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超硬材料行业发展规划(完稿)上篇

http://www.momo35.com   来源:中国超硬材料协会  日期:2016/12/26

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  前言

  
  1 “十二五”期间超硬材料行业取得的主要成就
  
  1.1 创新开发出一批填补国内空白、世界先进水平的新型超硬材料,合成钻石已进入首饰装饰领域
  
  1.2 突破诸多关键技术,推动部分企业锯切钻进工具技术达到世界领先水平
  
  1.2.1 金刚石锯片及薄壁钻生产工艺技术及装备取得重大突破
  
  1.2.2 金刚石绳锯技术迅猛发展,使石材矿山开采进入了节能节材、绿色环保发展的新时代
  
  1.2.3 金刚石线锯开发成功并投入规模化生产,有力地支撑和推动了我国光伏、电子信息及LED等新兴高科技产业的发展
  
  1.2.4 地质钻探与石油天然气采掘用金刚石钻头技术取得新突破
  
  1.3 磨削类制品技术取得长足进步,开发出一批具有国际先进水平的产品,在诸多应用领域实现了进口高端产品的替代
  
  1.4 刀具类制品开发出世界领先水平的产品
  
  2 发展形势与环境
  
  2.1 全球产品竞争格局
  
  2.2 行业产品发展的机遇与挑战
  
  2.2.1 机遇方面
  
  2.2.2 挑战方面
  
  3 指导思想与目标
  
  3.1 发展思路
  
  3.2 原则
  
  3.3 目标
  
  4 主要任务
  
  4.1 加强市场细分工作
  
  4.2 推进智能制造
  
  4.3 加快推进“互联网+”的应用
  
  4.4 加强行业基础与应用科研平台建设
  
  4.5 开发研究方向
  
  5 重点发展的应用领域
  
  5.1 航空航天领域
  
  5.2 国防军工领域
  
  5.3 电子信息领域
  
  5.4 清洁能源领域
  
  5.5 汽车制造领域
  
  5.6 家用电器制造领域
  
  5.7 生物工程等功能性应用领域
  
  5.8 先进工具制造领域
  
  5.9 油气田及矿物勘探采掘领域
  
  5.10 建筑建材领域
  
  6 产业政策建议
  
  6.1 建议国家将超硬材料及制品明确列入国家“十三五”规划
  
  6.2 对国产创新应用及替代进口高档超硬材料制品实施税收优惠政策
  
  6.3 鼓励采用国产高端超硬材料产品
  
  6.3 提高超硬材料产品的出口退税水平
  
  6.4 加大对超硬材料行业创新体系建设的支持超硬材料行业发展规划(完稿)
  
  超硬材料行业发展规划(2016—2020)
  
  前言

  
  人造金刚石和立方氮化硼及以这两种材料为主要成分制成的复合材料统称为超硬材料,由它们制成的各种各类工具与功能部件统称为超硬材料制品。超硬材料及制品属于高效、高精、节能、绿色环保型产品,不仅是目前人类所发现的最硬物质,而且具有优异的力学、热学、光学、声学、电学和化学性能,享有“材料之王”赞誉,是用途广泛的极端材料。利用其无与伦比的力学性能,可加工世界上所有的已知材料;利用其同样无与伦比的热光声电性能,可用于航天员防宇宙射线、尖端武器装备隐身防腐及提高导弹打击精度、大功率激光探测、大规模集成电路及LED新光源热沉等尖端领域且具有不可替代性。
  
  在国家各级领导的关心和支持下,我国五十多年来一直坚持发展拥有自主知识产权的合成超硬材料的独特“六面顶”设备及工艺,与发达国家的技术方法根本不同。目前我国独特的设备和工艺已达到国际先进水平。发达国家的最强大、最先进的几家公司,全都不约而同地选购中国设备,并借鉴中国的独特方法生产超硬材料产品,这在我国整个制造业甚至所有行业中都是极其罕见的。
  
  经过几代科学家和广大工程技术人员的不懈努力与五十多年的发展,我国早已形成相对完整而庞大的超硬材料及制品工业体系,早已在世界上享有盛誉。2000年,我国人造金刚石产量突破10亿克拉(折合200吨,金刚石的计量单位为克拉,1克拉=0.2克),一举成为全球超硬材料大国,2015年我国人造金刚石总产量151亿克拉(折合三千多吨),占全球总产量的90%以上,立方氮化硼产量达到5.4亿克拉(折合108吨),占全球总产量的70%,已成为世界上最大的超硬材料生产、消费和出口国。量大面广的超硬材料单晶质量也达到世界先进水平,在国际市场享有话语权。市场规模最大的超硬材料制品也已达到世界先进水平,市场占有率最高,正在与个别发达国家争夺话语权。
  
  超硬材料及制品已广泛应用于国防军工、航空航天、机械、电子、汽车、机床工具、精密制造、医疗、清洁能源、高速铁路、公路、石材、建材、机场、石油与天然气钻井、地质勘探、煤炭及矿物采掘、救灾抢险、家庭装修等国计民生的各个领域。可以说上到尖端技术和国防领域,下到加工制造业和人们的日常生活均离不开超硬材料及制品。离开它们,诸多高新技术领域就难以开发与发展!它们对整个国民经济已经并将继续起到“四两拨千斤”般的杠杆撬动作用,已经并将继续取得巨大的社会和经济效益,赢得并将继续赢得“小行业里的大行业”的赞誉。
  
