鄭州銳捷超硬材料有限公司

金剛石砂輪的現(xiàn)狀和展望

發(fā)布日期：2015-08-02

金剛石、CBN砂輪是超硬材料工具中最典型的一種工具，是以金剛石或CBN為磨料，借助于結(jié)合劑或其它輔助材料，在一定的生產(chǎn)條件下制成的具有一定形狀、性能和用途的產(chǎn)品。金剛石、CBN砂輪按結(jié)合劑種類主要可分為金屬結(jié)合劑、陶瓷結(jié)合劑、樹脂結(jié)合劑。隨著超硬材料工具技術(shù)的發(fā)展，其可加工的對象幾乎囊括了所有的已知材料，大大提高了各種機(jī)械精密加工領(lǐng)域的加工效率、加工質(zhì)量，尤其是作為高速、精密、數(shù)控、微細(xì)加工等先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，其應(yīng)用主要有兩大領(lǐng)域：一是硬脆材料加工領(lǐng)域，主要指藍(lán)寶石、單晶硅、多晶硅、磁性材料、碳化硅、耐火材料、玻璃、地質(zhì)鉆探等硬脆材料加工領(lǐng)域；二是各種機(jī)械精密加工領(lǐng)域，主要指電子、機(jī)械、汽車、新能源等精密加工領(lǐng)域。按其用途的不同，又可分為：金剛石磨削砂輪、金剛石鋸切砂輪片、金剛石鉆探刀頭等幾個(gè)大類。

金剛石工具的出現(xiàn)使得以前只能依靠繁重的手工勞動(dòng)、低效率加工硬脆材料的方式成為歷史，代之以機(jī)電一體化的現(xiàn)代先進(jìn)加工方式，其加工效率得以實(shí)現(xiàn)大幅提高，金剛石砂輪在磁性材料、藍(lán)寶石、硅材料、建筑陶瓷、石材、鋼筋混凝土等硬脆材料加工領(lǐng)域是目前最有效的工具。

全球超硬材料工具的生產(chǎn)遍及世界各地，其中，磨削切削類工具以日本、德國、美國及韓國制造水平為高，這些國家磨削工具正快速向超硬材料工具轉(zhuǎn)化，其它磨具用量已在逐年減少。由于超硬材料制品具有高效、節(jié)能、壽命長、環(huán)境友好的突出特點(diǎn)，其效率和壽命比傳統(tǒng)工具高數(shù)十倍。

我國的超硬材料制品行業(yè)起始于二十世紀(jì)七十年代。在此之前，金剛石鋸片等超硬材料工具幾乎全部依賴進(jìn)口，八十年代全國各地興起了大批以生產(chǎn)小直徑金剛石鋸片為主的生產(chǎn)企業(yè)，九十年代開始進(jìn)入高速發(fā)展期。我國超硬材料工具產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了從無到有、從小到大，形成了一個(gè)門類齊全、具有相當(dāng)規(guī)模的完整工業(yè)體系，包括配套的原材料供應(yīng)體系、設(shè)備供應(yīng)體系、輔助材料體系和市場體系，已經(jīng)能夠生產(chǎn)出基本滿足各行業(yè)發(fā)展所需的超硬材料工具，每年還有大量產(chǎn)品出口，尤其在中低端產(chǎn)品上具有明顯競爭優(yōu)勢，但在高端產(chǎn)品制造和技術(shù)水平上與國外先進(jìn)水平相比仍存在一定的差距。

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，超硬材料的獨(dú)特性能得到不斷的開發(fā)利用，超硬材料制品技術(shù)水平不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，超硬材料制品行業(yè)已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)不可缺少的重要組成部分。

