刀具发展的一个新方向——CVD金刚石涂层刀具市场分析

关键词 刀具|2022-03-04 14:49:29|来源 中国超硬材料网
摘要 切削加工是机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对象上的多余材料,从而得到形状、精度和表面质量都符合预定要求的表面。在进行切削工作时,刀具需要承受很大....

一、刀具市场空间和规模

       切削加工是机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对象上的多余材料,从而得到形状、精度和表面质量都符合预定要求的表面。在进行切削工作时,刀具需要承受很大压力、冲击力、热载荷,因此刀具材料需要具备高硬度、高耐热性、高强度和耐冲击性的特点。一般来说,硬度越高的材料切削速度越快,加工效率越高,表面光洁度越好。

       随着社会经济的发展,全球刀具市场亦保持着稳步增加的趋势。2019年全球刀具市场规模为359亿美元,2020年全球刀具市场规模为370亿美元,同比增速为3%。根据相关研究数据,预计到2022年全球刀具市场将达到390亿美元规模。

       目前,国内刀具行业存在百亿级的市场规模。我国刀具市场规模从2005年的137亿元增长到2019年的393亿元。从整体发展来看,2008年受到全球金融危机影响,2009年的刀具行业规模锐减,随着行业内企业平稳度过金融危机的影响,在2011刀具市场恢复性增长达到了400亿元。之后市场年增长速度平稳,2012年至2019年刀具市场增速略有放缓,但市场总体规模提高,据不完全统计,2017年至2020 年平均市场规模为400亿元。

       另一方面,中国刀具占全球市场的相对规模保持增长,2016年至2019年中国占全球刀具行业相对规模分别为14%、17%、18%、16%。从市场增长速度角度而言,相较于全球刀具市场,中国刀具市场仍然保持一个较高的增长速度,2018年全球刀具市场规模增速为2.6%,中国刀具市场规模增速为8.5%,是全球刀具市场规模增速的3倍。

二、刀具材料的分类及应用领域

       纵观切削刀具材料的发展历史,可分为四类:高速钢、硬质合金(含硬质合金PVD涂层)、陶瓷以及超硬材料

20世纪初,匹兹堡伯利恒钢铁公司展现了泰勒(机械工程师)和怀特(冶金工程师)经过反复切削测试的新型刀具,此刀具由制造时经过一种热处理的铬钨钢所制成,其车削速度比碳钢高出十几倍。尽管在加工过程中,刀具和工件相互摩擦时产生热量并且成暗红色,但却锋利不减,削铁如泥,令人惊叹不止。此后,这种钢就获得了“高速钢”的美名。之后人们不断的变换高速钢成分,先后出现了很多种类的高速钢刀具。

       然而进入20世纪中叶以来,各种高强度钢、高锰钢、不锈钢、高硬耐磨铸铁、高温合金、钛合金,以及各种非金属材料、复合材料等难加工材料相继出现,高速钢刀具加工这些材料时效率太低,甚至根本切不动。于是人们又改进高速钢的化学成分和热处理方法,提高高速钢的切削性能,出现了很多新型高速钢,如含钴、高钒超硬高速钢等。另外又利用高硬度的碳化钨和金属粘结剂,经粉末冶金工艺制成硬质合金。本世纪20年代,先后制成钨钴类和钨钛钴类硬质合金,并逐步应用于生产。硬质合金刀具加工某些金属的效率,可比高速钢提高4-10倍,而且硬质合金的硬度很高,可以加工高速钢加工不了的材料,但对当时的生产水平而言,硬质合金韧性差,可加工性能差,只能在部分加工范围内替代高速钢使用。

       1969年瑞典研制成功了碳化钛涂层(PVD涂层,即物理气相沉积涂层)刀具,刀具的基体是钨钛钴硬质合金或钨钴硬质合金,表面碳化钛涂层的厚度不过几微米,但是与同牌号的合金刀具相比,使用寿命延长了3倍,切削速度提高了25%~50%。20世纪70年代出现第四代涂层刀具,可用来切削很难加工的材料。随着技术水平的提高,硬质合金刀具的性能得到了全方位的提高,即使PVD涂层刀具的出现,也并没有动摇硬质合金刀具的地位。硬质合金刀具由于广泛应用于加工车刀、铣刀、刨刀、钻头和镗刀,以及能够加工的材料较多的突出综合性能,在2019年全球刀具市场中,硬质合金刀具仍占据着高达63%的市场份额。

