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      鄭州華晶金剛石股份有限公司

      刀具發展的一個新方向——CVD金剛石涂層刀具市場分析

      關鍵詞 刀具 , CVD金剛石涂層刀具 , 石墨磨具|2022-03-02 08:50:44|來源 中國超硬材料網
      摘要 一、刀具市場空間和規模切削加工是機械制造中最基本的加工方法之一,切削加工的目的是利用刀具切除被加工對象上的多余材料,從而得到形狀、精度和表面質量都符合預定要求的表面。在進行切削工作...

      一、刀具市場空間和規模

             切削加工是機械制造中最基本的加工方法之一,切削加工的目的是利用刀具切除被加工對象上的多余材料,從而得到形狀、精度和表面質量都符合預定要求的表面。在進行切削工作時,刀具需要承受很大壓力、沖擊力、熱載荷,因此刀具材料需要具備高硬度、高耐熱性、高強度和耐沖擊性的特點。一般來說,硬度越高的材料切削速度越快,加工效率越高,表面光潔度越好。

             隨著社會經濟的發展,全球刀具市場亦保持著穩步增加的趨勢。2019年全球刀具市場規模為359億美元,2020年全球刀具市場規模為370億美元,同比增速為3%。根據相關研究數據,預計到2022年全球刀具市場將達到390億美元規模。

             目前,國內刀具行業存在百億級的市場規模。我國刀具市場規模從2005年的137億元增長到2019年的393億元。從整體發展來看,2008年受到全球金融危機影響,2009年的刀具行業規模銳減,隨著行業內企業平穩度過金融危機的影響,在2011刀具市場恢復性增長達到了400億元。之后市場年增長速度平穩,2012年至2019年刀具市場增速略有放緩,但市場總體規模提高,據不完全統計,2017年至2020 年平均市場規模為400億元。

             另一方面,中國刀具占全球市場的相對規模保持增長,2016年至2019年中國占全球刀具行業相對規模分別為14%、17%、18%、16%。從市場增長速度角度而言,相較于全球刀具市場,中國刀具市場仍然保持一個較高的增長速度,2018年全球刀具市場規模增速為2.6%,中國刀具市場規模增速為8.5%,是全球刀具市場規模增速的3倍。

      二、刀具材料的分類及應用領域

             縱觀切削刀具材料的發展歷史,可分為四類:高速鋼、硬質合金(含硬質合金PVD涂層)、陶瓷以及超硬材料。

      20世紀初,匹茲堡伯利恒鋼鐵公司展現了泰勒(機械工程師)和懷特(冶金工程師)經過反復切削測試的新型刀具,此刀具由制造時經過一種熱處理的鉻鎢鋼所制成,其車削速度比碳鋼高出十幾倍。盡管在加工過程中,刀具和工件相互摩擦時產生熱量并且成暗紅色,但卻鋒利不減,削鐵如泥,令人驚嘆不止。此后,這種鋼就獲得了“高速鋼”的美名。之后人們不斷的變換高速鋼成分,先后出現了很多種類的高速鋼刀具。

             然而進入20世紀中葉以來,各種高強度鋼、高錳鋼、不銹鋼、高硬耐磨鑄鐵、高溫合金、鈦合金,以及各種非金屬材料、復合材料等難加工材料相繼出現,高速鋼刀具加工這些材料時效率太低,甚至根本切不動。于是人們又改進高速鋼的化學成分和熱處理方法,提高高速鋼的切削性能,出現了很多新型高速鋼,如含鈷、高釩超硬高速鋼等。另外又利用高硬度的碳化鎢和金屬粘結劑,經粉末冶金工藝制成硬質合金。本世紀20年代,先后制成鎢鈷類和鎢鈦鈷類硬質合金,并逐步應用于生產。硬質合金刀具加工某些金屬的效率,可比高速鋼提高4-10倍,而且硬質合金的硬度很高,可以加工高速鋼加工不了的材料,但對當時的生產水平而言,硬質合金韌性差,可加工性能差,只能在部分加工范圍內替代高速鋼使用。

             1969年瑞典研制成功了碳化鈦涂層(PVD涂層,即物理氣相沉積涂層)刀具,刀具的基體是鎢鈦鈷硬質合金或鎢鈷硬質合金,表面碳化鈦涂層的厚度不過幾微米,但是與同牌號的合金刀具相比,使用壽命延長了3倍,切削速度提高了25%~50%。20世紀70年代出現第四代涂層刀具,可用來切削很難加工的材料。隨著技術水平的提高,硬質合金刀具的性能得到了全方位的提高,即使PVD涂層刀具的出現,也并沒有動搖硬質合金刀具的地位。硬質合金刀具由于廣泛應用于加工車刀、銑刀、刨刀、鉆頭和鏜刀,以及能夠加工的材料較多的突出綜合性能,在2019年全球刀具市場中,硬質合金刀具仍占據著高達63%的市場份額。

