高性能纳米陶瓷复合材料刀具产业化项目可研报告.doc

高性能纳米陶瓷复合材料刀具产业化项目项目名称：高性能纳米陶瓷复合材料刀具 承担单位：东北大学教育部材料先进制备技术工程研究中心金玛分中心课题总负责人： 孙旭东 电话：024-83687787 东北大学课题负责人：修雅萌 电话：大连金玛课题负责人：刘君 电话：0411-39216878 二OO九年四月 一. 项目的背景近十多年来，新型陶瓷材料以其高强度、高硬度、耐磨削的特点，吸引了众多高速切削工具和干式（无切削液）切削工具行业的关注，但是陶瓷材料脆性大、韧性差等特性在很大程度上限制了它的应用。本项目针对我国目前陶瓷刀具产品力学性能较差，质量不稳定，无法满足我国汽车制造、飞机制造、重型机械、化工设备等领域关键零、部件加工设备数控机床要求的现状，研制开发具有自主知识产权的高性能Al2O3-Ti(C,N)、Al2O3-Ti(C,N)-TiNi、Al2O3-ZrO2等系列的纳米陶瓷复合材料刀具，其强度、韧性和耐高温性能显著高于目前国内外普遍应用的陶瓷刀具材料。本项目产品还具有价格低、综合性能好的优点，对淬硬钢铁零件，可实现高效率以车铣代磨加工，用单一工序代替多道工序，大大缩短工艺流程，并可实现高效率、高质量的车、镗和铣削加工，以及精密孔的加工，提高了加工效率和质量，减少机床占有率，特别有利于实现自动化切削加工，最终实现节能降耗的目标。二. 项目产品市场与竞争1. 国内外行业状况汽车制造工业是专用刀具应用最多的行业，也是衡量一个国家或一个刀具行业技术水平高低的标志。我国汽车生产线，特别是轿车生产线大部分是从国外引进的，而刀具全部都是随生产线进口时配套来的。现有的国内汽车生产线有美国型，欧洲型和日、韩型，以及以欧洲设备为主的自主型。目前，在中国活跃着五大刀具派系主流，一是山特系(包括山高)，山特维克公司有着庞大而复杂的刀具分支，在中国的销量最大；二是美国系，主要以肯纳Kennametal、英格索尔、万耐特等为代表；三是欧洲系，主要以德国为主，包括 MAPAL、Guehring、Widia、TITEX、瓦尔特等；四是日韩系，包括三菱、住友、东芝、OSG、黛杰、不二越、日立等，以及韩国的Taegutec、KORLOY公司；五是以色列系，主要是ISCAR(伊斯卡)。这些公司几乎填满了市场空间，在一些大型汽车制造厂，国产化刀具可能只占总项目的10%左右。 据有关资料显示，2007年我国共进口各类刀具产品23,364件，比上年增加64%；进口刀具购置费高达28,516万美元，比上年增加 87%。这些数字说明，国产刀具还远远赶不上机床主机的发展。在市场经济全球化趋势愈加显着的今天，明确与国际先进水平的差距，找准刀具制造界的发展趋势并迎头赶上具有重要意义。2. 产品市场容量在美国，陶瓷刀具占全部刀具市场份额的3%4%，在日本该份额为8%10%，在德国约为12%。在一些特殊的加工过程中，陶瓷刀具所占的比例更大。今后陶瓷刀具占整个刀具市场的份额可能增加到15%20%。目前，我国刀具市场的容量约为20亿人民币，但其中陶瓷刀具只占1%3%。可见陶瓷刀具的应用在我国还有极大的上升空间，随着我国汽车等装备制造业的发展及高速切削技术和干切削技术的推广，陶瓷刀具在我国刀具市场的占有率会逐年上升，在装备制造业领域有广阔的应用前景。3. 目标市场随着我国装备制造行业的快速发展，自动化水平的飞速提高，国内加工企业对先进制造装备和先进刀具的需求越来越多，陶瓷刀具尤其是高性能纳米陶瓷材料刀具的国内市场将迅速发展壮大。用纳米技术制备的纳米陶瓷复合材料刀具其性能得到了巨大的改变，加工工件的硬度可高达HR67的超硬材料，刀具耐用度为硬质合金的几倍到几十倍，对有代表性的45钢、不锈钢、高合金耐磨铸铁、冷硬铸铁、合金钢等被加工材料制成的零件，如汽轮机转子、缸体、电机转子、中环，冶金机械轧辊，轴承零件，飞机零件，球磨机衬板，汽车的箱体件、刹车毂、活塞、喷焊棍子、轧辊、导辊等可实现高效、大切削量的切削，提高切削效率2-10倍，并可进行高速切削，实现以车铣代磨，达到节约工时、电力、机床占用台数40%80%或更高的效果。