  “十二五”期间,在国家产业政策支持下,超硬材料行业得到了迅速发展,原有优势得到了更充分地发扬光大,国际市场占有率更高;创新能力得到了有效提高,研究开发了一大批高新技术产品;大部分科研成果实现或进入了工业化生产,填补了部分国内空白,有力地支撑了国防军工、航空航天、电子信息、高端装备制造、清洁能源等高技术领域的发展,解决了这些领域的难题,本行业的产业结构和产品结构得到了初步改善,缩短了超硬材料尖端应用方面与发达国家的水平差距。实现了“十二五”规划目标,2015年“十二五”规划实现了完美收官。
  
  随着科学技术的不断进步,超硬材料独特的性能得到不断的开发应用,超硬材料产品不断丰富和升级,用超硬材料制作的新型工具和功能元器件层出不穷,应用领域不断扩张和延伸,一次次推动了相关应用领域的革命性变革,促进了相关应用领域的发展。从卫星、导弹、火箭、飞机、大型军舰及民用船舶,到大规模集成电路、核电站原子能反应堆、汽车、日用建筑材料,超硬工具可加工的对象囊括了世界上所有的已知材料,大大提高了各种新型难加工材料的加工效率和加工质量,尤其是作为高速超高速、精密超精密、数控、微细加工等先进制造技术的重要组成部分,高效精密超硬材料工具已成为现代工业绿色发展不可替代的高档工具之一,对国民经济的发展有百倍以上的杠杆撬动作用。正因如此,西方发达国家甚至将超硬材料及制品作为一种战略性储备物资,其生产技术长期对其他国家实施“禁运”,试图达到垄断的目的。
  
  “十二五”期间,我国超硬材料行业虽然取得了令人瞩目的成就,某些领域达到了世界先进水平,但也存在着共性基础及前沿技术研究不够,创新能力不强;产品细分程度不够,专用性不强;某些产品仍以进口发达国家产品为主,某些高精尖产品难以满足日益提高的国防军工及诸多高技术产业需求。为了争取国家继续“十二五”期间乃至加大对本行业的政策支持,继续保持乃至加强行业的原有优势,补齐行业发展的短板,全方位赶上世界先进水平,从而尽快实现超硬材料强国的伟大目标。因此,必须认真做好行业“十三五”期间的发展规划,指导行业未来发展。
  
  1 “十二五”期间超硬材料行业取得的主要成就
  
  “十二五”期间软实力建设取得的主要成就有:在国家及各地政府的支持下,建成了一批国家级、省部级的超硬材料类公共服务平台和重点实验室,组建了高效精密磨具产业技术创新等国家及地方战略联盟,提高了技术开发、工程化试验、协同创新能力;制修订并颁布了31项超硬材料领域的国家及行业技术标准,比“十一五”增长了121%,对促进技术进步、改进产品质量、提高社会经济效益、发展对外关系方面起到了举足轻重的作用;超硬材料行业获得中国、美国、欧盟诸国、日本授权的发明专利1398项,比“十一五”增长了218%,大大提高了行业的知名度和在国际上的竞争力。行业企业的国际化经营迈开了实质性步伐,建立国际营销网络、走出去办公司设厂、在发达国家建立研发中心、聘请发达国家同行高智人士做开发顾问等多种形式的国际合作取得了前所未有的丰硕成果。
  
  “十二五”期间取得了一大批具有国际前沿技术的科研开发及产业化重大成果,代表性的有大块体纳米聚晶金刚石研发成功、宝石级金刚石研发成功并投入产业化生产等。超硬材料行业各个子领域所取得的主要成就概括如下。
  
  1.1 创新开发出一批填补国内空白、世界先进水平的新型超硬材料,合成钻石已进入首饰装饰领域
  
  工程化大块体(Ф6×6 mm)金刚石纳米聚晶(NPD)研发成功,其硬度比单晶金刚石高30%,并且各向同性,现已投入应用试验,初试表明,它的大面积应用将引起金刚石工具领域的革命性进步,大幅提高金刚石工具的加工精度、效率及使用寿命,解决航空航天、国防军工等领域层出不穷的高难材料的加工难题。该种填补国内空白的产品仅见日本有工程化的大块体报道,其他发达国家均是1~2 mm的实验室成果,未达到工程应用量级;5毫米粒径的宝石级金刚石大单晶已实现了产业化,而且完成了黄色及无色透明宝石级金刚石单晶的产业化并成功进入了首饰用钻石领域,使中国一举成为世界最大的合成钻石生产销售国,打破了个别发达国家对该技术的垄断,打开了国际市场,大量出口国外。该种填补国内空白的技术可合成与天然钻石化学成分、颜色、净度均相同的钻石,催生了专业生产销售合成钻石戒指、项链坠等首饰产品的领域,其首饰成品的终端销售价格约为同等级别天然钻石的50%~70%。目前的合成无色钻石成品多为20分(0.2克拉/颗)以下的小钻,黄色钻石重量多在50分(0.5克拉/颗)以下。更大颗粒的钻石正在实验室研发中,实验室已能合成出克拉级甚至更大钻石的样品。正朝着更大饰品钻石、国防等尖端工业需求大颗粒钻石领域前进。
  
