金刚石、CBN砂轮是超硬材料工具中典型的一种工具,是以金刚石或CBN为磨料,借助于结合剂或其它辅助材料,在一定的生产条件下制成的具有一定形状、性能和用途的产品。金刚石、CBN砂轮按结合剂种类主要可分为金属结合剂、陶瓷结合剂、树脂结合剂。随着超硬材料工具技术的发展,其可加工的对象几乎囊括了所有的已知材料,大大提高了各种机械精密加工领域的加工效率、加工质量,尤其是作为高速、精密、数控、微细加工等先进制造技术的重要组成部分,其应用主要有两大领域:一是硬脆材料加工领域,主要指蓝宝石、单晶硅、多晶硅、磁性材料、碳化硅、耐火材料、玻璃、地质钻探等硬脆材料加工领域;二是各种机械精密加工领域,主要指电子、机械、汽车、新能源等精密加工领域。按其用途的不同,又可分为:金刚石磨削砂轮、金刚石锯切砂轮片、金刚石钻探刀头等几个大类。
       金刚石工具的出现使得以前只能依靠繁重的手工劳动、低效率加工硬脆材料的方式成为历史,代之以机电一体化的现代先进加工方式,其加工效率得以实现大幅提高,金刚石砂轮在磁性材料、蓝宝石、硅材料、建筑陶瓷、石材、钢筋混凝土等硬脆材料加工领域是目前有效的工具。
       全球超硬材料工具的生产遍及世界各地,其中,磨削切削类工具以日本、德国、美国及韩国制造水平为高,这些国家磨削工具正快速向超硬材料工具转化,其它磨具用量已在逐年减少。由于超硬材料制品具有高效、节能、寿命长、环境友好的突出特点,其效率和寿命比传统工具高数十倍。
       我国的超硬材料制品行业起始于二十世纪七十年代。在此之前,金刚石锯片等超硬材料工具几乎全部依赖进口,八十年代全国各地兴起了大批以生产小直径金刚石锯片为主的生产企业,九十年代开始进入高速发展期。我国超硬材料工具产业实现了从无到有、从小到大,形成了一个门类齐全、具有相当规模的完整工业体系,包括配套的原材料供应体系、设备供应体系、辅助材料体系和市场体系,已经能够生产出基本满足各行业发展所需的超硬材料工具,每年还有大量产品出口,尤其在中低端产品上具有明显竞争优势,但在高端产品制造和技术水平上与国外先进水平相比仍存在一定的差距。
       随着我国科学技术的不断进步,超硬材料的独特性能得到不断的开发利用,超硬材料制品技术水平不断提高,应用领域不断扩展,超硬材料制品行业已经成为国民经济和国防建设不可缺少的重要组成部分。
       随着人造金刚石技术的日益成熟以及中国经济的快速腾飞,我国在金刚石工具制造技术上有了较多的积累与进步,具备了较强的制造能力。由于我国企业在劳动力成本上的优势,加之技术研发上的后发追赶态势,使得我国企业在产品性价比上具有明显优势。市场需求的快速增长,各地金刚石工具企业纷纷上马,并出现了一批具有国际竞争实力的优势企业。我国已成为世界上重要的金刚石工具生产国、使用国和出口国,年产值超过百亿元。金刚石工具在新兴行业领域内的应用有望进一步拓展随着人造金刚石品级的不断提升, 其优良的性能有望在高新技术领域得到更广泛的应用,如可用于航空仪表轴承、雷达波导管、光学器件、高能烟速器等精密仪器的加工;可用于单晶硅、多晶硅0.1-0.2mm厚度片的切割、磨削、卫星太阳能电池板等高效精密加工;可用于计算机芯片等大规模集成电路的微细精密切割、开槽、背面减薄、纳米金刚石抛光等加工。世界发达国家无不把包括人造金刚石在内的超硬材料及制品作为发展重点,超硬材料及其制品的研究与应用水平在某种程度上代表着一个国家的科技发展水平。
       金刚石、CBN砂轮按使用用途分类,国内市场主要有以下应用领域还存在着较大的发展空间。
       1. 磨PCD、PCBN刀具砂轮
