土建及矿用硬质合金市场与技术分析

2011-01-25周建华

凿岩机械气动工具 2011年4期

周建华

（中南大学长沙中南凯大粉末冶金有限公司，湖南长沙410083）

1 我国矿用硬质合金仍有较大的发展空间

所谓土建及矿用硬质合金包括球齿、截煤齿、钎片、冲击钻片、铲雪齿、盾构刀头和石料破碎工具等。在国家制定的“十二五”规划中，交通运输、水利电力、能源基地建设、城市化建设、国家生态环境建设以及国防建设等领域还要继续发展，可以认为土建及矿用硬质合金市场仍将有良好的发展空间［1］。在今后相当长一段时间内，土建及矿用硬质合金整体向好的趋势发展。

随着近年来城镇人口的不断增加和汽车购买数量增加。我国大中型城市的地铁建设将成为改善城市交通拥挤的首选项目。目前，我国省会城市开工建设地铁工程已有十几个。可以预计，在今后10～15年内将是我国城市地下铁路建设的高峰时期。可想而知，地铁工程将使用更多硬质合金盾构刀头。

根据国家“中长期铁路网规划”方案，到2020年我国的铁路运营里程要达到10万km以上。到2020年要构成中心城市向外放射的以及横连东西，纵贯南北的公路交通网，包括7条首都放射线，9条南北纵向线和18条东西横向线，总规模大约有8.5万km。另外，城际快速铁路的修建、高速铁路工程建设的不断开工，都需要大量的石料和建筑材料，因此交通运输行业工程建设在今后5～10年中仍然是今后钎钢钎具产品所需矿用硬质合金的主要市场。

国家的水利建设重点将突出放在保障防洪安全、建立水资源配置框架，全面实施南水北调大型工程，重视“三农”水源建设和加强水土保持及生态环境建设等几个方面。这些工程耗资巨大，随着规划的逐步实施，将留给岩土工程用、矿用硬质合金市场巨大的发展空间。

水电工程是发展绿色能源的基础，国家在“十一五”期间已经对水电工程建设总体投资将超过1万亿元，今后，能源建设仍将为液压凿岩钻车，潜孔钻机用矿用硬质合金产品提供广阔市场。

随着我国冶金工业的快速发展，各行业对矿业资源的需求量已经达到一个新的高度。继续加大黑色金属，有色金属矿源的勘探与开采，扩大煤炭行业的规范管理和整合，大型钢铁企业和有色冶金企业走出国门与发展中国家合资采矿，都将是今后发展的方向。对天然气开发钻探，大陆架油气开采等，都将刺激市场对机械化采掘设备和中大孔径钻具用矿用硬质合金的市场需求增加。

从二十世纪九十年代中期开始，我国的城镇化进程明显加快，到2005年，全国的市镇人口由1.7亿人增加到4.8亿人，从占全国总人口比例的17%提高到近36%。城镇化规模的发展对全国经济的辐射能力和“GDP”的增长的推动力是巨大的。同样对岩土工程机械及岩土工程钻具市场的带动力也是巨大的。近几年城镇化建设过程所需的大量混凝土、石料等建筑用原材料的数量的增加，对水泥厂和采石场带来了明显的效益，也带动了露天液压凿岩钎具、高低气压潜孔钻具的市场需求。在今后30年左右的时间内，将农村人口向产业化，工业化转移仍将是国家长期的发展战略，也是解决好“三农问题”的根本途径之一。可以认为，今天水泥建材、石料开采等行业中对开采各种岩土工程的矿用硬质合金的需求还会上升。

2 近十年土建及矿用硬质合金生产走势

2.1 矿用硬质合金产量增长较快

近年来，国家非常重视硬质合金产业发展，通过自主创新和引进、吸收国外先进技术，我国硬质合金企业生产技术与工艺设备水平向前跨越了一大步，行业创新能力有所增强，大大缩短了与国际先进水平的差距。硬质合金产量2010年达到了2.2万吨，创历史新高，特别是矿用硬质合金产量增长达290%（见图1、图2、图3）［2］。

