董書山,陶強,喬翠婭(.吉林大學超硬材料國家重點實驗室,吉林長春300; .秦皇島市雅豪新材料科技有限公司,河北秦皇島066000)

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厘清行業(yè)發(fā)展加強基礎研究促進技術(shù)進步推動產(chǎn)業(yè)升級

董書山1,陶強1,喬翠婭2
(1.吉林大學超硬材料國家重點實驗室,吉林長春130012; 2.秦皇島市雅豪新材料科技有限公司,河北秦皇島066000)

摘 要:文章簡要分析了超硬制品的國內(nèi)外市場競爭、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品發(fā)展及技術(shù)現(xiàn)狀。提出了推動材料進步,加強基礎研究,轉(zhuǎn)變設計理念,帶動工藝裝備發(fā)展,促進行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展與升級轉(zhuǎn)型的發(fā)展觀念。

關鍵詞:超硬制品;金屬結(jié)合劑;基礎研究;微觀結(jié)構(gòu);創(chuàng)新發(fā)展;產(chǎn)業(yè)升級

1　概述

我國是超硬材料及其制品的生產(chǎn)大國,人造金剛石單晶的產(chǎn)量已占全球的90%以上,金剛石制品占60%以上,其中金屬結(jié)合劑超硬制品占比在85%左右,雖如此,但我國產(chǎn)品仍以中低端為主。我國超硬制品的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展較為完善,且已形成明顯的地域特色分布(表1)。

2015年,受國內(nèi)外經(jīng)濟持續(xù)低迷的不利影響,粗略估算,行業(yè)的總體產(chǎn)能下降20%～30%,部分企業(yè)甚至下滑50%以上。行業(yè)的另外一大隱憂是資金運轉(zhuǎn)周期延長,增加了企業(yè)的運行難度與資金風險。在低迷的經(jīng)濟環(huán)境下,低價競爭愈演愈烈,嚴重削弱了企業(yè)的生存與發(fā)展空間。在此形勢下,困難與機遇并存,形勢倒逼行業(yè)進行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,引導企業(yè)尋求突破與創(chuàng)新。實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展,成為行業(yè)的關切主題與努力方向。創(chuàng)新,需要在堅實的理論基礎上實現(xiàn)設計理念的轉(zhuǎn)變與突破,而并非傳統(tǒng)意義上的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式的變化與與配方設計的新穎。創(chuàng)新,需要從源頭抓起,依托材料進步,深化微觀研究,實現(xiàn)材料創(chuàng)新、機理創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新及裝備創(chuàng)新。

由于金屬結(jié)合劑燒結(jié)制品在整個行業(yè)中所占比重大,所以本文重點探討金屬結(jié)合劑超硬制品的相關內(nèi)容。

2　我國金屬結(jié)合劑超硬材料制品行業(yè)現(xiàn)狀分析

近年來,我國超硬材料及制品生產(chǎn)取得了迅猛發(fā)展,制品行業(yè)的整體水平得到穩(wěn)步提升,尤其是預合金粉末的推廣應用,更是對行業(yè)的發(fā)展起了積極的推進作用,而且日漸成為今后的發(fā)展趨勢。但隨著國內(nèi)外經(jīng)濟環(huán)境的變化,制品行業(yè)的市場出現(xiàn)明顯萎縮,競爭日趨激烈,對制品質(zhì)量提出了愈來愈高的要求,而制品的銷售價格卻在不斷下滑,嚴酷的經(jīng)濟環(huán)境對整個制品行業(yè)提出了更為苛刻的要求,行業(yè)面臨迫切的轉(zhuǎn)型升級需求。令人欣慰的是,行業(yè)在此低谷煎熬時期,出現(xiàn)了一些積極的變化趨勢:很多企業(yè)為了保證生存和發(fā)展,在積極尋求提質(zhì)增效、創(chuàng)新發(fā)展的有效途徑,竭力擺脫低價競爭的混戰(zhàn),轉(zhuǎn)向中高檔產(chǎn)品的開發(fā),以尋求維持企業(yè)發(fā)展的利潤空間?？傊?在嚴酷的現(xiàn)實環(huán)境面前,機遇與挑戰(zhàn)并存,適者生存的自然競爭法則體現(xiàn)得更為充分。全面分析研判整體行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢,對企業(yè)探尋持續(xù)健康發(fā)展之路,在困境中開辟新途,具有重要意義。