       据报道,日本PCD、PCBN刀具年产值占其国内各类刀具总产值的4%左右,美国占4.14%,俄罗斯占6%～7%。目前我国PCD、PCBN切削刀具年产量仅40多万把左右,销售额不到2亿元,约为国内各类刀具总产值的0.5%左右,仍有2/3的PCD、PCBN刀具市场为进口产品,国产PCD、PCBN刀具不到1/3的市场份额,且使用的PCD、PCBN刀具原材料几乎都为国外进口产品,因此,我国PCD、PCBN刀具发展与国外尚有很大的差距。随着国内钨矿资源的进一步减少,PCD、 PCBN刀具的需求量会急剧上升,相关的砂轮用量也会相应增加。
       2. 磨陶瓷刀具砂轮
       陶瓷刀具材料是一种有前途的高速切削刀具材料,在生产中有广泛的应用前景。目前,它已引起世界各国的重视。在德国约70%加工铸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总量的8%～10%。我国陶瓷刀具的发展也十分迅速,研究与开发水平与国际相当。陶瓷刀具具有非常高的耐磨性,它比硬质合金有更好的化学稳定性,可在高速条件下切削加工并持续较长时间,比用硬质合金刀具平均提高效率3～10倍。它实现以车代磨、以铣代抛的高效“硬加工技术”及“干切削技术”,提高零件加工表面质量。实现干式切削,对控制环境污染和降低制造成本有广阔的应用前景。在此背景下,相关陶瓷刀具用修磨砂轮会有一个强势的发展。
       3. 磨磁性材料砂轮
       磁性材料主要包括永磁材料和软磁材料等,覆盖很多高新技术领域。在稀土永磁材料技术、永磁铁氧体技术、非晶软磁材料技术、软磁铁氧体技术、微波铁氧体器件技术、磁性材料专用设备技术等领域,全球已经形成庞大的产业群。其中,仅永磁材料的年度市场销售额就已经超过100亿美元。未来中国的磁性材料产业将会持续发展10-20年。后续发展集中在高性能产品。据报道,2013年、2014年中国的磁体的产量占全球产量60%以上。高性能产品超过国内总产量的50%。这些磁性材料的加工磨削要求我们尽快提供高效节能的磨削工具。
 磁性材料用金刚石砂轮市场基本由国内企业占据为主,但是,一些高端产品还是依赖国外进口。
       4. 磨蓝宝石砂轮
       目前蓝宝石的行业应用主要为LED衬底片与光学窗口片。
       根据ACRICHE统计资料显示,2008年全球LED照明应用,以建筑照明为******用量,达1.87亿美元,其次为消费性可携式照明如手电筒、露营灯等,2008年全球市场规模则约5600万美元,零售卖场展示应用市场规模约3900万美元;总计2008年全球LED照明应用市场规模为3.97亿美元。研究指出,2011年全球LED照明市场规模已达至14亿美元,其中建筑照明和商业照明又将率先成为主力市场;建筑照明市场规模增长到4.72亿美元,零售卖场展示LED照明应用市场则增长至1.44亿美元,可携式消费性LED照明产品市场规模则成长到9900万美元。
       另据中国行业研究网报道,2015年中国LED照明需求预计将达到100亿美元的规模,LED照明将占到照明市场的50%,且近几年还将保持30%左右的增长。
       蓝宝石光学窗口片被广泛应用于激光、红外、通讯、半导体、电子、钟表、医疗美容、测量仪表、军工及航空航天等诸多尖端高科技领域。
       蓝宝石是仅次于金刚石的高硬度材料,在蓝宝石的各行业加工及应用中,基本是全过程需要超硬材料的加工,因此金刚石砂轮,被广泛应用于原材料的切割、平磨、外圆磨;半成品的倒角磨、减簿磨、开槽、打孔等等。其中蓝宝石的倒角砂轮、减簿砂轮目前基本上是国外企业占据了大部分的国内市场。
       5、磨半导体砂轮
       IC半导体产业是一个高投入、高产出的高科技行业,也是国家重点扶持产业。