本项目的目标市场之一为汽车制造行业。近年来，随着我国经济的高速发展，对汽车的需求量持续增长，汽车及汽车零部件制造业已成为金属切削机床和工具行业最大、最重要的用户。项目的实施可以替代进口，降低加工成本。项目的目标市场之二是数控机床的配套产品。“十一五”期间，中国数控机床产业将步入快速发展期，中国数控机床行业面临千载难逢的大好发展机遇，根据中国数控机床1996-2005年消费数量，通过模型拟合，预计2009年数控车床销售数量将达8.9万台，年均增长率为16.5%。根据中国加工中心1996-2005年消费增长模型，预计2009年加工中心消费数量将达2.8万台，较2005年年均增长率为17.8%。到2010年，国产数控机床将占国内市场需求的50%以上；功能部件配套齐全，自给率达60%；关键功能部件将实现产业化；高精度数字化测量仪器和数控刀具将得到发展，为中高级数控机床配套。2010年国内有自主知识产权的数控系统占数控机床总产量的75%。机床与刀具的发展是相辅相成、相互促进的。刀具是由机床、刀具和工件组成的切削加工工艺系统中最活跃的因素，因此机床的发展并将为陶瓷刀具发展提供一个广阔的空间。三、项目技术成熟性项目技术基础源自东北大学孙旭东教授承担的“纳米陶瓷复合材料的研究（省重大基础研究项目）”和“多功能纳米陶瓷复合材料研究（国家杰出青年科学基金项目）”。目前具有发明专利技术两项，其中一项已经授权。本项目在研究多年的基础上，成功开发出高性能纳米陶瓷粉体和复合材料，先后开发出性能优良、分散良好、烧结活性高的a-Al2O3、TiC、TiN、Ti(C,N)纳米粉体，并实现批量生产。利用自制的纳米粉体，制备出性能优良的Al2O3-Ti(C,N)-TiNi和Al2O3/ZrO2纳米复合材料。其中，Al2O3-Ti(C, N)-TiNi三维网状纳米陶瓷复合材料体系的抗弯强度达到600-1000 MPa，断裂韧性为7-13 MPa m1/2, 维氏硬度为20-24 GPa，明显高于普通Al2O3陶瓷刀具材料（400500 MPa）和常用的Al2O3-TiC陶瓷刀具材料（700 MPa）。Al2O3-ZrO2纳米复合材料的抗弯强度为820MPa，断裂韧性为7.8 Mpa m1/2。纳米陶瓷复合材料性能均显著超过了国际上陶瓷刀具的标准。目前，已经研制出纳米陶瓷复合材料的刀具产品（图1），对45#淬火钢的加工实验表明，纳米陶瓷刀具具有良好的切削性能（图2）。专利号码专利名称专利类型专利权人进展情况专利范围名称性质与项目单位关系200510046548.0一种Al2O3/ZrO2(Y2O3)纳米陶瓷刀具材料及制备方法发明专利东北大学单位合作关系已颁发专利证书国内专利200810010648.1氧化铝-碳氮化钛-钛镍复合材料及其制备方法发明专利东北大学单位合作关系已签发受理通知书和专利申请号国内专利图1 纳米陶瓷复合材料刀具具图2 纳米陶瓷复合材料刀具切削的淬火钢样品四. 项目的可行性分析1技术上的可行性本项目开发的Al2O3/ZrO2纳米陶瓷刀具及Al2O3-Ti(C,N)-TiNi是东北大学研究多年的技术成果。本项目的关键技术是是纳米陶瓷复合材料的制备技术。经过多年的研究该技术已经基本成熟，并已通过中试生产，证明该技术完全适合进行大批量的工业化生产。另外，Al2O3/ZrO2纳米陶瓷刀具已经获得国家发明专利（专利号ZL 200510046548.0），Al2O3-Ti(C,N)-TiNi纳米陶瓷复合材料已经申请国家发明专利（申请号：200810010648.1，公开号：CN101239814A）。因此，本项目在技术上是可行的。2项目的竞争优势国外陶瓷刀具生产公司主要有德国的Ceramtech公司，日本京瓷Kyocera公司，日本Mitsubishi公司、日本的Tungaloy公司、瑞典的Sandvik公司、以及美国的Valenite公司，部分公司在我国设立了销售办事处和生产基地，上述公司产品品牌知名、性能稳定，但是价格比国内同类产品高50%以上。纳米陶瓷复合材料刀具已经成为这些陶瓷刀具公司的研发热点，其中日本已经有纳米复合材料刀具产品，但是价格昂贵，而且对一些特殊要求的刀具生产周期长，不能满足刀具使用者的需要。