金剛石俗稱"金剛鉆"。也就是我們常說的鉆石的原身,它是一種由碳元素組成的礦物,是自然界由單質(zhì)元素組成的粒子物質(zhì),是碳同素異形體(金剛石,石墨烯,富勒烯,碳納米管,藍絲黛爾石等)。
金剛石是目前在地球上發(fā)現(xiàn)的眾多天然存在中最堅硬的物質(zhì),同時金剛石不是只有在地球才有產(chǎn)出,現(xiàn)發(fā)現(xiàn)在天體隕落的隕石中也有金剛石的生成態(tài)相。
金剛石的用途非常廣泛,例如:工藝品和工業(yè)中的切割工具。
石墨可以在高溫、高壓下形成人造金剛石, 也是貴重寶石。中國也擁有制造金剛石的技術(shù) 。需要注意,石墨與金剛石物理性質(zhì)完全不同。
主要分為人造金剛石和天然金剛石,天然金剛石以首飾如:鉆石戒指、項
鏈等裝飾品為主,這個市場商戶廣大,也用于工具制造。人造金剛石由于顆粒較小,主要用
于金剛石工具,比如砂輪,鉆頭,鋸片 磨塊等等,廣泛用于工業(yè)制造,建筑行業(yè),礦產(chǎn),
石油開采,高技術(shù)精細工具的制造等。制造金剛石工具的原材料包含著鐵,銅,鎳,鋅,錫
等各種金屬粉末 ,石蠟,石墨等其他材料,以及各種制造金剛石制品的設(shè)備,生產(chǎn)人造金
剛石的設(shè)備原材料等等.
人造金剛石是用超高壓高溫或其他人工方法,使非金剛石結(jié)構(gòu)的碳發(fā)生相變轉(zhuǎn)化而成的金
剛石。與天然金剛石相比,它具有生產(chǎn)成本低,應(yīng)用效果好的優(yōu)點。由于非金屬材料和其他硬
脆材料,如大理石、花崗石、耐火材料、玻璃、陶瓷、混凝土等加工工業(yè)的發(fā)展,對鋸片、鉆
頭用金剛石質(zhì)量的要求越來越高,需求量越來越大,目前世界上工業(yè)用金剛石的85%以上已由人
造金剛石代替。
1 生產(chǎn)狀況
目前世界上生產(chǎn)人造金剛石的國家主要有:美國、南非、愛爾蘭、瑞典、英國、德國、俄羅斯、烏克蘭、亞美尼亞、日本、中國、羅馬尼亞、波蘭、捷克、朝鮮、希臘、印度等近20個國家。世界人造金剛石的產(chǎn)量為7~10億克拉,其中年產(chǎn)量在1億克拉以上的國家有美國、英國、俄羅斯等。我國人造金剛石年產(chǎn)量2億克拉以上,居世界第一位。世界人造金剛石產(chǎn)量年增長率為8%~15%。
美國的GE公司、英國的De Beers公司和德國的Winter公司是目前世界上生產(chǎn)人造金剛石的三大集團,壟斷著世界人造金剛石的生產(chǎn)技術(shù)和消費市場,代表著世界人造金剛石的發(fā)展方向。
GE公司1955年首先宣布人工合成金剛石的工業(yè)方法,且曾一度在單晶工藝方面處于領(lǐng)先地位,目前與其他兩家公司相比,該公司的聚晶技術(shù)更為先進,年產(chǎn)量達1.65億克拉,所采用的壓機噸位一般在38~100MN之間。
De Beers公司1987年合成出世界上最大的寶石級單晶體(11.14克拉)和工業(yè)級單晶體(重14.20克拉),1992年又創(chuàng)造了合成重量39.40克拉的工業(yè)級單晶金剛石的世界紀錄。它首先推出SDA系列的鋸片級人造金剛石,SDA系列現(xiàn)已成為國際通行的鋸片級人造金剛石等級標準。DE Beers公司設(shè)在南非、愛爾蘭和瑞典的工廠全部采用100MN級壓機生產(chǎn),高壓模具腔體內(nèi)徑為Φ 110mm,如采用SDA工藝,合成單次產(chǎn)量為300克拉,其中SDA級產(chǎn)品可達60%,如采用MDA工藝生產(chǎn),單次產(chǎn)量可達500克拉。