2.1競爭態(tài)勢

國內(nèi)外市場的總體需求下降,尤其是國內(nèi)市場的下滑幅度較大,致使企業(yè)競相降價銷售,低端產(chǎn)品陷入微利甚至無利的惡性競爭中,資源浪費嚴重,影響了整個行業(yè)的健康發(fā)展。

國際市場方面,美國的市場需求基本平穩(wěn)。受美國反傾銷政策的影響,近年來,進入美國市場的中資產(chǎn)品主要以國內(nèi)廠家在泰國等國建立的生產(chǎn)基地為主渠道,主要還是中低端產(chǎn)品居多,高端制品,如水泥鋸片、工程薄壁鉆頭、中徑大理石鋸片及中徑陶瓷鋸片等,仍以發(fā)達國家的產(chǎn)品為主,中資產(chǎn)品仍然缺乏品牌競爭力。巴西等其它美洲國家則出現(xiàn)了明顯的需求下滑,歐盟國家的市場需求仍然萎縮不振,但仍以高端制品消費為主。東南亞國家中,印度市場以低端產(chǎn)品為主,亦有一定程度的下滑,而且價格趨低;越南以中低端產(chǎn)品為主,在花崗巖及陶瓷小鋸片的需求方面有所增長,但國內(nèi)產(chǎn)品在其市場中的降價競爭亦十分激烈;伊朗的制品消費大幅度下降,日本在中高端市場的需求也下滑明顯。

在國內(nèi)市場方面,制品行業(yè)大幅度萎縮,陷入近年來的發(fā)展低谷。以金剛石單晶為例,2012年價格維持在較高水平,2013年價格下滑大約10%左右,但2014年較2013年大幅度下滑20%左右,2015年較2014年下降10%左右,產(chǎn)品明顯供過于求,各大單晶生產(chǎn)廠家都在控制機臺運行數(shù)量,加大了產(chǎn)能和資金風險的控制。金剛石制品方面,粗略估算,整體銷量下降超過20%,而且,更堪憂慮的是,資金回籠困難,周期延長,市場風險加大。各類制品價格不斷下滑,低價競爭激烈。在嚴酷的競爭環(huán)境下,大型廠家綜合實力強,顯現(xiàn)出較強的抗風險能力,而許多中小廠家的承壓能力欠缺,產(chǎn)能下降,盈利能力不足,企業(yè)運行艱難,也不斷有廠家關停轉(zhuǎn)產(chǎn),行業(yè)正面臨著優(yōu)勝劣汰的新一輪洗牌。

2.2制品狀態(tài)

低端產(chǎn)品的價格競爭激烈,利潤空間極小,市場份額穩(wěn)中趨減。受用工成本費用等生產(chǎn)成本增加的影響,制品用戶單位特別注重生產(chǎn)效率的提升,因而,鋒利度的提高成為制品開發(fā)的首選要求。低端產(chǎn)品難以滿足高鋒利度的要求,因此,眾多廠家在逐步轉(zhuǎn)向以鋒利度為主的中高端產(chǎn)品的研發(fā),這是促進行業(yè)發(fā)展的一個積極信號。