  现代通讯等战略性新兴产业用片状金刚石单晶刀具材料突破了关键技术并实现了产业化,市场产品规格为3×3×1mm~8×8×(1~2)mm,打破了发达国家对包括中国在内的世界市场二十多年的垄断,大量销往国内外市场,不仅有力支撑了国防军工、电子信息等高新技术领域的应用,打破了发达国家技术垄断和产品对我国高端应用的制约,而且大幅度降低了其他高新技术领域的应用成本;以上创新成果是在具有完全自主知识产权的国产六面顶压机上完成的,采用自主研发的独特工艺技术,成本低、效率高、质量上乘,填补了国内空白,达到了国际先进水平,改善了行业产品结构,为金刚石开拓出了无限光明的新应用前景。
  
  微米级金刚石聚晶类产品以量大面广的石油天然气钻探用及刀具用PDC为典型代表,钻探用PDC已开发出4000米及以上深井及海上难钻地层钻探用产品,得到了国内外客户的认可,其质量已达世界先进水平。目前及“十三五”期间的主要任务是品牌宣传、市场开拓、产业化生产、推广应用、深度开发更高端的产品。刀具用PCD、PCBN在粗加工方面已经得到了国内市场的认可,精加工用PCD、PCBN已经实现了零的突破,即在个别材料精加工方面取得了成功。目前及“十三五”期间的主要任务是加强研发,逐个解决不同材料精加工难题;另一方面要加强品牌宣传、市场开拓、产业化生产、推广应用。
  
  “十二五”期间,CVD金刚石取得了较大较快的发展,基础研究和科技成果转化都有了长足的进步。CVD金刚石单晶实现了小尺寸的一定规模化制备,近厘米级的大尺寸CVD金刚石单晶已取得了技术成果。CVD金刚石多晶膜的质量及产量也有了很大提高,成本优势明显,在精密切削工具、修整工具、拉丝模、热沉等应用领域已取代部分进口产品且已打入国际市场,保持着良好的可持续发展势头。大功率微波等离子体CVD设备国产化研制水平有了很大的提高,已有几家公司开始为国内用户提供设备。可以说,中国CVD金刚石制品和产业化真正开启快速发展的进程始于“十二五”。尽管在各方面都已有了突飞猛进发展,已经形成工业化规模,但在CVD金刚石制品的种类和高端产品方面落后于国际发达水平,需要在“十三五”期间继续努力,提升我国在CVD金刚石材料与制品领域的国际地位。
  
  六面顶压机生产金刚石单晶实现了网络化智能群控,一个工人操控压机从“十一五”末的6台压机上升到“十二五”末的20台以上,特别是宝石级单晶生产的40台乃至更多,几乎达到仅需巡视与上下合成块的程度。自动化生产水平大大提高。
  
  1.2 突破诸多关键技术,推动部分企业锯切钻进工具技术达到世界领先水平
  
  1.2.1 金刚石锯片及薄壁钻生产工艺技术及装备取得重大突破
  
  “十二五”期间,我国金刚石锯片及薄壁钻工艺技术取得重大突破,研发生产及市场开拓均取得了非凡成就,成型、烧结、钎焊、激光焊技术全方位突破,特别是具有自主知识产权、高技术含量的金刚石有序排列锯片及薄壁钻投入了批量生产,锯片及薄壁钻刀头生产工艺实现了革命性提高,通过一系列技术创新将大部分产品的间断式热压烧结改造成隧道窑无压连续烧结,不仅摈弃了污染重耗能大的石墨模具,实现了车间清洁无污染生产,而且生产效率提高75%~80%,能耗降低80%~86%,为未来实现从粉料到成品刀头的自动化、智能化生产、满足个性化定制产品需求打下了坚实基础。锯片及薄壁钻的国产新型激光焊接机研发成功并投入使用,其功率从50 kW降低到15 kW,能耗降低70%,焊接速度也有明显提高。可以说我国与主要竞争国的技术与产品方面已无原则差别,已经达到世界先进水平,部分企业技术与产品已达世界领先水平。在欧美高端工程专业领域得到了稳步推进,不仅可与世界顶级产品同台竞技,而且正在蚕食着发达国家产品市场。逼着发达国家不得不逐步放弃该类市场,开辟新的市场。在世界中低端锯片市场上,我国企业通过技术进步而进一步降低了成本,进一步巩固了我国产品的不可替代的优势地位。
  
  1.2.2 金刚石绳锯技术迅猛发展,使石材矿山开采进入了节能节材、绿色环保发展的新时代
  
  近年来国产绳锯技术获得了迅猛发展,国产石材矿山开采及工厂石材切割用绳锯性能接近世界先进水平,性价比远超世界先进水平,推动国内矿山开采进入了节能节材、绿色环保发展的新时代,同时开拓出了国际市场强力竞争的新局面,在全球己造成有中国工厂销售石材切割绳锯的地方,其它国家的石材切割绳锯将逐步退出该地的良好局面;国产钢筯混凝土绳锯己达到全球大部地区要求的门槛值,性价比己被接受。已形成中国绳锯产品与世界知名绳锯产品同台竞技的格局,中国绳锯产品的市场份额正在逐渐扩大。在绳锯组锯领域,中国产品已处于试用阶段,性价比与国外产品相近,绝对性能与国外产品相比还有较大差距。对于沉船打捞等特殊产品,中国绳锯产品基本上还是一片空白。
  