Winter公司早年主要從事金剛石工具的制造,為了把人造金剛石和金剛石工具連成一個完整的系列產(chǎn)品,1974年在德國政府及北大西洋公約組織的資助下開始研制人造金剛石生產(chǎn)技術(shù),并且后來居上,其獨特的工藝及設(shè)備使其生產(chǎn)的金剛石在品質(zhì)方面優(yōu)于其他兩大公司,如成品雜質(zhì)含量為2‰~3‰,單次產(chǎn)量可達800克拉,具世界領(lǐng)先水平。
我國自1963年研制成功第一顆人造金剛石,1966年投入工業(yè)化生產(chǎn),年產(chǎn)量僅1萬克拉。經(jīng)過30多年的發(fā)展,目前全國已有人造金剛石生產(chǎn)企業(yè)600多家,年產(chǎn)量達2億克拉以上,從產(chǎn)量看,我國已成為世界人造金剛石生產(chǎn)大國。我國的人造金剛石設(shè)備基本都是自己設(shè)計制造的,目前主要為六面頂壓機。6×6MN的壓機20世紀80年代中期前投入使用,現(xiàn)已大部分(大約有400臺)面臨淘汰。目前主力設(shè)備是6×8MN的壓機,現(xiàn)已有幾家工廠生產(chǎn)銷售6×12MN的壓機,這將是今后新上壓機主要選擇的機型。20世紀80年代中后期約引進20臺壓機,大多為25MN以下的兩面頂壓機,引進50MN壓機的僅個別廠家,也只有少數(shù)幾臺,大都存在尚需進一步消化吸收及原材料、主要備件國產(chǎn)化等問題。國產(chǎn)兩面頂壓機也在發(fā)展之中,25MN的壓機已投入生產(chǎn)。60MN兩面頂壓機在北京人工晶體研究所科技人員的不懈努力下,已取得突破性進展。該壓機的控制技術(shù)已高于25MN的壓機,Φ65mm大型纏繞式超高壓模具已合成出金剛石。于1996年國家批準投資數(shù)億元的中外合資項目保定八達—穩(wěn)德國際人造金剛石有限公司成立,全套引進國外先進生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù),年產(chǎn)3600萬克拉人造金剛石生產(chǎn)線于1997年建成。經(jīng)過廣大工程技術(shù)人員歷時一年半的攻關(guān),吸取借鑒國外先進經(jīng)驗,解決了引進技術(shù)不到位的問題,生產(chǎn)出了高強度大顆粒人造金剛石。但國外原材料價格昂貴,企業(yè)無力承受,因此實現(xiàn)原材料國產(chǎn)化的問題尖銳地擺在了企業(yè)面前。該公司在提高工藝技術(shù)水平、提高高品質(zhì)金剛石比率和產(chǎn)出率的同時,對合成金剛石所需40余種原材料的97.5%逐步實現(xiàn)了國產(chǎn)化,增強了產(chǎn)品在國際國內(nèi)市場上的競爭力。該生產(chǎn)線的投產(chǎn),填補了我國高強度金剛石生產(chǎn)技術(shù)的空白,標志著我國大顆粒人造金剛石生產(chǎn)跨入世界先進水平行列。
2 市場狀況
隨著20世紀70年代初人工合成的塊狀金剛石的出現(xiàn)和20世紀80年代中期膜狀金剛石進入市場,以及人造金剛石生產(chǎn)成本大幅度下降,金剛石耗用量急劇增長,目前國際市場對人造金剛石總的需求量已超過10億克拉。消費領(lǐng)域主要是石材加工、混凝土切割、機械加工、玻璃加工、地質(zhì)鉆探、石油天然氣開采以及電子工業(yè)加工半導體材料、制作拉絲模等。
20世紀90年代以前,我國人造金剛石的主要市場是機械、地質(zhì)、石油、鉆探等行業(yè),大約要占60%~70%。20世紀90年代以后,由于石材加工業(yè)的發(fā)展,帶動了人造金剛石工業(yè)的發(fā)展,用于石材加工業(yè)的人造金剛石的數(shù)量直線上升,目前其耗用量約占全國人造金剛石總產(chǎn)量的70%左右。
