胡耀斌,龐前列,彭毅萍

我國硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

胡耀斌1,2,龐前列1,2,彭毅萍1,2

(1.東莞勁勝精密組件股份有限公司,廣東東莞 523848;2.東莞華晶粉末冶金有限公司,廣東東莞 523848)

通過對硬質(zhì)合金的發(fā)展歷程、材料體系及產(chǎn)品應(yīng)用的簡要介紹,分析了我國硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,探討了發(fā)展過程中存在的問題與不足,同時展望了我國硬質(zhì)合金今后的發(fā)展方向。

硬質(zhì)合金；綜述；發(fā)展現(xiàn)狀；展望

1 前言

硬質(zhì)合金是一種以微米級難熔金屬化合物(WC、TaC、TiC、NbC等)粉末為基體,并引入過渡族金屬(Co,Fe,Ni)為燒結(jié)粘結(jié)相,通過調(diào)整材料體系配方、壓制成型,并在一定保護(hù)氣氛下經(jīng)高溫?zé)Y(jié)等粉末冶金方法制備的一種金屬陶瓷材料[1,2]。美國材料與實驗協(xié)會(ASTM)將硬質(zhì)合金定義為由15～85(vol%)的一種或多種陶瓷相組分與金屬或合金在一定溫度下相互溶解滲透而成的一種復(fù)合材料,這種復(fù)合材料常見的有WC基和TiC基兩大體系。日常生活中,我們通常所指的硬質(zhì)合金是WC基金屬陶瓷,該材料具有較高速鋼更高的耐磨性與紅硬性,以及較超硬材料更佳的韌性,被廣泛應(yīng)用于切削工具、工程機(jī)械、耐磨耐腐零件、石油礦山鉆具等國民經(jīng)濟(jì)的各大領(lǐng)域,被譽為“工業(yè)的牙齒”。

硬質(zhì)合金作為20世紀(jì)初的一種新興材料,是由德國人Schroter于1923年用傳統(tǒng)粉末冶金方法發(fā)明制造的,并申請發(fā)明專利。到1926年,德國Krupp公司開始規(guī)?；a(chǎn)一種WC-Co的硬質(zhì)合金,該材料具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、耐磨損、耐腐蝕、具有低熱膨脹系數(shù)以及高化學(xué)穩(wěn)定性,后來將其命名為“WIDIA”[3,4]。“WIDIA”因其優(yōu)異的材料特性,逐步發(fā)展并應(yīng)用于生產(chǎn)生活中的多個領(lǐng)域,隨后不久在美國、奧地利、瑞典、蘇聯(lián)及日本等國也得到快速發(fā)展。經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展,硬質(zhì)合金的材料體系越來越豐富,產(chǎn)品制備的技術(shù)含量越來越高,生產(chǎn)規(guī)模也越來越大,出現(xiàn)了譬如美國Kennametal、日本Mit-subishi Materials、瑞典Sandvik、以色列Iscar等世界級的跨國公司,以及國內(nèi)以株硬集團(tuán)、自硬公司和廈門鎢業(yè)等為代表的一大批優(yōu)秀民族企業(yè)。本文主要就中國硬質(zhì)合金的發(fā)展?fàn)顩r及對未來的發(fā)展進(jìn)行簡要分析和探討。

2 世界硬質(zhì)合金的發(fā)展歷程

硬質(zhì)合金的研究開發(fā)最早起源于西歐,是德國科學(xué)家為尋找高速鋼的取代材料而對難熔化合物進(jìn)行的研究。從1893年成功制備高熔點、高硬度的碳化鎢開始,我們將硬質(zhì)合金的發(fā)展分為以下四個階段:

第一階段:19世紀(jì)末,德國科學(xué)家利用三氧化鎢和糖高溫制備碳化鎢,這是硬質(zhì)合金的開端。由于純碳化鎢材料脆性大、易開裂,該材料一直未得到工業(yè)應(yīng)用。

第二階段:1923年,德國科學(xué)家Karl Schroter研究將少量鐵族金屬與碳化鎢混合后在氫氣中高溫?zé)Y(jié),制備出了韌性較好的材料,并研究出WC-TiC -TaC-Co等新型體系。該工藝的發(fā)明,標(biāo)志著硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)化的開端。我國硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)起步較晚, 1958年株洲硬質(zhì)合金廠的建立才使中國硬質(zhì)合金行業(yè)走向產(chǎn)業(yè)化的開端。