在石材加工制品方面,石材大刀頭的價格趨低發(fā)展,南北方差異明顯。廣東、福建等南方各大廠家以組鋸刀頭為主,而北方的山東等地則以單片鋸為主,但也將逐步向組鋸方向發(fā)展。中徑(Φ350～500mm)鋸片的產(chǎn)地主要集中于湖北鄂州、河北石家莊、山東平邑等地,價格競爭激烈,已進入微利時代。Φ230mm以下的小鋸片種類繁多,＜6元/片的低價小鋸片競爭激烈,利潤空間低,而8～12元/片的中高端鋸片,由于鋒利度好,近年來的市場消費量逐漸增大,原以低端產(chǎn)品為主的眾多廠家也在積極轉(zhuǎn)向中高端產(chǎn)品的開發(fā),這也是行業(yè)向可持續(xù)健康發(fā)展方向轉(zhuǎn)變的積極因素之一。為了提高鋒利度,超薄基體小鋸片近年來發(fā)展較快。在石材磨具方面,粗粒度號的磨塊發(fā)展較為成熟,中細號(320#～500#)金屬結(jié)合劑磨塊仍有較大發(fā)展空間。而石材鉆具雖然用量不大,但仍是一個薄弱環(huán)節(jié)。

陶瓷加工工具方面,隨著磚質(zhì)的變化、加工線速的提高及加工質(zhì)量要求的提升,對輥刀、磨邊輪及磨塊的要求越來越高,但產(chǎn)品價格競爭卻日趨激烈,行業(yè)的整體盈利能力十分有限,資金回收周期長,企業(yè)運行風險大。隨著加工線速的不斷提高及高檔磚質(zhì)品種的不斷涌現(xiàn),對輥刀、磨邊輪及磨塊的技術(shù)含量要求越來越高,特別是高檔磚質(zhì)的精細化加工,此類工具胎體對金剛石的潤濕性、把持力及胎體“砂性”磨損間的匹配性能提出了更高要求,這也相應要求金屬結(jié)合劑向著細顆粒、預合金化、高燒結(jié)活性及粉末界面活性可調(diào)的方向發(fā)展。陶瓷切割鋸片近年來發(fā)展迅速,質(zhì)量提升速度較快,特別是小規(guī)格的通用工程陶瓷鋸片,質(zhì)量水平普遍提升,可較好滿足工程使用要求。但在中等規(guī)格(＞Φ250mm)的專業(yè)鋸片方面,技術(shù)難度相對增加,市場上的高品質(zhì)產(chǎn)品屈指可數(shù),與進口高檔產(chǎn)品相比,還存在一定差距。

2.3制備工藝

對于整個制品行業(yè)而言,全流程的生產(chǎn)工藝沒有明顯的提升。近年來,鋸片冷壓工藝裝備發(fā)展較快,自動化水平不斷提高,節(jié)約了大量人力,提高了生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)運行成本。

在燒結(jié)工藝裝備方面,對于整體式燒結(jié)制品,仍以傳統(tǒng)的鐘罩爐及隧道爐燒結(jié)為主,雖各有利弊,但并無明顯的技術(shù)進步。

對于焊接制品結(jié)塊,仍以傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)制備工藝為主。近年來,為了提高效率,降低成本,亦有廠家在嘗試采用隧道爐燒結(jié)結(jié)塊,并取得了相應進展,此種方式對冷壓致密度、原材料選擇、配方設計、模具設計及工藝參數(shù)的調(diào)控等方面提出了較高要求;對于多數(shù)中小廠家而言,設備的投資成本依然過高,依然需要維系傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)方式。

2.4粉末原料

目前,制品行業(yè)仍以單質(zhì)金屬粉末為主,合金粉末為輔。傳統(tǒng)的鐵、鎳、銅、錫等單質(zhì)粉末雖有進步,但進展緩慢,尚不能給整體行業(yè)帶來實質(zhì)性推動。預合金粉末近年來發(fā)展迅速,2013年之前一直呈增長勢頭,2014-2015年受行業(yè)萎縮的影響,消費量也隨之減少,無序競爭加劇,基礎Fe-Cu類預合金粉末的價格大幅度下降,也正因如此,可促進產(chǎn)品的升級換代。價格低廉的Fe-Cu基預合金粉末仍是今后合金粉末的發(fā)展方向,而傳統(tǒng)的FeCu30、FeCu4等的性能發(fā)揮已近極限,同時也存在諸多不足,需要引入新的設計理念而進行產(chǎn)品的升級換代。