       陶瓷刀具早在1912-1913年在英国和德国出现,由于其强度、韧度低,只应用于连续切削的精加工中,且切削速度和进给量都较低,直到1950年左右才开始被应用于生产。直到后来出现了氧化铝陶瓷刀具和氮化硅陶瓷刀具,强度和韧性才得到有效地提高。但其抗冲击韧性和抗断裂性能还是较差,不能断续切削和性能较差的铸造件加工。并且随着后来的超硬刀具的出现,陶瓷刀具的市场一直没能扩展。

超硬刀具可分为金刚石类和立方氮化硼两大类。金刚石类(单晶金刚石、PCD复合片、CVD金刚石涂层)刀具凭借其超高的硬度和耐磨性,在高强石墨、高硅铝合金、钛合金、铝基复合材料、工程陶瓷、碳纤维复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)等这些非铁系材料的加工中,在稳定性、加工寿命和效率方面具有无可比拟的优势,受到越来越多行业客户的青睐,市场需求亦逐年增加。立方氮化硼类超硬刀具主要应用于铁系金属的加工。

三、切削刀具发展趋势

       近年来随着汽车、航空航天、3C等行业的飞速发展,各种难加工复合材料的应用越来越广泛,传统的硬质合金刀具或PVD涂层刀具的应用在受到了极大的限制。伴随着国家对环保要求的提高,CNC加工技术的迅猛发展以及数控机床的普遍使用,“绿色加工”、“以车代磨”、“以铣代磨”、“硬态加工”、“高速切削”、“镜面加工”等先进的切削加工概念伴随着超硬刀具的应用而被熟知,刀具市场的消费观念和消费结构发生了明显变化,超硬刀具尤其是单晶金刚石刀具及PCD复合片刀具因其卓越的切削性能、优异的表面质量、超长的加工寿命越来越受到市场的认可和青睐。单晶金刚石刀具具有极高的刃口质量,在合适的加工参数下,可以直接加工出纳米级的表面光洁度,但单晶金刚石受到本身性能、规格尺寸、价格的限制,主要用于精加工和连续加工领域,且无法加工成复杂形状的刀具来使用;PCD复合片可以根据具体需要加工成不同形状的刀具来使用,但根据加工对象不同,需要选择不同规格的PCD材料,而且由于PCD复合片材料本身的性能差异,在一定领域内限制了其应用。

       与单晶金刚石刀具、PCD复合片刀具不同,CVD金刚石涂层刀具是采用化学气相沉积(CVD)的方法在硬质合金刀具表面沉积CVD金刚石涂层的刀具。在CVD金刚石涂层过程中,刀具表面是纯金刚石,没有任何添加剂存在,避免了PCD复合片中添加剂金属存在导致的应用局限。而且整个沉积过程是在气氛状态下进行,对刀具几何形状没有特殊要求,可以在任意形状的硬质合金刀具表面做涂层,满足复杂轮廓的加工需求。CVD金刚石涂层刀具充分利用了金刚石高硬度、高弹性模量、高热导率、低摩擦系数、低热膨胀系数和化学稳定性好等优异性能,是加工非铁系难加工材料的理想刀具材料。

四、CVD金刚石涂层刀具的应用领域

       1、近年来电火花加工(EDM)领域对模具制作的要求越来越高,铜电极由于自身条件的限制,已越来越不能满足模具行业的发展要求。石墨具有较高的高温强度、低热膨胀系数、较好的可加工性和良好的电导率,作为EDM电极材料,具有高切削性、重量轻、成形快、膨胀率极小、损耗小、修整容易等优点。然而,用于EDM电极材料的石墨微粒硬度非常高,且石墨电极形状复杂,对加工刀具就提出了非常高的要求:刀具必须足够锋利以保证表面加工质量;同时满足一定的抗冲击性能,防止石墨中的硬质相崩刀;切削工况下与石墨保持化学惰性,以提高刀具寿命,降低加工成本。

       已有数据表明带有CVD金刚石涂层的硬质合金刀具加工石墨模具时,其寿命可达未涂层的硬质合金刀具的10倍以上,同时,由于摩擦系数低,CVD金刚石涂层刀具加工速度可比硬质合金刀具高2-3倍,不需冷却液,可精确加工石墨电极的薄壁、深肋槽部位。在碳纤维复合材料的加工中,也有可能获得较长的刀具寿命和较高的加工质量。