隨著人造金剛石技術(shù)的日益成熟以及中國經(jīng)濟(jì)的快速騰飛，我國在金剛石工具制造技術(shù)上有了較多的積累與進(jìn)步，具備了較強(qiáng)的制造能力。由于我國企業(yè)在勞動(dòng)力成本上的優(yōu)勢，加之技術(shù)研發(fā)上的后發(fā)追趕態(tài)勢，使得我國企業(yè)在產(chǎn)品性價(jià)比上具有明顯優(yōu)勢。市場需求的快速增長，各地金剛石工具企業(yè)紛紛上馬，并出現(xiàn)了一批具有國際競爭實(shí)力的優(yōu)勢企業(yè)。我國已成為世界上重要的金剛石工具生產(chǎn)國、使用國和出口國，年產(chǎn)值超過百億元。金剛石工具在新興行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用有望進(jìn)一步拓展隨著人造金剛石品級的不斷提升, 其優(yōu)良的性能有望在高新技術(shù)領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用,如可用于航空儀表軸承、雷達(dá)波導(dǎo)管、光學(xué)器件、高能煙速器等精密儀器的加工；可用于單晶硅、多晶硅0.1-0.2mm厚度片的切割、磨削、衛(wèi)星太陽能電池板等高效精密加工；可用于計(jì)算機(jī)芯片等大規(guī)模集成電路的微細(xì)精密切割、開槽、背面減薄、納米金剛石拋光等加工。世界發(fā)達(dá)國家無不把包括人造金剛石在內(nèi)的超硬材料及制品作為發(fā)展重點(diǎn)，超硬材料及其制品的研究與應(yīng)用水平在某種程度上代表著一個(gè)國家的科技發(fā)展水平。

金剛石、CBN砂輪按使用用途分類，國內(nèi)市場主要有以下應(yīng)用領(lǐng)域還存在著較大的發(fā)展空間。

1. 磨PCD、PCBN刀具砂輪

據(jù)報(bào)道，日本PCD、PCBN刀具年產(chǎn)值占其國內(nèi)各類刀具總產(chǎn)值的4%左右，美國占4.14%，俄羅斯占6%～7%。目前我國PCD、PCBN切削刀具年產(chǎn)量僅40多萬把左右，銷售額不到2億元，約為國內(nèi)各類刀具總產(chǎn)值的0.5%左右，仍有2/3的PCD、PCBN刀具市場為進(jìn)口產(chǎn)品，國產(chǎn)PCD、PCBN刀具不到1/3的市場份額，且使用的PCD、PCBN刀具原材料幾乎都為國外進(jìn)口產(chǎn)品，因此，我國PCD、PCBN刀具發(fā)展與國外尚有很大的差距。隨著國內(nèi)鎢礦資源的進(jìn)一步減少，PCD、 PCBN刀具的需求量會(huì)急劇上升，相關(guān)的砂輪用量也會(huì)相應(yīng)增加。

2. 磨陶瓷刀具砂輪

陶瓷刀具材料是一種最有前途的高速切削刀具材料，在生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用前景。目前，它已引起世界各國的重視。在德國約70%加工鑄件的工序是用陶瓷刀具完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具總量的8%～10%。我國陶瓷刀具的發(fā)展也十分迅速，研究與開發(fā)水平與國際相當(dāng)。陶瓷刀具具有非常高的耐磨性，它比硬質(zhì)合金有更好的化學(xué)穩(wěn)定性，可在高速條件下切削加工并持續(xù)較長時(shí)間，比用硬質(zhì)合金刀具平均提高效率3～10倍。它實(shí)現(xiàn)以車代磨、以銑代拋的高效“硬加工技術(shù)”及“干切削技術(shù)”，提高零件加工表面質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)干式切削，對控制環(huán)境污染和降低制造成本有廣闊的應(yīng)用前景。在此背景下，相關(guān)陶瓷刀具用修磨砂輪會(huì)有一個(gè)強(qiáng)勢的發(fā)展。

3. 磨磁性材料砂輪

磁性材料主要包括永磁材料和軟磁材料等，覆蓋很多高新技術(shù)領(lǐng)域。在稀土永磁材料技術(shù)、永磁鐵氧體技術(shù)、非晶軟磁材料技術(shù)、軟磁鐵氧體技術(shù)、微波鐵氧體器件技術(shù)、磁性材料專用設(shè)備技術(shù)等領(lǐng)域，全球已經(jīng)形成龐大的產(chǎn)業(yè)群。其中，僅永磁材料的年度市場銷售額就已經(jīng)超過100億美元。未來中國的磁性材料產(chǎn)業(yè)將會(huì)持續(xù)發(fā)展10-20年。后續(xù)發(fā)展集中在高性能產(chǎn)品。據(jù)報(bào)道，2013年、2014年中國的磁體的產(chǎn)量占全球產(chǎn)量60%以上。高性能產(chǎn)品超過國內(nèi)總產(chǎn)量的50%。這些磁性材料的加工磨削要求我們盡快提供高效節(jié)能的磨削工具。