  为了解决金刚石绳锯锯切板材时切缝大,石材成材率低,资源浪费严重,而且锯切加工耗能大,噪音大,废渣排放量大,环境污染严重等问题,人们一直在致力于减小绳锯直径。“十二五”期间绳锯直径从Ф11.5 mm、Ф11 mm、……降到了Ф6 mm,甚至创新出具有完全自有知识产权的全新结构的直径只有3 mm及2.0 mm金刚石绳锯,用于异型石材与硅锭的切割。直径2.0 mm的超细金刚石绳锯锯切大理石试验的结果表明:锯切速度比直径8.8 mm的金刚石绳锯更快,而且切割功耗小,废渣排放少,石材切割成材率提高40%。该项技术应为国际首创,未见到过国外有此产品。
  
  1.2.3 金刚石线锯开发成功并投入规模化生产,打破了国外垄断,有力地支撑和推动了我国战略性新兴产业的发展
  
  “十二五”期间,我国金刚石线锯开发成功并投入规模化生产,大大提高了硅片及蓝宝石片等生产的效率、提高了其质量、节约了贵重材料、降低了污染,打破了发达国家对该技术的垄断与封锁,有力地支撑和推动了我国光伏、电子信息及LED等新兴高科技产业的发展。
  
  金刚石线锯是近年来国际上开发的最新产品,是在高碳钢丝上通过镍-金刚石的复合电镀或树脂-金刚石固化制成的复合材料工具,主要用于硅材料、蓝宝石、精密陶瓷、玻璃、磁性材料等硬脆材料的高效、节材、环保切割生产。用它切割硅片时,硅耗比用传统的钢丝加碳化硅砂浆切割降低10%~15%,出片率提高5%~7%;切割速度从传统时的500~700 m/min 提高到900~1200 m/min,甚至在专用高速切割机上可以达到1800 m/min,切割速度越高,硅片表面质量越好;传统砂浆切割产生的废液中化学需氧量(COD)高达几十万,而金刚石线锯切割废液的COD只有几千,污染程度降低99%,极大减轻了硅片后续清洗工作量。
  
  “十二五”期间国内开发成功并投入生产的主要线锯规格及用途如下表所示。
  
  0.21 mm以上规格产品生产技术日趋成熟,用于硅开方、硅截断的金刚石线锯完全替代了进口产品而占据了全部国内市场,用于蓝宝石切片的线锯国内线锯占90%的国内市场。在硅切片领域,国内已研发并批量生产0.10 mm(母线0.08)线锯,0.09 mm(母线0.07)产品也开发成功,正在逐步取代日本线锯所占领的国内市场。未来0.12 mm(母线0.10)、0.11mm(母线0.09)线锯将逐步退出硅切片市场,研发重点将向母线0.06 mm及更细方向发展,质量水平将不断提高,硅单晶片的线锯消耗量将由目前的1.5米/片向1.0米/片方向发展。
  
  1.2.4 地质钻探与石油天然气采掘用金刚石钻头技术取得新突破
  
  地质钻探与石油天然气采掘用金刚石钻头,随着钻探工程向深部、硬岩、复杂地层发展,钻孔质量与钻进效率的要求更高,对各种高性能钻头的需求量也大幅上升。“十二五”期间,我国在钻头切削齿、冠部形状布齿以及钻头工作层水路等结构设计上均有了新的突破,钻头的使用性价比已达国际先进水平,完全满足国内地质钻探的要求,但4000米深井及定向井水平井、海上难钻地层油气田采掘用钻头仍需用进口产品。国内还开发了钎焊有序排列金刚石地质钻头,经钻进花岗岩试验,该钻头的时效比普通热压钻头提高85.7%,寿命提高11.1%。但在材料及其工艺设计以及计算机模拟领域与发达国家存在着很大差距, 胎体材料的设计改进与钻井数据库的建立, 是今后地质勘探与石油天然气采掘用金刚石钻头设计制造的重要发展路线。
  
  1.3 磨削类制品技术取得长足进步,开发出一批具有国际先进水平的产品,在诸多应用领域实现了进口高端产品的替代
  
  超硬材料磨具作为机械精密加工领域无可替代的工具,应用领域已覆盖航空航天、国防军工等高技术领域和汽车、电子信息、家用电器等国民经济的重要产业,以及船舶、能源装备、轨道交通、机械、机床、工具、建筑建材、医疗器械等重要领域,国内产品基本满足国民经济和国防建设需求并发挥着越来越重要的作用。国内磨具在高速超高速、高效、精密超精密、绿色加工等方面取得了长足进步,如磨削速度达到160 m/s的砂轮已进入实际应用,200 m/s的砂轮也在开发之中;用于蓝宝石衬底LED外延片背减薄免修整金属陶瓷复合结合剂金刚石砂轮研制成功并投入市场,使用寿命和加工效率等指标达到或超过了国外同类产品水平,填补了国内空白,打破了国外产品技术封锁,替代了进口。CNC工具开主槽砂轮采用树脂/金属复合结合剂,切削深度3~4 mm,进给速度可达100 mm/min;CBN各种砂轮、磨盘等工具得到了大面积推广应用,不仅提高了加工效率和使用寿命,而且使车间加工粉尘污染降低了几十倍,大大改善了加工环境;水晶及锆石磨削金刚石磨盘研制成功,不仅大大减轻了原氧化铈树脂磨盘带来的重金属污染,而且使用寿命从原来的几天延长至几个月;电子QFN封装(QuadFlat No-lead Package,方形扁平无引脚封装)的高效切割,采用直径为58 mm的整体型树脂超薄切割砂轮,切割进给速度可达60~80 mm/min;1A1R基体型超薄切割砂轮对称度达到0.02 mm,厚度0.05 mm整体型超薄切割砂轮亦可批量生产;发动机壳体去毛刺使用电镀超硬砂轮替代普通树脂砂轮,不仅实现了高效加工,而且无磨削残渣粉尘,大大改善了加工环境,等等。在国内市场的诸多领域已经实现了进口国外高端产品的替代,国内产品与世界先进水平的差距在逐步在缩小。
  