       中国行业咨询网的******预测报告指出,中国IC市场可望在2012年-2017年之间,以13%的复合平均成长率持续扩张。报告同时指出,中国IC市场规模由2014年1000亿美元,在2017年成长至1500亿美元,在2017年中,中国市场将占据全球的晶片市场的38%的比例。
       此外预期中国本地区制造的晶片将在接下来几年激增,在2012年中国本地制造IC占据当地总计810亿美元规模晶片市场的11.2%;但在2012年至2017年,中国本地制造IC将以16.5%的复合平均成长率增加,营业规模由2012年的91亿美元成长至2017年的195亿美元,占据当地总计1480亿美元晶片市场的13.1%。
       金刚石砂轮在IC产业链中,被广泛用于切割、倒角、抛光、减簿等,目前大多由日本、美国、台湾企业占据着国外及国内市场。
 国内半导体金刚石砂轮无论是工艺技术、产品质量,都与国外发达国家有很大的差距。
       6、磨有色金属CBN砂轮
       电子信息、汽车制造等作为与人民生活水平提高息息相关的新兴产业,近年来发展迅猛,带动了CBN砂轮等制品需求的不断扩大。汽车领域的发动机凸轮轴、曲轴的加工,需要超高速、高效精密成型砂轮,对强度、锋利性以及形状保持性、动平衡性能提出远高于传统加工方法的要求;空调、冰箱压缩机主要零部件缸套、滑片的加工,应用固结磨具双端面磨削技术替代传统加工工艺,对磨具的平面度、平行度、耐用度提出了比普通磨具高几个数量级的要求。此外,随着钛、镍合金、热喷涂陶瓷、金刚石膜等各种新型高温难加工新材料在航天航空以及国防工业领域内的应用,金刚石高效精密砂轮作为不可替代的理想磨削工具,其消耗量也呈快速增长的态势。
       2010年亚太地区(含中国)电子、汽车、家电等行业高效超硬精密磨具的市场消耗达到120亿美元,2012年达到187亿美元,2013年达到243亿元,年均增长达到30%左右。
       目前CBN砂轮国内有较多的企业具备一定的竞争能力,但是大直径高端砂轮还是被国外品牌占据大多市场份额。
       总体来说,随着高速磨削、超精密磨削技术快速发展,普通磨具已不能满足生产需要,超硬磨具因其结合强度高、成型好、使用寿命长等显著特性而生产得到广泛应用,使得“B(CBN)代替A(刚玉系列),D(DIAMOND)代替C(碳化硅)”成为行业发展趋势,超硬磨具产品则向“更快、更精、更簿、更厚、更小、更细、更耐用”的高档化方向发展。
       随着我国成为世界制造业的中心,重型数控机床、高效精密数控机床、超精密数控机床、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、微细切削、硬态切削、干切削等先进制造技术和难加工材料在高技术和国防领域、重大基础装备领域、国民经济支柱产业领域得到越来越广泛的应用,磨料磨具要求具备“高速、高效、绿色环保”的四大特性,超硬材料刀具、超硬材料磨具、金刚石滚轮成为实现以上先进制造技术必不可少的基础装备之一。
       展望未来,超硬材料企业的机遇与挑战并存。
       普通磨具的应用领域与应用规模将会逐渐缩减,超硬材料磨具的应用领域与应用规模将不断增长,金刚石、CBN砂轮的市场规模不断增长将带给国内企业充分的成长空间。
       但是近年来,由于世界材料技术、机械加工工艺和技术,以及科研手段的迅猛发展,国外磨料磨具行业的发展迅速,新技术、新产品、新工艺不断涌现;而国内企业缺乏科研投入、技术创新,许多高端磨料磨具,尤其是超硬材料磨具已经与国外先进技术拉大了差距,这将留给国内超硬材料工作者更大的挑战。