磁性材料用金剛石砂輪市場基本由國內(nèi)企業(yè)占據(jù)為主，但是，一些高端產(chǎn)品還是依賴國外進(jìn)口。

4. 磨藍(lán)寶石砂輪

目前藍(lán)寶石的行業(yè)應(yīng)用主要為LED襯底片與光學(xué)窗口片。

根據(jù)ACRICHE統(tǒng)計(jì)資料顯示，2008年全球LED照明應(yīng)用，以建筑照明為最大用量，達(dá)1.87億美元，其次為消費(fèi)性可攜式照明如手電筒、露營燈等，2008年全球市場規(guī)模則約5600萬美元，零售賣場展示應(yīng)用市場規(guī)模約3900萬美元；總計(jì)2008年全球LED照明應(yīng)用市場規(guī)模為3.97億美元。研究指出，2011年全球LED照明市場規(guī)模已達(dá)至14億美元，其中建筑照明和商業(yè)照明又將率先成為主力市場；建筑照明市場規(guī)模增長到4.72億美元，零售賣場展示LED照明應(yīng)用市場則增長至1.44億美元，可攜式消費(fèi)性LED照明產(chǎn)品市場規(guī)模則成長到9900萬美元。

另據(jù)中國行業(yè)研究網(wǎng)報(bào)道，2015年中國LED照明需求預(yù)計(jì)將達(dá)到100億美元的規(guī)模，LED照明將占到照明市場的50%，且近幾年還將保持30%左右的增長。

藍(lán)寶石光學(xué)窗口片被廣泛應(yīng)用于激光、紅外、通訊、半導(dǎo)體、電子、鐘表、醫(yī)療美容、測量儀表、軍工及航空航天等諸多尖端高科技領(lǐng)域。

藍(lán)寶石是僅次于金剛石的高硬度材料，在藍(lán)寶石的各行業(yè)加工及應(yīng)用中，基本是全過程需要超硬材料的加工，因此金剛石砂輪，被廣泛應(yīng)用于原材料的切割、平磨、外圓磨；半成品的倒角磨、減簿磨、開槽、打孔等等。其中藍(lán)寶石的倒角砂輪、減簿砂輪目前基本上是國外企業(yè)占據(jù)了大部分的國內(nèi)市場。

5、磨半導(dǎo)體砂輪

IC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是一個(gè)高投入、高產(chǎn)出的高科技行業(yè)，也是國家重點(diǎn)扶持產(chǎn)業(yè)。

中國行業(yè)咨詢網(wǎng)的最新預(yù)測報(bào)告指出，中國IC市場可望在2012年-2017年之間，以13%的復(fù)合平均成長率持續(xù)擴(kuò)張。報(bào)告同時(shí)指出，中國IC市場規(guī)模由2014年1000億美元，在2017年成長至1500億美元，在2017年中，中國市場將占據(jù)全球的晶片市場的38%的比例。

此外預(yù)期中國本地區(qū)制造的晶片將在接下來幾年激增，在2012年中國本地制造IC占據(jù)當(dāng)?shù)乜傆?jì)810億美元規(guī)模晶片市場的11.2%；但在2012年至2017年，中國本地制造IC將以16.5%的復(fù)合平均成長率增加，營業(yè)規(guī)模由2012年的91億美元成長至2017年的195億美元，占據(jù)當(dāng)?shù)乜傆?jì)1480億美元晶片市場的13.1%。

