1頂錘是高溫高壓法合成人造金剛石等超硬材料的關(guān)鍵部件

1.1頂錘：合成人造金剛石的關(guān)鍵部件

硬質(zhì)合金頂錘是高溫高壓法合成人造金剛石等超硬材料的關(guān)鍵部件。頂錘是合成壓機(jī)內(nèi)部的重要耗材，合成壓機(jī)是生產(chǎn)金剛石單晶和培育鉆石的核心裝備。由于頂錘要承受復(fù)雜苛刻的壓縮、剪切、拉伸應(yīng)力的作用，加上加熱時(shí)瞬時(shí)錘面溫度達(dá)500～600°C，要求近萬(wàn)次反復(fù)使用壽命，因此頂錘大多采用鎢鉆系列硬質(zhì)合金制成，具有硬度高、剛性好、強(qiáng)度高、耐熱優(yōu)良的特性。隨著超硬材料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)，工業(yè)用大單晶得到廣泛應(yīng)用，疊加培育鉆石進(jìn)入消費(fèi)領(lǐng)域，形成千億級(jí)珠寶市場(chǎng)，帶動(dòng)超硬材料產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。為滿足大規(guī)格超硬材料產(chǎn)品的合成，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，壓機(jī)大型化成為超硬材料行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，六面頂壓機(jī)缸徑從550mm擴(kuò)大為850mm，甚至1100mm。壓機(jī)大型化帶動(dòng)頂錘大型化發(fā)展，為超大規(guī)格頂錘（直徑≥185mm）的應(yīng)用創(chuàng)造了良好的機(jī)遇。

合成壓機(jī)是生產(chǎn)金剛石單晶和培育鉆石的核心裝備，硬質(zhì)合金頂錘是合成壓機(jī)內(nèi)部的重要耗材。合成壓機(jī)的合成腔體可以為金剛石單晶合成創(chuàng)造一個(gè)超高溫（>1400°C）、超高壓（>5GPa）的生長(zhǎng)環(huán)境，促使活性碳原子生長(zhǎng)成穩(wěn)定的金剛石晶體。我國(guó)所采用自主研發(fā)的六面頂壓機(jī)經(jīng)過(guò)不斷的研發(fā)突破和技術(shù)改進(jìn)，其在壓機(jī)噸位、油缸結(jié)構(gòu)、油缸直徑、整機(jī)精度、同步性和控制系統(tǒng)等方面不斷提升。

硬質(zhì)合金頂錘位于產(chǎn)業(yè)鏈中部，以碳化鎢為主要原材料。上游硬質(zhì)合金產(chǎn)品鏈較長(zhǎng)，各環(huán)節(jié)都有較大的增值空間，下游人造金剛石應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可用于制作金剛石線鋸等工業(yè)制品和鉆戒等輕奢飾品。

1.2引進(jìn)硬質(zhì)合金先進(jìn)技術(shù)，錘耗逐步降低

碳化鎢占六面頂壓機(jī)頂錘質(zhì)量分?jǐn)?shù)87.5%以上。硬質(zhì)合金頂錘基本采用WC-Co（8%～10%Co，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）合金或其改進(jìn)型，在成分上并不十分特殊，但其制備技術(shù)大有考究。硬質(zhì)合金頂錘的工藝流程主要包括壓制、燒結(jié)、材質(zhì)鑒定、機(jī)加工、外觀檢測(cè)和包裝。目前國(guó)內(nèi)頂錘生產(chǎn)企業(yè)陸續(xù)引進(jìn)了冷等靜壓技術(shù)、新的濕磨工藝、壓制工藝，采用了低壓燒結(jié)等硬質(zhì)合金先進(jìn)技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品制造中的缺陷進(jìn)行了重點(diǎn)控制，產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性得到很大提高。