2.5產(chǎn)品設計

目前,絕大多數(shù)廠家仍以傳統(tǒng)的“試驗/經(jīng)驗型”設計為主,幾乎將全部精力都消耗在重復性的配方試驗上,缺乏基礎研究與設計理念,尤其是只有很少的設計人員能將原材料選擇、工藝適配、微觀組織控制等關鍵要素與宏觀機械性能及應用性能有機聯(lián)系起來,所以,行業(yè)無法形成具有實踐指導意義的設計思想和方法,完全憑經(jīng)驗摸索,導致重復浪費嚴重,開發(fā)周期延長,質(zhì)量控制不穩(wěn)等諸多弊端。缺乏核心設計思想,是整個行業(yè)創(chuàng)新能力不足的重要原因之一。

2.6人才狀況

目前,雖然制品生產(chǎn)企業(yè)的從業(yè)技術(shù)人員數(shù)量較多,但技術(shù)水平良莠不齊,專業(yè)化設計及管理能力有待提升。但我國有高校設有超硬材料專業(yè),每年都可為行業(yè)輸送專門人才,為行業(yè)的持續(xù)發(fā)展奠定了基礎。同時,還有相關的其它高校和研究機構(gòu)也在從事超硬材料及制品的研究,也為行業(yè)的發(fā)展起了積極的推動作用。但在通用燒結(jié)類超硬制品方面,仍缺乏足夠數(shù)量的高端人才從事前沿及基礎研發(fā),亟待加強。2.7 行業(yè)優(yōu)勢

我國超硬制品行業(yè)經(jīng)幾十年的發(fā)展,已形成完備的產(chǎn)業(yè)鏈,產(chǎn)能大,價格低,產(chǎn)業(yè)區(qū)域優(yōu)勢明顯,尤其是中低端產(chǎn)品的價格優(yōu)勢更為明顯,國際拓展能力較強。生產(chǎn)裝備、主體材料、基體及模具輔材等整條產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展十分健全,整個行業(yè)具備極強的全球競爭力。同時,從業(yè)人員數(shù)量多,專業(yè)化人才門類齊全,也是突出的發(fā)展優(yōu)勢。

2.8行業(yè)不足

源頭創(chuàng)新能力不足,在基礎原材料、基礎理論研究、工藝裝備、設計開發(fā)等方面嚴重缺失。低價位無序競爭,資源浪費嚴重,產(chǎn)品的利潤空間不足,嚴重削弱了企業(yè)的盈利能力,限制了企業(yè)的良性循環(huán)發(fā)展。在某些領域,高端制品設計開發(fā)能力不足,仍亟待提高。

3　基礎研究的強化

超硬制品功效的核心在于胎體對金剛石的潤濕性、把持力及磨損性的調(diào)配。為此,需要圍繞潤濕性、把持力、磨損性等核心關鍵問題,開展深入的基礎研究,需要在以下方面開展深入研究:

(1)加強材料特性及應用研究;

(2)加強材料與工藝匹配的研究;

(3)加強微觀組織對潤濕性及把持力影響的研究;

(4)加強微觀組織與宏觀力學性能對產(chǎn)品使用性能影響機制的研究;

(5)加強產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性影響要素的研究與控制。

只有加強源頭性的基礎研究,在發(fā)展源頭取得創(chuàng)新成果,才能為整個行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供契機,否則創(chuàng)新將成為無源之水,無本之木。