第三階段:20世紀(jì)60年代末,德國Krupp公司采用化學(xué)沉積的方法率先成功開發(fā)了硬質(zhì)合金涂層。該工藝的發(fā)明標(biāo)志著硬質(zhì)合金開始進(jìn)入薄膜發(fā)展時代,這大大提升了資源利用和刀具的使用壽命,拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域,促使硬質(zhì)合金的發(fā)展進(jìn)入技術(shù)創(chuàng)新黃金期,先后成功研制了中、高溫化學(xué)氣相沉積,物理氣相沉積以及等離子體化學(xué)氣相沉積等先進(jìn)技術(shù)。目前世界上在售的硬質(zhì)合金刀具大約有一半是使用涂層工藝。

第四階段:20世紀(jì)90年代以后,硬質(zhì)合金進(jìn)入市場繁榮期。世界硬質(zhì)合金年產(chǎn)量達(dá)到4萬噸左右,中國年產(chǎn)量1.5萬噸左右,已成為第一大生產(chǎn)大國。在生產(chǎn)規(guī)模上,中國的生產(chǎn)廠家超200余家,其中年產(chǎn)100t以上的主要生產(chǎn)企業(yè)30余家;在產(chǎn)品升級和技術(shù)創(chuàng)新方面,形成了以中南大學(xué)粉末冶金國家重點實驗室為代表的一大批科研院所和企業(yè)工程技術(shù)中心[5]。在科研方面,中南大學(xué)陳紹衣教授等進(jìn)行了紫鎢工藝的研究,并于1994年發(fā)表了相關(guān)的研究報道; 1997年,廈門金鷺特種合金有限公司成功突破了紫鎢工藝制備超細(xì)W粉、WC粉的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)[6]。

3 硬質(zhì)合金的分類

目前來說,硬質(zhì)合金通常可分為以下四大類:①YG類(WC-Co類):該類硬質(zhì)合金制造的刀具具有較好的韌性、耐磨性、導(dǎo)熱性等,主要用于礦山工具、耐磨零件,及金屬的加工工具。②YT類(WC-TiC -Co類):由于加入了TiC成分,材料的硬度和耐磨性有所提高。該類硬質(zhì)合金具有高硬度和高耐熱性,抗粘結(jié)、抗氧化能力好,加工時磨損小,耐用度高,主要用于鋼材的切削加工。③YW類(WC-TiCTaC-Co類):在YT中加入TaC,提高了材料的強(qiáng)度、韌性和紅硬性。該類硬質(zhì)合金材料具有很高的高溫硬度、高溫強(qiáng)度和較強(qiáng)的抗氧化能力,特別適宜于加工各種高合金鋼、耐熱合金和各種合金鑄鐵。④硬質(zhì)合金涂層類:在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上,通過CVD(化學(xué)氣相沉積)、PVD(物理氣相沉積)、HVOF (High Velocity Oxy-Fuel Thermal Spraying)等方法涂覆一層很薄的耐磨化合物,可使基體的強(qiáng)韌性與涂層的耐磨性相結(jié)合而提高硬質(zhì)合金刀具的綜合性能,此外,涂層產(chǎn)品尺寸精度高、斷屑效果好,特別適宜用于FMS、CIMS(計算機(jī)集成制造系統(tǒng))等自動化加工[7-10]。

4 中國硬質(zhì)合金發(fā)展現(xiàn)狀及問題點

中國硬質(zhì)合金工業(yè)起步較晚,中華人民共和國成立前基本沒有硬質(zhì)合金生產(chǎn)。中國硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展與國家戰(zhàn)略政策的扶持,以及開放的市場經(jīng)濟(jì)的調(diào)控作用,逐步形成了生產(chǎn)、研發(fā)、貿(mào)易一整套完整的工業(yè)體系?！笆晃濉币詠?國家先后給予硬質(zhì)合金生產(chǎn)企業(yè)“技術(shù)引進(jìn)”、“技術(shù)開發(fā)”、“聯(lián)合攻關(guān)”等多種主題和形式的支持,大大提升了我國硬質(zhì)合金企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)與工藝裝備水平,縮短了與國際先進(jìn)水平的差距。目前,硬質(zhì)合金的硬度已達(dá)93～98HRA,在1000℃的高溫下仍具有較好的紅硬性,其耐用度是高速鋼的幾十倍,幾乎已發(fā)展成為所有工業(yè)產(chǎn)業(yè)和新技術(shù)領(lǐng)域中不可或缺的工具和結(jié)構(gòu)材料。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展,中國硬質(zhì)合金經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展,市場十分活躍,已成為世界硬質(zhì)合金的第一生產(chǎn)大國。調(diào)查顯示,2012年,中國硬質(zhì)合金產(chǎn)量為2.35萬噸,出口近5000噸,銷售收入209億元,到2015年,整體行業(yè)銷售收入總額突破人民幣1400億元,其中硬質(zhì)合金深加工占總量的1/3。中國硬質(zhì)合金工業(yè)主要集中在湖南、四川,兩省產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的近60%;其次是浙江、江西、福建、江蘇和山東,約占國內(nèi)市場規(guī)模的8%～12%[3,5]。1958年由蘇聯(lián)援建而成的601廠(即株洲硬質(zhì)合金廠),現(xiàn)已發(fā)展成為國內(nèi)硬質(zhì)合金工業(yè)的龍頭企業(yè)。其他還有一些中小企業(yè)分布在河北、上海、天津、黑龍江、遼寧、廣西和湖北等地。