隨著壓機(jī)大型化及硬質(zhì)合金技術(shù)進(jìn)步，錘耗逐步下降。我國(guó)硬質(zhì)合金頂錘的質(zhì)量從最早的不足3 kg發(fā)展到現(xiàn)今50 kg左右，而且隨著頂錘直徑的加大，錘耗在逐步下降，這得益于壓機(jī)大型化的促進(jìn)，也是硬質(zhì)合金技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。隨著對(duì)人造金剛石合成設(shè)備、原輔材料、合成工藝等方面不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)和有效控制，我國(guó)六面頂壓機(jī)合成人造金剛石技術(shù)不斷取得突破性進(jìn)展，逐漸縮小與際先進(jìn)技術(shù)水平的差距，且生產(chǎn)成本明顯低于國(guó)際水平。大頂錘實(shí)際應(yīng)用效果已達(dá)到相當(dāng)高的水平，金剛石生產(chǎn)錘耗已控制在<1kg /萬(wàn)克拉，最好效果為0.15～0.3kg /萬(wàn)克拉。影響硬質(zhì)合金頂錘質(zhì)量的因素主要包括孔隙、碳含量、WC晶粒度、鈷相、內(nèi)應(yīng)力及加工應(yīng)力。

在噴霧干燥方面，濕磨+噴霧干燥生產(chǎn)工藝自動(dòng)化水平高，整個(gè)干燥流程都在密閉狀態(tài)下進(jìn)行，能對(duì)密閉設(shè)備的氧含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而確�；旌狭系难鹾�量在允許范圍內(nèi)，生產(chǎn)出的混合料流動(dòng)性能好，松裝密度穩(wěn)定，粒度分布均勻，產(chǎn)量大。在壓制成型方面，等靜壓成形是制備大規(guī)格尺寸壓坯最好的成形方式，它能有效地減少壓坯內(nèi)部孔隙，使燒結(jié)后的合金組織結(jié)構(gòu)致密、均勻，從而提高合金的抗斷裂強(qiáng)度和使用壽命。在脫蠟燒結(jié)方面，脫除成型劑、燒結(jié)、熱等靜壓一次完成的工藝，流程短，效率高，人為影響因素少，碳量控制更穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)更均勻。

2大型化和精密化是硬質(zhì)合金頂錘的發(fā)展趨勢(shì)

2.1頂錘行業(yè)主要企業(yè)情況

株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司是中鎢高新子公司。1954年開(kāi)始建廠，是國(guó)家“一五”期間建設(shè)的156項(xiàng)重點(diǎn)工程之一，被譽(yù)為“我國(guó)硬質(zhì)合金工業(yè)的搖籃”。公司目前是國(guó)內(nèi)最大的硬質(zhì)合金生產(chǎn)、科研、經(jīng)營(yíng)和出口基地，是中國(guó)鎢業(yè)及硬質(zhì)合金行業(yè)的龍頭企業(yè)。公司主要生產(chǎn)碳化鎢粉、鎢鉬制品、棒型材等各種硬質(zhì)合金產(chǎn)品，現(xiàn)有硬質(zhì)合金深加工產(chǎn)能700噸（軋輥500噸，頂錘200噸），2020年實(shí)際產(chǎn)量634噸。

洛陽(yáng)金鷺硬質(zhì)合金工具有限公司為廈門鎢業(yè)子公司，原為洛陽(yáng)鉬業(yè)的全資子公司洛陽(yáng)鉬業(yè)集團(tuán)硬質(zhì)合金有限公司，主要從事硬面材料、硬質(zhì)合金頂錘、硬質(zhì)合金輥環(huán)、復(fù)合片基體、鑿巖工具及工程工具等鎢系列產(chǎn)品的生產(chǎn)與銷售。公司頂錘產(chǎn)品以優(yōu)良細(xì)顆粒WC為原料，具有粉末粒度分布集中、雜質(zhì)含量少、合金抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)，綜合指標(biāo)處于世界先進(jìn)水平。公司采用先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，如全自動(dòng)粉末液壓成型機(jī)、德國(guó)PVA進(jìn)口低壓爐，大制品（包括頂錘、輥環(huán)）2019年產(chǎn)能為1000噸，2019年實(shí)際年產(chǎn)量為366.31噸。