             陶瓷刀具早在1912-1913年在英國和德國出現,由于其強度、韌度低,只應用于連續切削的精加工中,且切削速度和進給量都較低,直到1950年左右才開始被應用于生產。直到后來出現了氧化鋁陶瓷刀具和氮化硅陶瓷刀具,強度和韌性才得到有效地提高。但其抗沖擊韌性和抗斷裂性能還是較差,不能斷續切削和性能較差的鑄造件加工。并且隨著后來的超硬刀具的出現,陶瓷刀具的市場一直沒能擴展。

      超硬刀具可分為金剛石類和立方氮化硼兩大類。金剛石類(單晶金剛石、PCD復合片、CVD金剛石涂層)刀具憑借其超高的硬度和耐磨性,在高強石墨、高硅鋁合金、鈦合金、鋁基復合材料、工程陶瓷、碳纖維復合材料(CFRP)、玻璃纖維增強復合材料(GFRP)等這些非鐵系材料的加工中,在穩定性、加工壽命和效率方面具有無可比擬的優勢,受到越來越多行業客戶的青睞,市場需求亦逐年增加。立方氮化硼類超硬刀具主要應用于鐵系金屬的加工。

      三、切削刀具發展趨勢

             近年來隨著汽車、航空航天、3C等行業的飛速發展,各種難加工復合材料的應用越來越廣泛,傳統的硬質合金刀具或PVD涂層刀具的應用在受到了極大的限制。伴隨著國家對環保要求的提高,CNC加工技術的迅猛發展以及數控機床的普遍使用,“綠色加工”、“以車代磨”、“以銑代磨”、“硬態加工”、“高速切削”、“鏡面加工”等先進的切削加工概念伴隨著超硬刀具的應用而被熟知,刀具市場的消費觀念和消費結構發生了明顯變化,超硬刀具尤其是單晶金剛石刀具及PCD復合片刀具因其卓越的切削性能、優異的表面質量、超長的加工壽命越來越受到市場的認可和青睞。單晶金剛石刀具具有極高的刃口質量,在合適的加工參數下,可以直接加工出納米級的表面光潔度,但單晶金剛石受到本身性能、規格尺寸、價格的限制,主要用于精加工和連續加工領域,且無法加工成復雜形狀的刀具來使用;PCD復合片可以根據具體需要加工成不同形狀的刀具來使用,但根據加工對象不同,需要選擇不同規格的PCD材料,而且由于PCD復合片材料本身的性能差異,在一定領域內限制了其應用。

             與單晶金剛石刀具、PCD復合片刀具不同,CVD金剛石涂層刀具是采用化學氣相沉積(CVD)的方法在硬質合金刀具表面沉積CVD金剛石涂層的刀具。在CVD金剛石涂層過程中,刀具表面是純金剛石,沒有任何添加劑存在,避免了PCD復合片中添加劑金屬存在導致的應用局限。而且整個沉積過程是在氣氛狀態下進行,對刀具幾何形狀沒有特殊要求,可以在任意形狀的硬質合金刀具表面做涂層,滿足復雜輪廓的加工需求。CVD金剛石涂層刀具充分利用了金剛石高硬度、高彈性模量、高熱導率、低摩擦系數、低熱膨脹系數和化學穩定性好等優異性能,是加工非鐵系難加工材料的理想刀具材料。

      四、CVD金剛石涂層刀具的應用領域

             1、近年來電火花加工(EDM)領域對模具制作的要求越來越高,銅電極由于自身條件的限制,已越來越不能滿足模具行業的發展要求。石墨具有較高的高溫強度、低熱膨脹系數、較好的可加工性和良好的電導率,作為EDM電極材料,具有高切削性、重量輕、成形快、膨脹率極小、損耗小、修整容易等優點。然而,用于EDM電極材料的石墨微粒硬度非常高,且石墨電極形狀復雜,對加工刀具就提出了非常高的要求:刀具必須足夠鋒利以保證表面加工質量;同時滿足一定的抗沖擊性能,防止石墨中的硬質相崩刀;切削工況下與石墨保持化學惰性,以提高刀具壽命,降低加工成本。

             已有數據表明帶有CVD金剛石涂層的硬質合金刀具加工石墨模具時,其壽命可達未涂層的硬質合金刀具的10倍以上,同時,由于摩擦系數低,CVD金剛石涂層刀具加工速度可比硬質合金刀具高2-3倍,不需冷卻液,可精確加工石墨電極的薄壁、深肋槽部位。在碳纖維復合材料的加工中,也有可能獲得較長的刀具壽命和較高的加工質量。

