從 2019 年開拓國內的刀具設備業(yè)務開始,至今已經有三年。之前,我一直的認知是只有白鋼刀國產沒有優(yōu)勢,鎢鋼和金剛石國產遠超進口,最多是生產刀具的設備比較落后,所以只要我們用點時間把設備造好,國產刀具就能強大起來。但等真正進入行業(yè)才發(fā)現,這個認知錯了。
什么是 PCD 材料?
在國產刀具行業(yè),精加工刀具的材料、生產設備、砂輪、軟件、設計都是進口的,聽說連磨刀用的研磨液都是進口的。深入了解之后,更是讓人不解。以金剛石相關產品為例,近百分之九十的金剛石原材都是河南生產的,但是用于刀具生產的金剛石聚晶 產 品 PCD, 在2020 年之前近百分之七十來自進口。甚至于,某些公司的刀具就指定進口PCD,國產材料真的不香嗎?2021 年期間,還有很多公司寧愿采用價格幾倍的進口材料,又是為何?
本期,我站在技術人的角度來分析:為何之前的 PCD 領域國產品牌一片空白?我們該如何改變?現在, 鎢鋼刀具及材料的應用已經達到了一定的程度,未來將會有大量的鎢鋼刀具被超硬刀具所代替,所以本期的分析從超硬入手。
超硬刀具的主流分為兩大塊:一塊是以金剛石為基礎的刀具,可以加工絕大部分的非鐵材料;另一塊是CBN 系列,以加工鐵材為主。我個人對 CBN 的了解還不足,以后還希望能夠與更多從事 CBN 材料的專業(yè)人士做朋友,多學習多進步,以求有更深的了解。
以下以 PCD 為例展開分析。
首先,我們要知道一件事,PCD是一種由細微顆粒的金剛石粉通過工藝方法聚晶后形成的產品,其主要的成份還是金剛石。目前已經有公司成功生產出純聚晶材料,這種材料的全部成分均為金剛石。我們通常所用的PCD 都不是純聚晶。
了解一下 PCD 的制成過程。把顆粒狀的金剛石微粉和結合劑充分拌勻,放于模具中,再通過高溫高壓機,將模具內的材料進行聚晶。當壓力達到一定量的時候,顆粒狀的金剛石相互擠壓,由于金剛石顆粒多數都是多個尖角和平面的外形,擠壓中自然會形成無數個尖角壓平面的情況出現,壓力除以接觸面積得到壓強,當尖點處壓強達到一定高度時,尖點處的金剛石將會被壓碎或因高溫高壓轉變成石墨。這時拌入其中的結合劑發(fā)揮作用,保持碎掉的金剛石或石墨留在原位。當溫度和壓力改變后,達到金剛石生長的條件時,兩邊的顆粒狀金剛石會利用尖點處的石墨材料進行生長,石墨材料又重新轉變成金剛石,只是形狀不再是尖角。由于兩顆金剛石同時生長,最終將兩顆金剛石連接,就好比金屬焊接一樣,每一顆小金剛石都和周圍的其它小金剛石連接多點,壓力越大連接的點就越大,最終將金剛石粉變成了具有一定強度的金剛石片材。為了加強其強度,通常還有一層更厚的鎢鋼材料作為底料,這樣 PCD就制成了。
在 PCD 的制作過程中,結合劑其實只負責保持石墨留在原位,當 PCD 聚晶成功后,結合劑其實是多余的,不過因為不太容易去除,所以結合劑就一直留在 PCD 中。也就是說,在PCD的使用中,結合劑沒有任何作用,有時還會成為降低 PCD 性能的主要原因。不過,由于結合劑可以使用導電性好的金屬,所以 PCD 制成后,原本不導電的金剛石變成了導電材料。
由于金剛石過于堅硬,三十年前無法加工,后來有了導電的 PCD,于是便有了用放電或線切割加工 PCD 刀具的工藝。因此在歐、美、日等市場形成了一條完整的產業(yè)鏈,并且研發(fā)出導電性能更好更穩(wěn)定的各種 PCD 材料。目前全球的 PCD 刀具加工絕大部分還是采用了放電方式加工,形成了穩(wěn)定的產業(yè)領域。
國產 PCD 真的不“香”嗎 ?