  1.4 刀具类制品开发出世界领先水平的产品
  
  “十二五”期间国内PCD、PCBN刀具突破了微细精密加工、焊接等技术瓶颈,不仅降低了刀具成本,提高了刀具的耐磨性、抗冲击性和热稳定性,并且极大丰富了产品种类。已广泛地应用于航空航天、汽车、电子信息、冶金、矿山、工程机械等行业,部分产品达到甚至超越了世界先进水平,实现了较大批量出口。液晶玻璃基板/面板切割钻石刀轮外径2.0~4.0 mm,内径0.8 mm,厚度0.65 mm,角度105°~145°,齿数110~280个,齿深7.0~15 μm,该产品是世界最高水平,已经产业化生产,不仅填补了国内空白,替代了进口,占据了国内市场,而且打开了国际市场,批量出口到了发达国家;铝合金高速、高光、高稳定性加工专用PCD螺旋立铣刀研发成功,该刀采用螺旋后角切削刃,切削平稳,不容易产生振纹,工件表面粗糙度好,在富士康公司应用证明其切削速度提高5倍,刀具寿命提高10倍,加工表面质量明显改善。
  
  2 发展形势与环境
  
  在完全独立自主基础上发展起来的中国超硬材料行业,利用具有完全自主知识产权的技术与工艺生产的各种各类超硬材料产品,一路高歌猛进,在世界已形成无可撼动的大国地位,特别是在各类应用领域的粗加工及一般加工工具方面已形成强国地位,可以说中国超硬材料行业在世界上享有盛誉。
  
  但由于应用超硬材料工具的高端工作母机多受制于发达国家,超硬材料制品所需原材料也受国内配套工业领域材料精细度不够的制约,加之发达国家对我国的技术封锁、贸易歧视与壁垒限制,在高端工作母机配套工具、精密精细材料及加工工具方面,我国处于相对被动地位,产品与随工作母机带进口的高端工具存在较大差距。我们只能跟踪研发并不断取而代之。
  
  2.1 全球产品竞争格局
  
  中国基本主导着全球超硬材料市场,享有较充分话语权。中国人造金刚石销量“十二五”期间即占世界市场的90%以上,立方氮化硼占世界市场的70%。从单晶本身的质量指标上也与发达国家产品持平或更高,多年以来均是如此,可以说中国超硬材料为世界制造业的发展做出了突出贡献,也可以说中国超硬材料在世界享有盛誉。已把发达国家的同类产品挤压到特殊要求的小市场范畴,这是值得我们骄傲之处。但我们也清楚地看到小市场因要求特殊,产品单价往往很高,附加值很高,可谓高端市场,该市场依然被英国的元素六公司(Element Six)、山特维克设在美国的合锐公司(Hyperion)、韩国的日进公司(Iljin)所垄断,甚至包括中国的高端市场也被这三家公司所垄断,数量虽然不大,近年来进口量却在持续缓慢增长,他们的单价往往是我们的3到5倍,强者形象业内尽知。总而言之,中国占据了量大面广的大市场,但产品细分不够,精尖专特、高附加值小市场被发达国家占据。
  
  复合超硬材料除以上三公司外,还要加上美国合成公司(US Synthtic)、Mega、日本住友公司等。中国油气钻井用复合超硬材料PDC的品质同国外高端产品不相上下,在国际市场也已获得认可,但在高端钻头应用上,比如4000米以上深层油气定向井与水平井勘探用钻头,所占有的份额仍然较少。原因之一是,试用成本巨大,钻头制造商大多不愿主动采用替代品。说明对我国高端复合超硬材料品牌的信心仍然不足。精密金属切削刀具用PCD、PCBN坯料,加之精细拉丝模用单晶及聚晶坯料,与发达国家产品差距更大,即使国内市场多数用的也是上述公司进口产品。
  
  超硬材料制品因应用于国计民生的各个领域,其门类及规格品种繁多。按照其功能及消耗量多寡大致可划分为:锯切和钻进类工具,磨削切割类工具,精密切削刀具,拉丝模具,声光电热等功能性零部件。
  
  我国超硬材料制品中占首位的锯切和钻进类工具属世界一流水平的产品,该类产品国际化经营迈开了实质性步伐,打破了仅发达国家在中国设厂办公司的先例,我们也在发达国家建立了营销网络、办公司设厂、甚至建立了研发中心,真正做到了你中有我我中有你的竞争格局并取得了前所未有的丰硕成果。该类产品均为金属结合剂工具,约占超硬磨料制品总产值的60%~70%,“十二五”期间技术上进一步采用了预合金粉末、胎体中加入稀土金属、单层钎焊、金刚石在胎体中有序甚至定向排列、基体结构创新等新技术,工艺上创新出节能降耗高效生产的升级新工艺,生产出诸多高附加值、高性能新产品,水平达到甚至超越了世界先进水平,大大改善了行业产品结构、提高了效益、拓展了国际市场。但产品细分不够,诸如像抢险救灾、高速高效破拆危桥、水底沉船切割打捞等专、特用工具方面与发达国家有较大差距。
  