             2、CVD金剛石涂層刀具因為刀具表面為純金剛石膜,因此耐磨性極高,在木工刀具方面也廣受歡迎,例如氧化鋁強化木地板的性能要優于三聚氰胺木地板,其耐磨層更加堅硬,傳統的硬質合金刀具已無法滿足加工需求,PVD涂層刀具也極易發生磨損,因此近年來PCD復合片刀具在該領域得到了廣泛的應用。但由于PCD復合片刀具硬度、抗沖擊性能不如CVD金剛石涂層刀具,根據近兩年來木工刀具市場調研報告顯示,CVD涂層刀具在加工氧化鋁強化木地板上的壽命是PCD復合片壽命的2倍以上。而且在石材、玻璃纖維、碳基復合材料及有機復合材料的加工領域,CVD金剛石涂層刀具也是目前最理想的刀具材料。

             3、CVD金剛石涂層刀具可用于高精度刀具。在制版行業廣泛應用的制版精修刀、首飾行業用到的首飾刀(俗稱劈花刀)等,這些刀具要求其本身的精度極高,刀具表面的粗糙度極低(部分要求達到0.05μm),以前只能使用單晶金剛石刀具才能滿足需求。目前CVD金剛石涂層刀具已廣泛應用于超精加工領域,耐磨性比PCD刀具高2-10倍,加工質量可與單晶金剛石刀具相媲美,而性價比遠優于單晶金剛石刀具。

      五、CVD金剛石涂層刀具的現狀和發展前景

             CVD金剛石涂層刀具既具有硬質合金的強韌性,又兼具了金剛石表面平整光滑、摩擦系數小和容易研磨拋光等優點,在切削加工領域的需求日益廣泛。與PCD刀具相比,CVD金剛石刀具具有制備工藝簡單,而且可以做成各種復雜幾何形狀的優點,但是,因金剛石薄膜與硬質合金基體間附著力較差的缺點限制了CVD納米金剛石涂層刀具大規模工業化的應用。

             從發展水平來看,國外CVD金剛石涂層技術已日趨成熟,已有多家以CVD金剛石涂層刀具技術進行研發和生產的公司,如德國賽利公司、瑞士歐瑞康巴爾查斯公司、英國卡羅杰公司等,這些公司已將CVD金剛石涂層刀具廣泛應用到了實際生產當中。幾乎世界知名的工具公司如Drukker、Sandwich、Kenner等在CVD金剛石刀具應用方面投入了巨大的財力物力,進行深入的研發,市場規模迅速擴張。其中德國賽利于2019 年初,在蘇州設立CVD金剛石涂層生產線,生產CVD金剛石涂層刀具,同時也提供涂層服務和銷售CVD金剛石涂層設備。目前已推出了一系列金剛石涂層刀具。瑞士巴爾查斯是一家表面處理服務公司,于2010年收購德國D-Coat,推出金剛石涂層刀具。

             然而,國內CVD金剛石涂層技術在實際生產中應用的比較好的只有上海交通大學(交友鉆石公司),但僅限于在拉絲模具中的應用,作為涂層刀具使用仍不成熟。近兩年,市場上有多家公司進行CVD金剛石涂層刀具的宣傳和銷售,但其CVD金剛石涂層的制備多數是代工廠的涂層服務,并不掌握CVD金剛石涂層技術,因為關鍵技術容易受制于人,涂層服務成本占刀具銷售價格的一半以上,嚴重阻礙了CVD金剛石涂層刀具在國內的快速推廣。

             國家在十二五規劃中明確指出,開發復合材料系列刀具以及專用金剛石涂層整體硬質合金刀具為科技重大專項。國內企業也紛紛在該領域進行研發,如今廈門金鷺和株鉆,已經向市場推出涂層刀具,包括PVD涂層和CVD金剛石涂層,都是作為硬質合金刀具品質的提升。另外,嘉興沃爾德作為科創板上市企業,一直將CVD金剛石涂層刀具技術作為公司的儲備技術,該公司生產的CVD金剛石涂層刀具主要應用于航空復合材料加工以及石墨磨具的加工,據反饋,效果很好。河北上誠超硬材料有限公司通過自主研發,擁有完全自主知識產權的CVD生長設備及涂層技術,可穩定批量的向市場供貨,其產品質量在大部分加工領域已經達到甚至超出國外水平。

             對于國內企業來講,技術成熟度差一些,基本上是處于邊研發邊搶占市場階段,一旦技術有所突破,將迅速崛起。隨著科研工作者的繼續努力,相信不久的將來,CVD金剛石涂層不論在技術、設備還是工藝上都會得到很大進展。隨著能源經濟節約意識的加強和綠色經濟的推廣,CVD金剛石涂層的應用前景將是十分廣闊的。

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