國產 PCD 的歷史也很長,甚至在三十年前我國的 “八六三” 計劃中,就研發(fā)出了比 PCD 更堅硬的 CVD 金剛石。但是,CVD 完全不導電,根本無法加工成工業(yè)刀具,再好的材料也無用武之地。國產 PCD 技術發(fā)展較晚,很多方法或技術都被國外申請了專利,完全照抄都十分困難,所以在導電性及穩(wěn)定性上比進口要差一些,而導電性幾乎成為考核的唯一指標。因為,能買到的 PCD 加工設備都是放電加工機。
導電性成為考核的唯一指標,強度、硬度、耐磨度都不在考核指標中。就算再差的 PCD 材料,比起鎢鋼還是要高出數個等級,特別是在一些要求加工光潔度很高的產品中,國產 PCD因導電性問題造成刀具刃口缺口或尖點,都是市場無法接受的劣勢。只有在要求不高的木工刀具中,國產 PCD才可以完全勝任,因此近幾年國產PCD 用量最大的是木工行業(yè)。金屬加工等要求高的刀具,只有少數國產材料能夠投入使用。
回到上面的那個問題,為什么一定要用進口 PCD,國產不 “香” 嗎?我的答案是,國產 PCD 完全可以,并且還能更好。
國產材料的不足是導電性,也有人說是穩(wěn)定性。其實,這個不足都是基于加工手段而言。如果不用放電加工,導電性根本無須考慮。2019 年,我就開始推行 PCD 全激光加工方法,完全不采用放電就能制造出各種刀具,甚至刀具的種類遠多于放電加工。
這個研究方向并非是替代某一種技術,而是基于金剛石材料特性研究的各種技術,發(fā)揮出其特性。比如激光磨床可以用于磨平金剛石,激光車床用于加工圓棒產品,激光造形機、激光五軸加工機……都有專項針對的產品,并且精加工刀具的精度已經達到了進口設備的水準,甚至某些精度有所超越。由于我們使用了與進口激光完全不同的技術路線,將磨菜刀的理念加入其中,采用了激光磨削的方法進行刃口加工。所以,PCD 材料無論顆粒度大或小、導電或完全不導電,都可以磨出非常平整光滑且鋒利的刀口。
如果把國產 PCD 材料做得過于堅硬、耐磨性極好的情況下,現有的PCD材料磨平技術將非常困難。牧激研發(fā)出的激光磨床就很好地解決了這個問題。不但好磨,效率還高出了傳統(tǒng)磨床的幾十倍,不必擔心材料成本因此增加,反而很可能大幅降低。
國產 PCD 成本優(yōu)勢在國產激光技術的支持下將遠超進口材料。在過去的一年里,第一大品牌手機就取消了對進口 PCD 材料的指定。
那么,一個簡單的加工技術真的能改變國產 PCD 的命運嗎?能,并且就在當下。
國產 PCD 不再需要學習進口材料,采用混合粒度生產 PCD 的方式。PCD 材料的生產技術降低了門檻,再利用激光技術降低后期成本,國產PCD 的價格優(yōu)勢將勢不可擋。進而,我們再利用激光技術生產出強度、硬度、耐用度、精度都不輸進口的超硬刀具。您說,國產 PCD “香” 不 “香” ?
材料與后期制造工藝是環(huán)環(huán)相扣的,改變了后期的加工方法,也就改變了對材料特性的要求,因此激光技術將改變中國的刀具發(fā)展歷程。
現階段整體式鎢鋼刀具還是市場主流,主要技術、設備、軟件、材料都還是歐、美、日進口品牌的天下,隨著 PCD 刀具的優(yōu)勢壓過整硬合金刀,將有一部分整硬合金刀被 PCD 刀具取代。在 2021 年,這種事情已經開始發(fā)生。雖然,看起來國產整硬刀具還在發(fā)展,但那是因為國產整硬刀具的品質提升后,搶占了原屬于進口刀具的市場。
超硬取代整硬成為市場主導,就像整硬合金取代白鋼刀一樣,當一個新產品的性價比達到某一個點時,取代便必將勢不可擋。牧激的激光技術屬于國產,雖然有些設備部件仍為進口,但國產化的步伐不會停止。國產PCD材料同樣也會因為激光而改變,因為激光而進步。由此可見,未來的中國甚至全球刀具市場,中國生產的高端刀具絕對占比可觀,激光技術將徹底改變國產刀具的發(fā)展方向。