  我国超硬材料制品中占第二位的磨削切割类工具属世界二流水平的产品,约占超硬磨料制品总产值的15%左右(增长趋势明显,未来占比会逐步扩大),以125 m/s及以上的高速、高精、高效陶瓷CBN砂轮,高精度端面磨盘,超精、超薄IC及IT业用微切割砂轮为代表的高新技术产品,质量水平及应用面得到了大幅拓展,水平达到或接近世界先进水平,不仅进入了高精加工领域的生产线,而且以更高的性能价格比越来越多、越来越快地替代着进口产品并开始销往国际市场,有效推动了行业产品结构调整。
  
  世界一流水平的高端磨削切割类工具制造技术仍被日本、德国、奥地利等少数工业发达国家所垄断。国外超硬磨具已进入超高速化、高效化、精密化、绿色化的发展阶段。高性能的磨切工具需要先进的制造、检测装备来保障其性能、质量稳定性。随着高端、高性能磨切工具制品的发展,国外制造、检测设备的发展趋势为自动化、智能化、节能化。简述如下:
  
  (1)超高速化方面。国外已在基体轻量化、磨料排布、结合剂改性、安全性能检测等方面开展了研究工作。例如,奥地利的泰利莱(TYROLIT)公司,以降低高速磨削时的离心力为目标,开发了砂轮轻量化制造技术,研制出了以碳纤维增强复合材料(CFRP)为基体的轻质、高强CBN磨具,并在磨削线速度200 m/s的生产条件下得到应用;德国的温特(WINTER)公司采用磨料定向排布技术,提高了磨料参与磨削的数量,从而提高工作层的锋利度;日本通过加入金属氧化物对陶瓷结合剂进行改性,制备的高强度陶瓷结合剂已成功应用于速度300 m/s的CBN 砂轮中;欧盟、美国等发达国家非常重视超硬磨具安全性能检测技术的研究,制订了强制性的安全标准(EN 13236︰2010超硬材料砂轮安全性能要求)。
  
  目前国内在超高速方面研究基础还很差,基体轻量化是超高速的基本条件,该方面的研究国内刚起步,200 m/s的使用速度还停留在实验室阶段(国内还没有该类高速磨床),未在生产中实际应用,仅有少数应用磨削速度达到160 m/s,大部分为100~125 m/s。
  
  (2)高效化方面。国外一方面通过大幅度提高砂轮的磨削能力,满足大余量或高进给速率的磨削加工,实现高效加工。如CNC工具开主槽砂轮采用树脂/金属复合结合剂,切深3~4 mm,进给速度可达100 mm/min。电子QFN封装(Quad Flat No-lead Package,方形扁平无引脚封装)的高效切割,采用直径为58 mm的整体型树脂超薄切割砂轮,切割进给速度可达60~80 mm/min。
  
  另一方面,通过砂轮的自锐能力和寿命等性能的综合平衡,实现生产过程的免修整加工,减少非生产加工时间,实现高效加工。如LED外延片背面减薄砂轮,通过采用高自锐性结合剂,实现了加工过程中免修整,节约了大量的非磨削加工时间,提高了效率(该类砂轮国内已开发成功并开始供应市场);硬质合金无心磨砂轮,采用高自锐性配方设计,实现了除上机修整之外的全加工过程免修整,同样节约了非加工时间;以及采用陶瓷CBN端面砂轮实现连杆双端面磨削的免修整加工等。这些在国外均已是工业化技术。
  
  国内一直在跟踪国外发展,哪个领域的哪个品种被国内产品替代,国外即推出更高端的产品。高端应用以国外产品为主的局面没有大的改观。
  
  (3)精密化方面。一是国内外砂轮本身的精度差距还较大,如国外1A1R基体型超薄切割砂轮对称度达到0.01mm以内,可以满足高精度成组切割要求,而国内尚无有效解决该问题的加工设备和加工技术,目前批量加工的产品对称度为0.02 mm。厚度0.05 mm整体型超薄切割砂轮的批量加工,国内目前仅可小批量试制。
  
  二是砂轮加工工件精度的精密化、超精密化差距更大,8000#~36000#的砂轮国内基本无产品供应市场,以进口为主。再如国外采用5000#及更细粒度的金刚石砂轮实现PCD、PCBN刀具刃口的无崩口精密磨削,目前市场上主要有日本Ashia和奥地利TYROLIT,国内仅能在低端领域应用,与进口砂轮在磨削能力和磨削刃口质量上还存在很大的差距;轴承沟道超精研所使用的5000#以细陶瓷CBN油石,国内市场主要是日本产品所占据,国内尚不具备微粒CBN超精油石的制备技术;亚微米甚至纳米级磨粒粒度砂轮的超精密加工用平面磨削砂轮,国内目前仅处于技术探索预研阶段。该类问题除了本行业自身制造技术不过关外,配套行业结合剂原料精细化不够也是重要因素之一,市售结合剂原料粒度比磨料粒度还粗。
  
  (4)绿色化方面。一些工业发达国家已开展了磨具制造和磨削应用绿色化研究工作。如在磨具应用绿色化方面,德国的万特(WENDT)公司通过开发超精密固结磨具,替代传统游离磨粒加工,实现了“以磨代抛”的高效、超精密、绿色化加工,大大提高了材料去除率,同时避免了由于加工废液带来的环境危害。
  