橫店?yáng)|磁是中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)輪值理事長(zhǎng)單位，全國(guó)磁性行業(yè)的龍頭企業(yè)。橫店?yáng)|磁硬質(zhì)合金廠始建于1993年，建有年生產(chǎn)400噸碳化鎢粉生產(chǎn)線和200噸頂錘生產(chǎn)線，為東磁股份有限公司的骨干企業(yè)。主導(dǎo)產(chǎn)品有鎢粉、碳化鎢粉、硬質(zhì)合金，包括高速線材軋輥、頂錘等，為中國(guó)兵科院的科研合作單位，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于鋼鐵、軍工、礦山、機(jī)械電子、金剛石復(fù)合等行業(yè)。2021年，橫店?yáng)|磁硬質(zhì)合金廠已升級(jí)為合金材料事業(yè)部，該部95千克頂錘的生產(chǎn)技術(shù)已十分成熟，產(chǎn)品銷量占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額的90%以上，2021年又研制出了單只120多千克的頂錘，實(shí)現(xiàn)了該部頂錘產(chǎn)品出口零的突破。

濟(jì)南市冶金科學(xué)研究所有限責(zé)任公司是通裕重工的子公司，是我國(guó)江北地區(qū)最大的硬質(zhì)合金生產(chǎn)基地之一，主要從事硬質(zhì)合金及相關(guān)產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)和銷售，年產(chǎn)能1500噸。生產(chǎn)過(guò)程以碳化鎢、鈷粉等為原材料，通過(guò)混料、壓制、燒結(jié)、深加工等工序，生產(chǎn)包括金剛石壓機(jī)生產(chǎn)用頂錘、棒材、盾構(gòu)刀具、數(shù)控金屬切削工具等，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷美國(guó)、加拿大、意大利、德國(guó)、日本、韓國(guó)等。

2.2大型化和精密化是硬質(zhì)合金頂錘的發(fā)展趨勢(shì)

頂錘是金剛石制造過(guò)程中主要耗材之一。硬質(zhì)合金頂錘的原材料主要為碳化鎢和鈷，下游領(lǐng)域主要為人造金剛石。根據(jù)力量鉆石原材料采購(gòu)情況，2020年公司采購(gòu)頂錘金額達(dá)到1157.04萬(wàn)元，占采購(gòu)金額比重13.54%，是人造金剛石生產(chǎn)過(guò)程中主要的耗材。2020年力量鉆石采購(gòu)員頂錘單價(jià)有所升高，主要原因是合成腔體大型化，導(dǎo)致硬質(zhì)合金頂錘大型化，頂錘的重量增加，單個(gè)頂錘價(jià)格上漲。

在中國(guó)進(jìn)行金剛石等超硬材料研發(fā)中，合成設(shè)備進(jìn)行過(guò)多種類型的探索，開(kāi)始有兩面頂、四面頂、六面頂?shù)龋�后�?lái)具有中國(guó)特色的六面頂壓機(jī)挺立潮頭。由于擴(kuò)大腔體不僅能提高產(chǎn)量，更帶來(lái)質(zhì)量的提升，壓機(jī)大型化和精密化成為技術(shù)創(chuàng)新的重點(diǎn)，大型化也成為硬質(zhì)合金頂錘發(fā)展趨勢(shì)，在大單晶、PDC、NPD以及其他材料的高溫高壓合成領(lǐng)域都有著良好的應(yīng)用前景。