4　原材料的進步

在單質(zhì)金屬粉末體系中,對制品質(zhì)量影響最大的依然是鐵粉,其次是銅粉和錫粉?；瘜W法制備的超細鐵粉近年來進展明顯,而常規(guī)的還原鐵粉雖有進步,但幅度有限,依然沒有取得實質(zhì)性的進步,特別是在氧含量、雜質(zhì)含量、表面活性改善及粒度分布等方面,尚需提升。電解銅粉需要在形態(tài)結(jié)構(gòu)的控制方面下功夫,以獲取更為發(fā)達的樹枝狀結(jié)構(gòu)。霧化錫粉需要在形態(tài)結(jié)構(gòu)及松裝密度的控制方面得到加強。

預合金粉末近年來發(fā)展迅猛,推動了制品質(zhì)量及性能的提升,為行業(yè)的進步起了極大的推進作用。目前,預合金粉末的制備工藝有水霧化、化學共沉淀、電解等多種方式,其中水霧化粉末的價格優(yōu)勢明顯,消費量最大,但其突出缺陷是冷壓成型性差,亟待解決。低成本的Fe-Cu類基礎及專業(yè)預合金粉末的開發(fā)應用,仍將是今后金屬結(jié)合劑的發(fā)展方向。

任何產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展,都離不開材料的創(chuàng)新進步,因此,強化產(chǎn)業(yè)源頭——原材料的研發(fā),取得創(chuàng)新發(fā)展,才能夠帶動工藝裝備的進步,推動整個行業(yè)的升級發(fā)展。

5　工藝裝備的發(fā)展

現(xiàn)階段,超硬制品的壓制、燒結(jié)、焊接等工藝技術(shù)已發(fā)展得相當成熟完備,而材料的開發(fā)進步則可以推動工藝裝備的發(fā)展改進。材料的進步可以在燒結(jié)機制的改變及燒結(jié)工藝的簡化等方面促進工藝裝備的改進,以推動節(jié)能環(huán)保、綠色制備的新工藝技術(shù)的發(fā)展。

6　制品的發(fā)展動態(tài)

突出鋒利度,兼顧壽命,是今后制品發(fā)展的主旋律,實現(xiàn)高效、綠色、節(jié)能、自動化的發(fā)展,是制品行業(yè)今后發(fā)展的重要方向。如上所述,制品行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展,需要在基礎原材料、燒結(jié)機制、工藝裝備等方面聯(lián)動發(fā)展,需要上下游企業(yè)及高校研究機構(gòu)間的密切協(xié)作,需要在胎體對金剛石的潤濕性、把持力及磨損適配性等核心關鍵技術(shù)方面加強基礎研究,為制品發(fā)展提供強有力的源頭支持。

7　結(jié)束語

全球經(jīng)濟持續(xù)低迷,我國經(jīng)濟增速放緩,各行各業(yè)均面臨著產(chǎn)業(yè)升級發(fā)展的關鍵轉(zhuǎn)型期。超硬制品行業(yè)也隨著整體經(jīng)濟環(huán)境的持續(xù)下滑而漸入嚴冬,產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)性改革也迫在眉睫,優(yōu)勝劣汰的自然競爭法則將進一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)格局,推動技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展,使市場資源進一步向綜合實力強的大中型企業(yè)轉(zhuǎn)移,同時也為精于特色產(chǎn)品生產(chǎn)的一些中小廠家提供了發(fā)展空間,即規(guī)?；?、特色化將是今后超硬制品行業(yè)的發(fā)展之路,同時,能夠為用戶提供整體解決方案的服務型企業(yè),也將是提升廠商競爭力的重要發(fā)展途徑。目前的經(jīng)濟形勢,對行業(yè)的發(fā)展既提出了挑戰(zhàn),又提供了機遇。制品行業(yè)要保持持續(xù)健康的提升發(fā)展,需要從源頭上深入開展研究,在原材料進步、工藝裝備改進、微觀燒結(jié)機制、宏觀機械性能的聯(lián)動量化表征、設計理念創(chuàng)新等諸多方面開展全面而深入的探究,深入了解掌握胎體的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀機械性能間的關聯(lián),明晰產(chǎn)品的設計依據(jù),確立產(chǎn)品的設計思想,使產(chǎn)品設計由以往的“試驗型/經(jīng)驗型”向“設計型”轉(zhuǎn)變。充實設計基礎,轉(zhuǎn)變設計思想,行業(yè)的發(fā)展才能具備更堅實的基礎,才能加速產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,促進產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展,夯實超硬強國基礎。