  使用超硬磨具替代普通磨具,实现诸如干式磨削、消除加工粉尘、减少磨削残渣等改善加工环境,目前国内也在大力推进。具有典型代表的有在发动机壳体去毛刺工序,通过使用电镀超硬砂轮替代普通树脂砂轮,不仅实现了高效加工,同时由于电镀超硬磨具无磨削残渣粉尘,大大改善了加工环境。但这仅是少数应用的点,而不是形成一定规模应用的面,替代发展空间巨大。
  
  (5)自动化与智能化方面。国外生产设备的自动化程度高,自动称料、成型、装卸模、转运较多,在线检测应用较多,也有生产过程数据采集系统,实现生产过程智能化相对容易很多。国内有金刚石锯片生产商多年来引进国外的高自动化水平的冷压、激光焊接等高端装备(目前国内已开发出该类高端装备,与国外同种装备差别不大,已在部分企业开始应用并堵住了进口,但其长期使用的可靠性及稳定性尚需验证),超硬刀具生产商引进国外高端磨床呈自动化,未来5年该两类产品部分实现智能化生产的基础较好;超硬磨具及其他产品制造基本处于半自动加手工生产状态,自动化尚未完全实现,智能化基本没有起步。少数企业已开始筹备超硬材料刀具、超硬材料工具用金属粉末的3D打印车间。
  
  其他类制品,如石油与天然气钻探工具,机械加工用精密PCD、PCBN原料及切削刀具,电线电缆和筛网行业用高耐磨高精金刚石拉丝模等,高端市场基本以发达国家产品为主,国内产品逐步替代。如高硬度复杂地层的勘探与钻井、海上油气田的钻井正在逐步采用国产PDC复合片及钻头,高速高效高精轿车零部件车削大部分(约占85%)已采用国产PCD、PCBN切削刀具(但原料以进口为主),高温高压及CVD金刚石拉丝模芯已开始大面积推广,等等。
  
  2.2 行业产品发展的机遇与挑战
  
  美国工业再造、德国工业4.0、中国制造2025等全球实行的大战略,倡导绿色环保、智能制造的全新环境,为超硬材料这种绿色环保型基础材料与高精高效工具创造了新一轮的重要战略机遇期。我们必须抓住机遇、迎接挑战、赢得战略主动,构筑及增强竞争优势,实现未来发展,力争在2020年原有优势领域地位得到进一步加强,原二流水平产品基本达到世界先进水平。
  
  2.2.1 机遇方面
  
  (1)国家政策方面重点支持,《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》在“重点发展方向和主要任务”中就已明确指出:“要大力发展新型功能材料,积极发展超硬材料及制品”。奠定了未来发展的良好政策基础。国家“十三五”规划建议中仍将新材料作为重点支持领域之一,超硬材料作为新材料的一部分当然也在重点支持之列,而且超硬材料行业服务的装备制造业等领域也在重点支持之列。如该建议指出:加快建设制造强国,实施《中国制造二〇二五》,实施智能制造工程,构建新型制造体系,促进新一代信息通信技术、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械等产业发展壮大。本行业及其服务领域的未来发展均已提升到国家层面,不仅会受到政策的大力支持,而且会有广阔的市场空间。
  
  (2)“十三五”期间国家对内将拓展基础设施建设空间,实施重大公共设施和基础设施工程,加快完善水利、铁路、公路、水运、民航、通用航空、管道、邮政等基础设施网络;对外推进“一带一路”建设,推进基础设施互联互通和国际大通道建设。国内外的基础设施建设将需求大量建材,从而带动建材加工及基础设施工程用金刚石工具的大发展。
  
  (3)高端数控机床等装备领域的发展,已充分认识到包括功能部件与工具在内的体系发展重要性。没有高端工具的配套,高端机床就难以发挥效益。机床向高速高效高精密方向发展,势必带动磨具刀具同向发展。我们要鼓励和引导企业自主创新,紧跟制造业发展步伐,抓住发展机遇;提升产品性能,突出差异化,加强细分专精尖特产品开发、提高产品附加值;以产品系列化、成套化、提供完整磨削解决方案的优势增强行业产品的竞争力。
  
  (4)党的十八届五中全会强调,实现“十三五”时期发展目标,破解发展难题,厚植发展优势,必须牢固树立并切实贯彻创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念。创新是引领发展的第一动力;协调是持续健康发展要求;绿色是永续发展的必要条件和人民对美好生活追求的重要体现;开放是国家繁荣发展的必由之路;共享是中国特色社会主义的本质要求。坚持绿色发展,着力改善生态环境。支持绿色清洁生产,推进传统制造业绿色改造,推动建立绿色低碳循环发展产业体系,鼓励企业工艺技术装备更新改造。
  
  超硬材料及其各种各类制品是绿色环保、高速高效高精类产品,是替代高耗能、重污染、资源性的传统切磨抛工具的绝佳选择,也是无可替代的长寿命工具(亦称半永久性工具),是各类制造业自动化智能化生产发展的必选工具与强力支撑,“十三五”期间及更长时期内必将得到迅猛发展。
  
  (5)我国超硬材料类产品基本达到或接近世界先进水平,具有价格低、性价比高的突出特点,可用于绝大多数高要求加工场合。随着加工业降本压力增大、降本需求强烈的大环境出现,中高档产品需求上升趋势明显,结构调整日益突出地成为企业发展的主题,大力发展中高端产品的机遇已经到来。
  