3人造金剛石與培育鉆石市場(chǎng)發(fā)展帶動(dòng)頂錘需求釋放

3.1頂錘下游需求以人造金剛石和培育鉆石為主

金剛石領(lǐng)域是頂錘行業(yè)的核心下游需求。頂錘作為靜壓法構(gòu)成超高壓高溫裝置合成人造金剛石的關(guān)鍵部件，多用于安裝在六面合金頂壓機(jī)活塞的大墊塊頂部，是頂壓機(jī)的核心構(gòu)件。頂壓機(jī)被廣泛應(yīng)用于制造工業(yè)金剛石與培育鉆石等領(lǐng)域，人造金剛石和培育鉆石從而成為頂錘行業(yè)的核心下游需求。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，頂壓機(jī)也逐漸用于高壓科學(xué)研究領(lǐng)域，如國(guó)內(nèi)科研所使用的一級(jí)大腔體壓機(jī)基本采用國(guó)產(chǎn)六面頂壓機(jī)，配備WC一級(jí)頂錘，在壓力低于5.5GPa、溫度低于1800K的溫壓區(qū)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，與國(guó)內(nèi)工業(yè)合成所用的六面頂壓機(jī)性能差別不大。

國(guó)內(nèi)人造金剛石的制備方法主要是高溫高壓法（HPHT）。人造金剛石的制備方法主要有高溫高壓法（HPHT）和等離子體化學(xué)氣相沉積法（PCVD）。HPHT法即在高溫高壓的環(huán)境下，石墨“自發(fā)地”變成金剛石，是人類歷史上首次成功合成技術(shù)，也是國(guó)內(nèi)目前主要方法；熱力學(xué)上HPHT和天然金剛石鉆石生成機(jī)理幾乎沒(méi)有任何區(qū)別，天然的金剛石是在地底下受到了高溫高壓生成的，HPHT法是人造了一個(gè)這樣的環(huán)境用于制備金剛石。HPHT法由于其中觸媒的存在做出來(lái)的金剛石純度往往不太理想，應(yīng)用在光學(xué)和半導(dǎo)體等領(lǐng)域時(shí)會(huì)略顯疲態(tài)。

化學(xué)氣相沉積法（CVD）是利用氣態(tài)的先驅(qū)反應(yīng)物，通過(guò)原子、分子間化學(xué)反應(yīng)的途徑生成固態(tài)薄膜的技術(shù)。CVD 沉積金剛石時(shí)使用的是700–800 °C 和3kPa 這個(gè)參數(shù)（比天然金剛石形成環(huán)境要求強(qiáng)度低很多），原因在于導(dǎo)入的氫氣可以在振蕩電場(chǎng)中生成氫原子，氫原子等會(huì)猛沖到基底表面，大量的石墨會(huì)被“濺射清洗”掉，少量的金剛石核心因?yàn)榭梢越?jīng)受這種打擊所以可以繼續(xù)長(zhǎng)大結(jié)晶。MPCVD 技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外制備單晶金剛石應(yīng)用最廣泛的方法。

3.2金剛石市場(chǎng)穩(wěn)定增長(zhǎng)，帶動(dòng)頂錘行業(yè)需求釋放

中國(guó)人造金剛石產(chǎn)量位居全球第一。自1963年12月中國(guó)合成出國(guó)內(nèi)第一個(gè)金剛石以來(lái)，在50多年的時(shí)間里，中國(guó)人造金剛石產(chǎn)量不斷提升。2000年，中國(guó)人造金剛石年產(chǎn)量第一次突破10億克拉，成為世界上人造金剛石產(chǎn)量最大的國(guó)家。2011年，中國(guó)人造金剛石年產(chǎn)量突破100億克拉，到2020年，年產(chǎn)量再次突破200億克拉，占據(jù)全球總產(chǎn)量90%以上，始終保持全球第一。在國(guó)內(nèi)，金剛石產(chǎn)量主要集中在河南省，河南產(chǎn)量占全國(guó)產(chǎn)量的80%，主要廠商中南鉆石、黃河旋風(fēng)、鄭州華晶、力量鉆石占據(jù)全球市場(chǎng)70%的份額。

來(lái)源：虎鯨報(bào)告

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