金剛石砂輪在IC產(chǎn)業(yè)鏈中，被廣泛用于切割、倒角、拋光、減簿等，目前大多由日本、美國、臺(tái)灣企業(yè)占據(jù)著國外及國內(nèi)市場。 國內(nèi)半導(dǎo)體金剛石砂輪無論是工藝技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量，都與國外發(fā)達(dá)國家有很大的差距。

6、磨有色金屬CBN砂輪

電子信息、汽車制造等作為與人民生活水平提高息息相關(guān)的新興產(chǎn)業(yè)，近年來發(fā)展迅猛，帶動(dòng)了CBN砂輪等制品需求的不斷擴(kuò)大。汽車領(lǐng)域的發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸、曲軸的加工，需要超高速、高效精密成型砂輪，對強(qiáng)度、鋒利性以及形狀保持性、動(dòng)平衡性能提出遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)加工方法的要求；空調(diào)、冰箱壓縮機(jī)主要零部件缸套、滑片的加工，應(yīng)用固結(jié)磨具雙端面磨削技術(shù)替代傳統(tǒng)加工工藝，對磨具的平面度、平行度、耐用度提出了比普通磨具高幾個(gè)數(shù)量級的要求。此外，隨著鈦、鎳合金、熱噴涂陶瓷、金剛石膜等各種新型高溫難加工新材料在航天航空以及國防工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，金剛石高效精密砂輪作為不可替代的理想磨削工具，其消耗量也呈快速增長的態(tài)勢。

2010年亞太地區(qū)（含中國）電子、汽車、家電等行業(yè)高效超硬精密磨具的市場消耗達(dá)到120億美元，2012年達(dá)到187億美元，2013年達(dá)到243億元，年均增長達(dá)到30%左右。

目前CBN砂輪國內(nèi)有較多的企業(yè)具備一定的競爭能力，但是大直徑高端砂輪還是被國外品牌占據(jù)大多市場份額。

總體來說，隨著高速磨削、超精密磨削技術(shù)快速發(fā)展，普通磨具已不能滿足生產(chǎn)需要，超硬磨具因其結(jié)合強(qiáng)度高、成型好、使用壽命長等顯著特性而生產(chǎn)得到廣泛應(yīng)用，使得“B（CBN）代替A（剛玉系列），D（DIAMOND）代替C（碳化硅）”成為行業(yè)發(fā)展趨勢，超硬磨具產(chǎn)品則向“更快、更精、更簿、更厚、更小、更細(xì)、更耐用”的高檔化方向發(fā)展。

隨著我國成為世界制造業(yè)的中心，重型數(shù)控機(jī)床、高效精密數(shù)控機(jī)床、超精密數(shù)控機(jī)床、CNC多功能加工中心以及高速及超高速切削、精密及超精密切削、微細(xì)切削、硬態(tài)切削、干切削等先進(jìn)制造技術(shù)和難加工材料在高技術(shù)和國防領(lǐng)域、重大基礎(chǔ)裝備領(lǐng)域、國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，磨料磨具要求具備“高速、高效、高精度、綠色環(huán)?！钡乃拇筇匦?，超硬材料刀具、超硬材料磨具、金剛石滾輪成為實(shí)現(xiàn)以上先進(jìn)制造技術(shù)必不可少的基礎(chǔ)裝備之一。

展望未來，超硬材料企業(yè)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。

普通磨具的應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用規(guī)模將會(huì)逐漸縮減，超硬材料磨具的應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用規(guī)模將不斷增長，金剛石、CBN砂輪的市場規(guī)模不斷增長將帶給國內(nèi)企業(yè)充分的成長空間。

但是近年來，由于世界材料技術(shù)、機(jī)械加工工藝和技術(shù)，以及科研手段的迅猛發(fā)展，國外磨料磨具行業(yè)的發(fā)展迅速，新技術(shù)、新產(chǎn)品、新工藝不斷涌現(xiàn)；而國內(nèi)企業(yè)缺乏科研投入、技術(shù)創(chuàng)新，許多高端磨料磨具，尤其是超硬材料磨具已經(jīng)與國外先進(jìn)技術(shù)拉大了差距，這將留給國內(nèi)超硬材料工作者更大的挑戰(zhàn)。