近年來,我國石油、天然氣開采持續(xù)熱了起來,特別是西部大開發(fā)對石油的開采、西氣東輸?shù)却笮凸こ添椖康慕ㄔO(shè),對金剛石工具需求強烈。根據(jù)近幾年的地質(zhì)鉆探任務(wù)量、水電、煤炭化工等統(tǒng)計資料推算,金剛石地質(zhì)鉆頭的市場需求量估計在15~20萬只,耗用金剛石約350~450萬克拉。石油鉆探用PCD鉆頭國內(nèi)生產(chǎn)的復合片不能滿足需求,且質(zhì)量不過關(guān),目前還需進口。因此,石油和天然氣開采業(yè)是一個看好的金剛石市場。
2000年我國汽車產(chǎn)量達到200萬輛,到2005年汽車產(chǎn)量將達到350萬輛。但到目前為止,國
內(nèi)機加工金剛石刀具很難滿足汽車行業(yè)引進的大量成套自動化生產(chǎn)線的需要,而要從國外進口。
因此,國內(nèi)機加工刀具市場是今后有潛力擴大和占領(lǐng)的市場。
近幾年,我國通訊行業(yè)、陶瓷行業(yè)發(fā)展很快,而且今后的發(fā)展前景更好,因此,拉絲膜及
陶瓷用金剛石工具會大幅度增加,潛在市場很大。
目前,我國積極開拓人造金剛石國際市場。象宜昌黑旋風牌金剛石圓鋸片基體出口德國預
計可達到100萬美元,占全部產(chǎn)品的18%~20%;而生產(chǎn)金剛石工具的老牌企業(yè)人工晶體研究所
的金剛石激光焊接圓鋸片出口美國可望突破1萬片;保定八達—穩(wěn)德金剛石有限公司的人造金剛
石出口已達500萬美元,訂貨仍絡(luò)繹不絕,產(chǎn)品銷往美國、日本、歐洲、南亞等國家和地區(qū)。
3 發(fā)展趨向
由于人造金剛石在各個工業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用,人造金剛石市場的總體需求將繼續(xù)穩(wěn)定增長,市場價格將穩(wěn)中有降,用于加工非金屬材料和工程建設(shè)的工業(yè)金剛石所占比重將繼續(xù)占主要地位,鋸片級粗顆粒高強度產(chǎn)品將繼續(xù)走俏。
根據(jù)各工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域不同使用需求制定的產(chǎn)品系列以及專用產(chǎn)品系列、規(guī)格品種進一步完善,價格低廉的中低檔人造金剛石磨料及工具產(chǎn)品在發(fā)展中國家將有較大發(fā)展。
高技術(shù)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),工業(yè)用單晶大顆粒和納米級超細微粉產(chǎn)品開始進入市場,采用單晶大顆粒人造金剛石制成單件鉆石工具在工業(yè)上得到成功應(yīng)用,表明人造金剛石在工業(yè)上全面取代天然金剛石的時代已經(jīng)到來。
低壓氣相沉積(CVD)技術(shù)取得重大進展,金剛石膜作為新型結(jié)構(gòu)材料和功能材料正進入市場,充分顯示出人造金剛石新應(yīng)用領(lǐng)域的廣闊發(fā)展前景。
靜壓法及金剛石壓機仍是當今生產(chǎn)人造金剛石最主要的方法和裝備,不同類型的合成設(shè)備各有所長,壓機大型化是人造金剛石工業(yè)發(fā)展的必然趨向。
動態(tài)法合成人造金剛石已走上工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模,新的合成方法(如液相外延法、激光法等)將引起人們的普遍關(guān)注。
隨著世界科學技術(shù)不斷發(fā)展,人造金剛石工業(yè)在世界范圍內(nèi)受少數(shù)國家(公司)壟斷的時代已經(jīng)過去,生產(chǎn)布局向多極化方向發(fā)展,亞洲將成為新世紀初期人造金剛石工業(yè)發(fā)展“熱點”地區(qū)。進入21世紀,建材、地質(zhì)、石油天然氣、機電、汽車等行業(yè)都將需要大量的金剛石,人造金剛石市場需求將更加旺盛,前景更加輝煌。
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