       2、CVD金刚石涂层刀具因为刀具表面为纯金刚石膜,因此耐磨性极高,在木工刀具方面也广受欢迎,例如氧化铝强化木地板的性能要优于三聚氰胺木地板,其耐磨层更加坚硬,传统的硬质合金刀具已无法满足加工需求,PVD涂层刀具也极易发生磨损,因此近年来PCD复合片刀具在该领域得到了广泛的应用。但由于PCD复合片刀具硬度、抗冲击性能不如CVD金刚石涂层刀具,根据近两年来木工刀具市场调研报告显示,CVD涂层刀具在加工氧化铝强化木地板上的寿命是PCD复合片寿命的2倍以上。而且在石材、玻璃纤维、碳基复合材料及有机复合材料的加工领域,CVD金刚石涂层刀具也是目前最理想的刀具材料。

       3、CVD金刚石涂层刀具可用于高精度刀具。在制版行业广泛应用的制版精修刀、首饰行业用到的首饰刀(俗称劈花刀)等,这些刀具要求其本身的精度极高,刀具表面的粗糙度极低(部分要求达到0.05μm),以前只能使用单晶金刚石刀具才能满足需求。目前CVD金刚石涂层刀具已广泛应用于超精加工领域,耐磨性比PCD刀具高2-10倍,加工质量可与单晶金刚石刀具相媲美,而性价比远优于单晶金刚石刀具。

五、CVD金刚石涂层刀具的现状和发展前景

       CVD金刚石涂层刀具既具有硬质合金的强韧性,又兼具了金刚石表面平整光滑、摩擦系数小和容易研磨抛光等优点,在切削加工领域的需求日益广泛。与PCD刀具相比,CVD金刚石刀具具有制备工艺简单,而且可以做成各种复杂几何形状的优点,但是,因金刚石薄膜与硬质合金基体间附着力较差的缺点限制了CVD纳米金刚石涂层刀具大规模工业化的应用。

       从发展水平来看,国外CVD金刚石涂层技术已日趋成熟,已有多家以CVD金刚石涂层刀具技术进行研发和生产的公司,如德国赛利公司、瑞士欧瑞康巴尔查斯公司、英国卡罗杰公司等,这些公司已将CVD金刚石涂层刀具广泛应用到了实际生产当中。几乎世界知名的工具公司如Drukker、Sandwich、Kenner等在CVD金刚石刀具应用方面投入了巨大的财力物力,进行深入的研发,市场规模迅速扩张。其中德国赛利于2019 年初,在苏州设立CVD金刚石涂层生产线,生产CVD金刚石涂层刀具,同时也提供涂层服务和销售CVD金刚石涂层设备。目前已推出了一系列金刚石涂层刀具。瑞士巴尔查斯是一家表面处理服务公司,于2010年收购德国D-Coat,推出金刚石涂层刀具。

       然而,国内CVD金刚石涂层技术在实际生产中应用的比较好的只有上海交通大学(交友钻石公司),但仅限于在拉丝模具中的应用,作为涂层刀具使用仍不成熟。近两年,市场上有多家公司进行CVD金刚石涂层刀具的宣传和销售,但其CVD金刚石涂层的制备多数是代工厂的涂层服务,并不掌握CVD金刚石涂层技术,因为关键技术容易受制于人,涂层服务成本占刀具销售价格的一半以上,严重阻碍了CVD金刚石涂层刀具在国内的快速推广。

       国家在十二五规划中明确指出,开发复合材料系列刀具以及专用金刚石涂层整体硬质合金刀具为科技重大专项。国内企业也纷纷在该领域进行研发,如今厦门金鹭和株钻,已经向市场推出涂层刀具,包括PVD涂层和CVD金刚石涂层,都是作为硬质合金刀具品质的提升。另外,嘉兴沃尔德作为科创板上市企业,一直将CVD金刚石涂层刀具技术作为公司的储备技术,该公司生产的CVD金刚石涂层刀具主要应用于航空复合材料加工以及石墨磨具的加工,据反馈,效果很好。河北上诚超硬材料有限公司通过自主研发,拥有完全自主知识产权的CVD生长设备及涂层技术,可稳定批量的向市场供货,其产品质量在大部分加工领域已经达到甚至超出国外水平。

       对于国内企业来讲,技术成熟度差一些,基本上是处于边研发边抢占市场阶段,一旦技术有所突破,将迅速崛起。随着科研工作者的继续努力,相信不久的将来,CVD金刚石涂层不论在技术、设备还是工艺上都会得到很大进展。随着能源经济节约意识的加强和绿色经济的推广,CVD金刚石涂层的应用前景将是十分广阔的。

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