□青岛日报/观海新闻记者 周 伟 通讯员 肖玲玲
“手机外壳的边缘为什么这么光滑？弧度为什么会这么平滑？这都是用铣刀铣出来的，我们最先进入的就是硬质合金铣刀钻头加工行业。”近日，在位于青岛高新区松园路上的磐维科技（青岛）有限公司内，公司总经理李培亮在介绍超硬磨具的作用时，以手机为案例作了简单说明。超硬磨具被誉为先进制造领域不可或缺的“工业牙齿”，是现代制造业实现精密加工、超精密加工最有效、应用最广的制造技术，其重要性不言而喻。
航空航天、光伏与电子信息等领域里的各种高难材料加工问题，在超硬磨具面前都能迎刃而解。然而，这个领域的高端市场一直被进口产品垄断，甚至有些关键产品还对我国禁售。国内超硬磨具技术虽然一直在发展，但仍存在在线修整困难，传统产品结合剂对磨料把持力不足。获评2021年度全国颠覆性技术创新大赛优胜项目的磐维科技通过自主研发，颠覆传统热压烧结工艺，走出了结合剂技术的创新之路，新一代金属基多孔超硬磨具应运而生，填补了国内高端磨具行业的空白。
攻克传统超硬磨具技术“硬伤”
超硬磨具，简单来讲就是将金刚石和立方氮化硼两种超硬磨料固结成型，制造成各种磨削工具。超硬磨具寿命是普通磨具的300倍以上，工作效率是其6到8倍。但因其难以在线修整，一直无法实现全部替代普通磨具。
“对于超硬磨具来说，磨料就是金刚石和立方氮化硼两种超硬材料，结合剂和孔隙是目前传统超硬磨具面临的难题。”李培亮说，传统磨具主要是树脂、陶瓷、金属等作为结合剂，全部都是通过物理方式将磨料包埋在结合剂中。但在加工过程中，结合剂对磨料的把持是有限的，不仅容易造成产品受损，更影响磨具寿命，同时传统超硬产品无孔隙、易堵塞、冷却差，最重要的是无法在线修整，需要停下生产线修整，难以满足复杂形状的成型磨削。
磐维科技所攻克的是传统超硬磨具技术“硬伤”。通过三年多时间、几千次实验，磐维科技成功研发出一种全新的合金体系，对金刚石和立方氮化硼两种超硬磨料都有非常优秀的浸润性，因为是超硬磨料和结合剂之间的化学冶金结合，颠覆了传统工艺中结合剂对磨料的物理包埋，被称为新一代金属基多孔超硬磨具，弥补了传统超硬磨具无孔隙和无法在线修整的缺点。
据介绍，磐维科技研发的新一代金属基多孔超硬磨具，使超硬材料和结合剂金属成分产生化学冶金反应，形成合金过渡层，不但能大幅提高磨料把持度，使之寿命延长、不易脱落，并能在烧结过程中产生40%的孔隙率。这使磨具具备了重要的几个优势：一是在磨削过程中，孔隙赋予了产品超强的容屑能力，不易发生堵塞；二是冷却液可以全部浸注在孔隙中，赋予产品超强的冷却效果，不易烧伤工件；三是赋予了产品超强的自锐性，避免出现传统磨具钝化的问题。“第四个优势是具有里程碑意义的突破，可满足各种在线修整方式，实现高效成型磨削，完全替代普通磨具。”李培亮说，这一关键技术不仅获得两项发明专利，拥有完全自主知识产权，还颠覆了传统的生产工艺。
帮助客户整体生产成本降低45%
李培亮介绍，新一代金属基多孔超硬磨具多气孔蜂窝状的结构，匹配磨粒与金属基体冶金结合带来的超强把持力，使产品具有独一无二的容屑能力和冷却效果以及超出想象的锋利度和自锐性，可广泛应用于各种硬脆和粘附性强的难加工材料的磨削，包括航空发动机钛合金和高温合金等关键零部件的磨削、硬质合金刀具和丝锥、金属陶瓷刀具、高速钢工具系列、汽车凸轮轴曲轴、精密轴承和齿轮以及蓝宝石衬底和单晶硅等广泛磨削加工行业。
其中，硬质合金铣刀和车刀是制造业基础工具，应用广泛，但硬质合金铣刀、钻头加工强力开槽砂轮几乎以进口品牌为主。而高速钢刃具往往由于砂轮需要在线修整成型，无法采用高效的立方氮化硼超硬磨具，而是普遍采用附加值较低、易耗的低端刚玉类磨具。李培亮告诉记者，企业在上海的一家客户企业此前使用刚玉类磨具加工大尺寸高速钢钻头，每加工一支就需要修整一次，严重影响生产效率，而使用磐维产品后，每加工300支才修整一次，磨床功率大大降低，冷却液更换周期大幅延长，产品质量得到提升的同时还降低了一线工人劳动强度。据客户评估，在磐维产品价格超过传统产品价格十余倍的情况下，整体生产成本仍降低45%。
半导体晶圆行业的发展同样离不开超硬磨具的助力，其精密磨削加工必须保证晶圆的光洁度和平行度，同时整个晶圆不得有任何细微的裂纹，这就对所使用的金刚石磨具提出了很高的要求。目前，该领域高端金属结合剂产品市场主要被外国产品占据。磐维科技正利用自身结合剂优势，与青岛、深圳几家公司合作研发用于蓝宝石芯片减薄抛光的金刚石磨盘。目前，部分技术指标已经达到与进口产品相当的水平，后续研发仍在进行中，最终将突破半导体硅晶圆的磨削加工。
让国产超硬磨具真正广泛应用于先进制造业，需要核心关键技术的突破。“为此，磐维科技与中科院金属所、东北大学、北京理工大学重庆创新中心、湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心等相关领域的科研国家队建立了紧密的产学研用一体化联系。我们会继续发扬工匠精神，不忘助力国家精密制造业的初心。” 李培亮说。