我国生产陶瓷刀具的主要厂家有：清华紫光方大技术陶瓷有限公司，重庆利特高新技术有限公司，山东工陶院等。目前国内几家公司的年产量已达百万片的规模，但在产品质量的一致性、应用的广泛程度以及品牌及品种的多样性方面与世界各先进国家相比还有很大的差距。主要表现在品牌不响、品种少、纯度低、性能不稳定等。所以到目前为止，国内陶瓷刀具应用市场主要被国外众多知名公司的陶瓷刀具产品所垄断。目前日本的京瓷(Kyocera)公司的陶瓷刀具在中国和国际市场都占有相当的份额。京瓷(Kyocera)公司生产的Al2O3基陶瓷刀具KA30其 硬度17.5 GPa，断裂强度4.0 MPa m1/2 抗弯强度750 MPa；ZrO2增韧陶瓷刀具的断裂强度4.0 MPam1/2 ，抗弯强度590 MPa；Al2O3-TiC复合陶瓷A65，其硬度20.6 GPa，断裂强度4.5 MPam1/2 ，抗弯强度780 MPa。本项目研究的Al2O3-ZrO2纳米陶瓷材料复合刀具的抗弯强度800MPa，断裂韧性 7.8 MPam1/2，维氏硬度20 GPa，性能明显高于日本京瓷(Kyocera)公司的Al2O3基陶瓷刀具KA30和ZrO2增韧陶瓷刀具SN60。本项目研究的Al2O3-35%Ti(C,N)-12%TiNi纳米陶瓷复合材料刀具的硬度21 GPa，抗弯强度816 MPa，明显高于日本京瓷(Kyocera)公司的Al2O3-TiC复合陶瓷刀具A65的硬度和强度；断裂韧性为10 MPa，是日本京瓷(Kyocera)公司的Al2O3-TiC复合陶瓷A65的2.2倍。但本项目刀具的价格仅是日本京瓷(Kyocera)公司同类产品价格的1/22/3。国内厂家生产的陶瓷刀具均为传统的Si3N4系列和Al2O3-TiC系列刀具。本项目开发的具有自主知识产权的新一代AlO3-ZrO2和Al2O3-Ti(C,N)-TiNi等系列的高性能纳米陶瓷复合材料刀具，其性能明显优于传统的陶瓷刀具，具有性能优越、价格低廉、性价比高的特点，具有很强的竞争能力。五、 项目投资概算为了避免投资风险，本项目采取两步走的方法，第一步企业先进行到陶瓷刀具的毛坯，加工通过外委进行；第二步根据刀具的试验、使用及市场情况，有选择性的进行加工设备的配套及购置。（一）生产工艺流程原料+辅助材料毛坯烧结装模造粒混合成品检验外委加工检验（二）必备的条件厂房：生产车间：300m2, 辅助设施：50m2，合计350 m2；（本企业现有）人员：技术员3名，管理人员2名，工人10人（配合）；（本企业和分中心整合）设备：混料机1台（配2个罐）；喷雾造粒机1台；模具1套；（需要外购） 160KVA热压烧结炉1台（本企业现有）（三）成本及效益毛坯成本预计：按年产20万件计算，原辅材料6.75元/件；燃料动力1.0元/件；人工及福利0.44元/件；模具2.2元/件；修理费0.3元/件；折旧费1.25元/件；合计：11.94元/件。加工费预计：按年产20万件计算，约15元/件。合计：26.94元/件管理费用：按成本的8%为2.16元/件；财务费用：按总投入的3%计算约0.6元/件；销售费用：按成本的15%为4.04元/件；总计：33.74元/件。售价：50.00元/件利润：16.26元/件，销售利润率：32.5%。年实现利润325.2万元。六、结论 本项目的开发源自公司与主业相关约束的产品多元化思路，在考虑充分利用公司现有资源的条件下，开发更多的产品，使资源效益最大化，提高公司抵御市场风险的能力。 由于公司是新涉足陶瓷刀具领域的企业，面对基本成熟的市场结构，建议在进行较为充分的市场调研的基础上，最终确定项目产品的产能规模，分阶段的产业化；同时应加大市场的宣传、推广力度，加强产品的质量观念，提高产品的技术水平和性能可靠度，采取逐步渗透的办法，现将产品推广到公司社会关系能够触及到的中小设备制造、机械加工企业，待用户满意后，再进行大企业乃至世界范围的销售；通过以上措施确保该项目的成功运作，真正实现替代进口的目标。 项目符合国家产业政策规定的发展方向，应用领域明确，市场明朗。