  2.2.2 挑战方面
  
  总体来说,发达国家同行的优势是:基础研究扎实超前,高端制造装备领先,制造工艺技术精细,社会配套材料及零部件水平高,易鼓动政府设置贸易壁垒(如建立市场准入标准、反倾销等),国际营销网络完善,服务到位,等等。
  
  我们自身的主要问题概述如下:
  
  (1)中高档产品竞争力薄弱。金刚石进口持续增长,各类制品进口居高不下。进出口产品单价比最小值为2,最大值高达20。精密磨具与刀具不仅国际高端市场难以切入,而且国内高端市场也以发达国家高档产品为主。
  
  (2)产品专用化程度和精细化程度不够。超硬材料单晶按用途细分专用程度差别很大,多以材料本身性能分级,少有按精细专业用途分级;与国外高端产品比,除锯切钻进工具外,磨具与刀具类工具粗加工和半精加工水平尚可,精加工则差别较大。
  
  (3)中低端产品产能过剩、同质化严重、竞争日趋激烈、价格不断下降;国际营销网络不完善,拓展国际空间效率与利润低下;而物价持续上涨,人工成本持续上升。企业盈利能力受到严重挤压。
  
  (4)产品应用实验室欠缺或不够完善,既影响新品开发周期,又难以掌握产品的性能参数,导致市场开发事倍功半。
  
  (5)基础共性技术研究落后,产品研究难有突破性进展;前沿技术研究不够,创新及未来可持续发展动力不足。
  
  (6)创新能力不足,高级人才匮乏。我国二流水平产品的创新基本是跟着国际高端产品跑,少有世界独有的、真正意义上的创新;高端人才本就很少,但现有用人机制难以让其全身心投入创新工作。当然我行业的创新能力也受到少有国产高端机床配套的制约和配套基础材料不佳的制约。
  
  3 指导思想与目标
  

  3.1 发展思路
  
  紧紧抓住新一轮产业变革、一带一路基础设施互联互通、中国制造2025等重大战略机遇,健全技术创新体系,搭建协同创新平台,鼓励自主创新,加大供给侧改革力度,依靠创新驱动,切实转变发展方式,加快结构调整步伐,解决一批制约行业发展的重大、共性、关键技术瓶颈问题,开发一批具有自主知识产权的国际高端技术产品,形成系列化与成套化,积极推动自动化和绿色制造,推进装备智能化升级并在有条件的产品生产线进行过程智能化试验,促进行业又好又快发展,提升行业整体竞争力。
  
  3.2 原则
  
  坚持把支撑国家重大需求和一带一路建设作为战略任务,加强关键核心共性技术研发和转化应用,充分发挥本行业在国家发展战略性新兴产业、促进经济提质增效升级、塑造引领型发展和维护国家安全中的重要支撑作用。坚持把加速赶超引领作为发展重点,把握世界科技前沿发展态势,强化原始创新、集成创新与引进消化吸收再创新,加强基础研究,在独创独有上下功夫,全面增强自主创新与协同创新能力。
  
  坚持把人才驱动作为本质要求,在创新实践中发现人才,在创新活动中培养人才,在创新事业中凝聚人才,培育造就行业高素质人才队伍。
  
  坚持把全球视野作为重要导向,进一步加强国际交流,利用全球技术和市场资源,形成新的比较优势,进一步提高行业国际化水平。
  
  3.3 目标
  
  “十三五”行业发展的总体目标是:科技实力和创新能力大幅跃升,自主创新与协同创新的体系基本形成,创新驱动发展成效显著,原有优势持续增强,弱势领域明显跃升,达到世界先进水平的产品种类日益增多,国际竞争力显著提升,国际化水平更上一层楼,到2020年力争全面进入世界超硬材料强国之列。
  
  主要门类产品的分目标如下:
  
  在超硬材料产品方面,单晶的国际强势地位进一步巩固,工业用金刚石单晶未来国际市场占有率由目前的90%增长到95%;同样达到国际先进水平的CBN单晶,其国际市场占有率由目前的70%增长到80%;克拉级宝石级金刚石要实现工业化生产;深层油气田钻探用PDC、拉丝模用PCD、金属切削用PCD、PCBN、CVD金刚石达到世界先进水平,推动其在精密机械加工领域实现大批量应用,国内市场占有率力争由目前的30%左右增长到55%;研究开发纳米多晶金刚石(NPD)并实现产业化;积极推动大单晶及CVD金刚石在国防尖端与IT等高科技领域的规模化应用。
  
  建筑工程、建筑材料锯切钻进(含磨抛)类工具,进一步巩固国际强势地位,全面进入世界强者之列,除满足国内市场需求外,国际市场占有率达到70%以上。
  
  电子、光伏、LED等领域用超精超薄超细切磨抛系列工具,进入世界强者之列,与发达国家产品可同台竞技,争夺市场。其中电子领域用超硬材料工具国内市场占有率达到50%
  
  以上,光伏、LED等领域用超硬材料工具国内市场占有率达到70%以上。
  
  高效精密磨具在航空航天、汽车、船舶、电子信息、清洁能源、刀具、家电等行业应用领域加快替代进口高端产品步伐,满足其转型升级、高精高效、绿色环保生产要求,达到国际高端产品应用水平。逐年提高国内高端市场占有率,到2020年力争达到50%以上,同时积极开发国际市场,力争冲出亚洲、批量出口欧美等发达经济体;提高出口中高端产品比例,改善出口产品结构。
  
  大力发展专业装备自动化与智能化,产品制造过程尽力实现高度自动化,有条件的产品实现生产过程智能化。
 
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