河北工業(yè)大學在立方氮化硼合成研究方面取得突破性進展

河北工業(yè)大學氮化硼材料研究中心在立方氮化硼合成研究方面取得突破性進展。該中心近期完成的科研成果“常溫常壓下光化學合成超細立方氮化硼納米顆粒”近日在國際著名期刊“Angewandte Chemie《德國應用化學》”上發(fā)表(published online,DOI:10.1002/anie.201502023R1)。“Angewandte Chemie”是國際公認的化學類的頂級期刊。由于該篇論文研究內(nèi)容的重要性和涉及到的熱點領域,論文受到Angew編輯們的高度重視,被評選為hot paper(熱點文章)。

表現(xiàn)出金剛石結(jié)構(gòu)的立方氮化硼,是先進精細機加工關鍵刀具材料,尤其在鋼鐵材料加工行業(yè)中具有廣闊的應用前景。立方氮化硼的合成通常需要極高溫度和壓力,目前合成立方氮化硼很難獲得小尺寸的氮化硼納米顆粒,此次課題組采用激光輻照液體靶材,以氨硼烷為前驅(qū)體,一步快速合成超細立方氮化硼納米顆粒,克服了這一困難。更為重要的是,這次工作第一次證明了在氮化硼領域中晶粒尺度可以控制晶體結(jié)構(gòu):晶粒尺度大于20納米以后表現(xiàn)出超軟的六方結(jié)構(gòu),而尺度小于5納米氮化硼則表現(xiàn)為超硬的立方結(jié)構(gòu),這一結(jié)果是立方氮化硼合成的重大突破。

氮化硼材料中心一直致力于氮化硼基新材料的綠色合成、性能探索以及應用開發(fā)的基礎理論和實驗研究。研究涉及氮化硼基導熱絕緣聚合物、微納結(jié)構(gòu)氮化硼、新型吸附材料、新型非稀土發(fā)光材料、立方氮化硼材料、吸透波材料等方向。(高校新聞網(wǎng))

Clarify Industry Development,Enhance Fundamental Research, Promote Material Progress and Push Industrial Upgrade

DONG Shu-shan1,TAO Qiang1,QIAO Cui-ya2
(1.National Key Laboratory of Superhard Materials of Jilin University,Changchun,China 130012; 2.Ya Hao Technology&Materials Co.,Ltd,Qinghuangdao,China 066000)

Abstract:The competition in domestic and world market,industrial structure,product development and technical state of superhard product have been briefly analyzed in this article.Besides,the development concept of promoting material progress,enhancing fundamental research,transforming design philosophy,encouraging technological equipment development,promoting innovative development,upgrading and transformation of the industry have been put forward.

Keywords:superhard product,metal bond,fundamental research,microstructure,innovative development,industrial upgrading

作者簡介:董書山(1966-),男,吉林大學超硬材料國家重點實驗室,長期從事金屬預合金粉末及超硬制品的研究與開發(fā)。

收稿日期:2016-01-10

中圖分類號:TQ164

文獻標識碼:A

文章編號:1673-1433(2016)02-0035-05

引文格式:董書山,陶強,喬翠婭.厘清行業(yè)發(fā)展加強基礎研究促進技術(shù)進步推動產(chǎn)業(yè)升級[J].超硬材料工程,2016,28(2):1-5.