位，對社會產業鏈有極大影響。我國歷來是礦產貧乏 ( 人均佔有量 ) 的國家，無論是黑色金屬還是有色金屬，乃至非金屬礦產。目前，中共中央、國務院推行「一帶一路」倡議，已初見成效，但立足國內、立足西部、立足深孔鑽進，仍是獲得礦產資源的主要方向。
現階段，我國礦產資源的主要特點是：(1) 礦產資源總量豐富，品種齊全，但人均佔有量少。(2) 礦產質量貧富不均，貧礦多，富礦少，開發利用難度大，大多數金屬礦產供保有儲量低，可利用的經濟基礎儲量少。(3) 支柱性礦產的質量和產出條件差。(4) 資源分布與加工消費區不匹配。(5) 共生伴生礦多，單礦種礦床少，分、選冶煉困難，綜合利用水平低。
數十年的礦產勘查與開採，我國淺部地層的礦產資源已開採殆盡，地質找礦逐步從過去經過的淺部(300m 以內 )，中深部 (300-1000m)轉向深部 ( 大於 1000m) 甚至超深部勘探 ( 大於 3000m)。
金剛石鑽進在深部鑽進的優勢主要有以下幾個方面：
(1) 金剛石鑽頭在堅硬地層中鑽進具有優良的使用效果，破碎效果高於硬質合金，能適應深孔的要求。
(2) 硬質合金鑽進、衝擊鑽進等其他鑽進方法在深孔鑽進中經濟性較差，隨著勘探深度的增加，勘探成本呈幾何倍數遞增，達不到勘探所需的經濟效果。而金剛石鑽進在深部鑽探中卻能保持良好的經濟性，性價比。
(3) 與金剛石鑽進配套的繩索取芯鑽進，能實現不提鑽取芯鑽進，在深部鑽進中能減少下鑽時間，在一定程度上提高勘探的工作效率，節約勘探成本。
(4) 一系列與繩索取芯相關的技術可應用在深孔鑽進中，指導深部鑽探。
7.結語
聽聽我們的專家、學者是怎樣說的。
7.1呂智、謝志剛等認為：未來超硬材料行業將進入穩定發展格局，既要發展高端製品，如金剛石線鋸、大單晶刀具等，又要開拓超硬材料製品應用領域，擴大在精密加工、手機背板陶瓷材料、人造石、工程機械、石墨烯等領域應用，同時要增強超硬材料在功能應用方向開發並重視產品細節，加強質量控制。整個行業要加強基礎性研究和實施創新戰略，並要聯合攻關，以實現我國超硬材料及製品由大國向強國轉變。
7.2 趙亮、王明智等指出：隨著我國航空航天、汽車製造等支柱產業的發展，新材料、新設備的出現，對超高速切削、高精加工的要求不斷增加，PCBN 內的需求量也不斷增大，為進一步滿足高精加工，納米 PCBN 將會成為研究熱點。黏結劑對 PCBN 複合片性能的提高起到至關重要的作用，仍是研究的重點，需進一具步探究黏結劑的作用機理，尋找合適的黏結劑種類、配比，以提高 PCBN 複合片的綜合性能，提高 PCBN 複合片的市場競爭力。
7.3 呂智，林峰等預計,國內超硬材料近幾年在 5G 手機陶瓷背板加工、PCD、PCBN 等方面取得更大突破 ; 國內精密加工產品會實質性進入汽車整車廠 ; 政府和企業將會加大金剛石工具在半導體加工領域的投資和研發力度 ; 超硬材料在航空航天、生物醫療領域的應用會加速。
7.4 張延軍，王文龍提出，未來幾年國內 PCBN 刀具材料將重點提高複合片的強度，精細研究工藝，開發加工淬火鋼用 PCBN 複合片，片徑擴大到直徑 58-74mm，發展塗層技術最終進入高端市場的發展方向。並在鑄鐵、粉末冶金、高溫合金、淬火鋼、航空不鏽鋼等材料力工加工中迎來廣闊的前景。
7.5 劉明耀，李克華說：隨著我國國民經濟建設的迅速發展，CBN磨具將得到大力發展和推廣應用。同時，伴隨著新型難加工材料的不斷出現，加工要求的不斷提高，加工技術的不斷發展，對節能環保的關注不斷加強，CBN 磨具產業將迎來更好的發展時機，CBN 磨具的優勢將會得到進一步發揮和利用，新技術、新產品將會不斷湧現，應用領域將不斷擴展延伸，CBN 磨具產業規模將會進一步擴大，行業發展前景一片光明。
7.6 趙永明，李亮告訴我們說，按油井行業的界定，井深 4500m 以下為淺井，4500-6000m 多為深井，6000m 以上為超深井。深井超深井油氣資源的勘探開發是提高我國能源的重要一環，深井超深井技術的提高是我國在世界本行業內提高競爭力的關鍵。隨著油氣勘探開發勘探不斷向深部發展，深井超深井鑽進技術不斷提高，應用規模日益擴大 , PDC 鑽頭的前景非常好。
7.7 綠色製造是低碳、低能耗、低汙染、低排放為基礎的製造模式。其實質是能源高效利用、開發清潔能源、追求綠色 GDP 的問題。核心是能源技術和減排技術創新、產業結構和制度創新和人類生產發展觀念的根本性轉變。這是時代賦予我們的崇高使命和頭等重要任務。作為科學技術工作者，特別是作為超硬材料製品研發與生產的科學技術工作者，應該積極主動地獻身於這場偉大的技術變革中去，讓其他材料無可比擬的超硬材料大顯神威。
7.7.1 複合超硬材料 PCD 的發展，在很大程度上提升了現代鑽井技術水平，相信隨著人們不斷向更深地層尋找和開採石油，特別是天然氣資源，複合材料 PCD 會有更大的應用前景。
7.7.2 綠色切削技術的發展趨勢表明，高速切削、高穩定性加工、硬態切削最符合綠色切削特徵，乾式切削與高速切削有機結合起來將是一種理想的非末端治理的高效、低耗、加工質量好、環境汙染小、綜合效益好的綠色切削，是未來機械切削加工的主流。
7.7.3 高速 CBN 砂輪具有高效率、高精度、低磨削成本、低環境汙染的高性能磨具產品，代表了當今世界磨具產品發展的一個方向，是實現綠色加工目標的有效手段。
7.7.4 太陽能光伏產業是世界上發展速度最快的產業之一。為實現能源和環境可持續發展，世界各國均將太陽光伏發電作為新能源與可再生能源發展的重點。光伏產業的發展，為我國金剛石工具製造業帶來又一巨大商機。
7.7.5 為滿足晶片微型化、高密度化、高速化、高數位化和系統集成化的要求，對晶片的直徑、平坦化、線寬和金屬互連層數提出了更高要求。因此，積極研發半導體矽材料加工用超精密金剛石工具是極其重要而又艱巨的任務。