隨著硬質(zhì)合金體系的不斷完善,國內(nèi)逐步形成了企業(yè)、科研院所和高校相結(jié)合的多層次研究體系,在國家科研基金及科研戰(zhàn)略的支持下,形成了以中南大學(xué)粉末冶金研究院為代表的一大批國家級重點實驗室和企業(yè)研發(fā)及技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心。此外,中國硬質(zhì)合金企業(yè)的另一個特點是,國外強(qiáng)勢企業(yè)也加快了對中國市場的滲透,如美國肯納金屬公司、以色列伊斯卡金屬切削集團(tuán)、山特維克集團(tuán)、瑞典的意大利SAMP公司、日本株式會社泰珂洛等跨國企業(yè)分別在天津、河北、大連、上海、廣州等地投資建廠,中國硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)形成了國有、民營、外商獨資、中外合資等多種形式并存的局面。

雖然我國硬質(zhì)合金工業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展和進(jìn)步,部分大中型企業(yè)也進(jìn)行了裝備改良,并引進(jìn)和自主開發(fā)了一些先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和分析檢測儀器,但與國外先進(jìn)企業(yè)如Sandvik,Kennametal等相比,仍有比較大的差距。目前來說,我國硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中主要存在如下幾個問題:

問題一:產(chǎn)品結(jié)構(gòu)失衡,產(chǎn)業(yè)集中度不高。中國雖然作為硬質(zhì)合金生產(chǎn)制造大國,但產(chǎn)品均以中低檔為主,且硬質(zhì)合金企業(yè)“多”、“散”、“小”的狀況依然未有根本性轉(zhuǎn)變,產(chǎn)業(yè)集中度偏低,國際競爭力不強(qiáng)。沒有形成集中度很高的大型制造企業(yè),據(jù)不完全統(tǒng)計,年產(chǎn)量在1000噸以上的企業(yè)目前只有3家。

問題二:高端產(chǎn)品比重不足,結(jié)構(gòu)調(diào)整任重道遠(yuǎn)。由于我國沒有真正建立硬質(zhì)合金行業(yè)準(zhǔn)入門檻,發(fā)展比較盲目,中低檔產(chǎn)品產(chǎn)能過剩。但高精度刀具、模具、工程機(jī)械配件等高附加值產(chǎn)品數(shù)量少、品種不全、比重低。目前國外幾家先進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品在中國市場的占有率按重量計算不到中國硬質(zhì)合金的1.5%,但年銷售總額卻占中國硬質(zhì)合金銷售總額的10%以上。

問題三:產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)突破不足,整體創(chuàng)新能力不強(qiáng)。我國硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)研發(fā)設(shè)備與儀器不夠先進(jìn),原創(chuàng)性核心技術(shù)成果少,技術(shù)集成度低,行業(yè)整體創(chuàng)新能力不足、核心競爭力不強(qiáng)。

問題四:廢舊合金回收利用率低。近年來,國內(nèi)硬質(zhì)合金企業(yè)意識到礦產(chǎn)資源的不可再生的重要性,多數(shù)企業(yè)開始注重廢舊合金的回收利用。目前為止,廢舊合金利用率約占全年總產(chǎn)量的20%左右。

5 中國硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)展望

中國經(jīng)濟(jì)總體保持平穩(wěn)較快增長,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級轉(zhuǎn)型將是我國現(xiàn)在及今后一段時間內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主線。國內(nèi)消費投資需求和市場規(guī)模擴(kuò)大將推動經(jīng)濟(jì)增長由外需主導(dǎo)導(dǎo)向內(nèi)需轉(zhuǎn)變,隨著國民經(jīng)濟(jì)快速增長,硬質(zhì)合金需求也將因此保持高速增長。結(jié)合我國硬質(zhì)合金工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,建議重點從以下四方面實現(xiàn)新的突破:

(1)制造裝備及加工技術(shù)創(chuàng)新升級。中國的硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)經(jīng)過不斷的技術(shù)引進(jìn)與改造,以及“重點突破”科研攻關(guān),出現(xiàn)了一大批的先進(jìn)制造技術(shù)(見表1)。長遠(yuǎn)來看,提升整體裝備水平是中國硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的必經(jīng)之路,尤其是用于生產(chǎn)制造高附加值深加工產(chǎn)品的高端裝備,從而推動產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化與產(chǎn)業(yè)升級,提升產(chǎn)業(yè)競爭力,占據(jù)高端產(chǎn)品市場。比如,低壓熱等靜壓低成本制備成本技術(shù)的突破,硬質(zhì)合金制品向高精密化、小型化、異形化的發(fā)展,等等。

表1 硬質(zhì)合金先進(jìn)制造技術(shù)Table 1 Advanced manufacturing technology of cemented carbide

(2)晶粒的細(xì)化、超粗晶粒硬質(zhì)合金的制備。超細(xì)晶硬質(zhì)合金的特點是具有高韌性和高耐磨性(如表2)[11],主要用于鑄鐵、鑄鋼、有色金屬等工件的精車、銑削和各種孔加工刀具,最新的納米晶合金可以磨制直徑小于0.2mm的微型鉆頭和銑刀;超粗晶粒(晶粒度≥5.0μm)的硬質(zhì)合金目前尚屬研發(fā)階段,該材料具有較高的熱導(dǎo)率和抗熱沖擊及抗熱疲勞性能。

表2 不同晶粒度WC硬質(zhì)合金刀具性能[11]Table 2 Performance of WC cemented carbide cutter of different grain size

(3)功能涂層的制備。涂層硬質(zhì)合金具有較基體更高的硬度和耐磨性(如表3)[12],同時又有韌性較好的基體保證,涂層硬質(zhì)合金是近年來硬質(zhì)合金領(lǐng)域中取得的偉大成就之一。但是,耐磨性和韌性間的互斥性是硬質(zhì)合金的本質(zhì)缺陷,很多產(chǎn)品服役情況下均很難滿足工作要求,很容易在相界處出現(xiàn)涂層剝落或龜裂現(xiàn)象。賀躍輝等研究發(fā)現(xiàn),對WC+Co涂層進(jìn)行合理滲碳處理后,在顯微組織空間形成梯度分布,在保證耐磨特性的情況下大大提高了抗沖擊韌性和斷裂韌性[13]。

表3 常用基本涂層的材料性能[12]Table 3 Material performance of common basic coating material

(4)保護(hù)和合理利用稀缺礦產(chǎn)資源。硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)是高度依賴資源的一類產(chǎn)業(yè),資源對硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展影響巨大,循環(huán)經(jīng)濟(jì)和再生回收技術(shù)成為了當(dāng)前的熱點。為緩解鎢資源稀缺所帶來的壓力,對廢合金進(jìn)行回收純化、高效循環(huán)利用技術(shù)開發(fā),實現(xiàn)資源綜合開發(fā)再利用、企業(yè)向環(huán)保經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變。

結(jié) 論

眾所周知,鎢是一類非常重要的國家戰(zhàn)略資源。實現(xiàn)鎢資源的高效與高值化利用,是一項關(guān)乎國家穩(wěn)定的技術(shù)性政治策略。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)規(guī)模高速發(fā)展,經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化,給我國硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了很好的機(jī)遇與環(huán)境。因此,我國硬質(zhì)合金企業(yè)應(yīng)當(dāng)抓住當(dāng)前的市場機(jī)遇,轉(zhuǎn)變觀念,增強(qiáng)市場競爭意識,調(diào)整產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)變增長和盈利模式,進(jìn)而提升我國在硬質(zhì)合金行業(yè)的整體經(jīng)營水平與核心競爭力,實現(xiàn)我國硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)的再次飛躍。

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The Development status and Outlook of Cemented Carbide Industry in China

HU Yao-bin1,2,PANG Qian-lie1,2,PENG Yi-ping1,2
(1.Dongguan JANUS Precision Components Co.Ltd,Dongguan,Guangdong,China 523848; 2.Dongguan Huajing Powder Metallurgy Co.,Ltd.,Dongguan,Guangdong,China 523848)

The development status of the cemented carbide industry in China has been analyzed through the brief introduction of its development history,material system and product application.Meanwhile,the main problems and shortcomings existed in its development process have been discussed and the development trend of the cemented carbide industry in China has been predicted.

cemented carbide;overview;development status;outlook

TQ164

A

1673-1433(2017)04-0055-04

2017-05-20

胡耀斌(1984-),男,材料學(xué)碩士研究生,主要從事超硬材料、粉末冶金等產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用研究。

胡耀斌,龐前列,彭毅萍.我國硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].超硬材料工程,2017,29(4):55-58.