图1 近十年硬质合金年产量（吨）

图2 近十年矿用硬质合金年产量（吨）

图3 近十年我国硬质合金出口量（吨）

2.2 矿用硬质合金2011年一季度生产走势

今年一季度，国内经济增长动力依然强劲，GDP同比增长9.7%。国内矿用硬质合金市场供需两旺，全球经济继续复苏，国际矿用硬质合金需求恢复增长。钨原料市场价格稳步上扬，创历史新高。今年一季度全国硬质合金产量为4622吨，同比增长19.5%，但矿用硬质合金为1379.29吨，同比增长3.78%，产量增长趋势明显放缓。主要原因为矿用硬质合金有部分产品附加值低，受原材料价格影响较大。随今年上半年原材料价格的快速增长，有一部分生产厂家难以面对目前的价格上涨形势。生产量增加不多甚至略有下降（见图4、图5、表1）。有些企业产量大幅增加。我认为主要与技术创新、质量提升和产品结构调整有关。

图4 2011年上半年国内钨精矿价格变化

3 国内外矿用硬质合金工艺与技术进步

3.1 超粗晶矿用硬质合金

图5 2011年上半年国内APT价格变化

表1 2011年一季度国内生产矿用硬质合金的前十个厂家

按Sandvik公司有关硬质合金的分类标准，合金中WC晶粒度为3.4-4.9μm、5.0-7.9μm、8.0-14μm的硬质合金分别为粗晶粒、超粗晶粒和特粗晶粒硬度合金。在Co含量相同的条件下，与传统的中、粗晶粒硬质合金相比，超粗、特粗晶粒硬质合金具有极高的热导率，较高的断裂韧性与红硬性，较好的抗热疲劳与抗热冲击性能，主要用于极端工况条件下软岩的连续开采（如采煤、地铁建设）与现代化公路、桥梁的连续作业（如挖路、铺路），也可用于对韧性与抗热疲劳、抗热冲击性能要求较高的冲压模、冷镦模、轧辊等。这类合金的市场需求量占硬质合金市场需求总量的10%以上，具有非常广阔的市场前景［3］。

目前国内外生产粗颗粒WC的方法有：①高温还原高温碳化法：生产的WC的供应态小于20mm；②铝热法：美国肯纳采用的生产粗颗粒碳化钨，具有特粗单颗粒的特点，化合碳也很高，纯度稍低；③掺杂生产法：此法在国内得到了广泛的应用。我们公司采用WOx掺杂碱金属的，在低于1000℃的温度下还原制备出超粗W粉，而后在1980℃高温碳化制备超粗WC粉，再通过湿磨成型，烧结制备粗晶粒硬质合金截煤齿和挖路齿，市场使用效果与山特维克产品相当，目前我公司开发的粗晶粒硬质合金牌号表2所示。

表2 我公司开发的粗晶粒硬质合金牌号

3.2 梯度结构硬质合金

矿用硬质合金球齿通过低碳合金经渗碳处理制取功能梯度硬质合金是目前普遍采用的工艺方法。通常采用总碳含量比化学计量含量低0.1wt%-0.4wt%的碳化钨为原料。碳化钨的粒度一般在2μm-4μm范围内。渗碳处理时采用含甲烷、一氧化碳等含碳气体作为渗碳气氛、通过此工艺处理后的矿用硬质合金球齿的钴和钨沿其直径的分布图见图6［4］。

图6 含η相的硬质合金球齿在1 450℃下于渗碳气氛中处理2 h后钴和钨沿其直径的分布

用这种结构的合金和标准结构硬质合金的钻头在各种凿岩条件下对各种不同岩石进行凿孔的对比实验结果表明，镶嵌功能梯度结构硬质合金的钻头显示出极其优异的使用性能。如表3、表4、表5所示。

结果表明：功能梯度结构硬质合金潜孔钻头、牙轮钻头和钎片的寿命比常规硬质合金钻头的寿命明显提高。

瑞典山特维克凿岩工具公司利用这项技术开发出的凿岩工具用功能梯度式双相（Dual Phase，简称DP）结构硬质合金，现已开发出3个牌号：DP55、DP60和DP65，其耐磨性和韧性均明显优于标准硬质合金。

表3 各种硬质合金嵌入式钻头对磁铁矿+矸石进行凿孔的试验结果

表4 各种硬质合金潜孔钻头对腐蚀性花岗岩进行凿孔的试验结果

表5 各种硬质合金牙轮钻头对带石英矿脉的矸石进行露天凿孔的试验结果

3.3 双粘结的矿用硬质合金

WC-Co硬质合金具有高弹性模量，高耐磨性和一定断裂韧性的良好组合，但在凿岩工具的实际应用中因其断裂韧性有限而易产生脆性断裂。因此，提高断裂韧性一直是改善硬质合金品质的驱动力。

最近美国一家国际公司开发出一种新的工艺方法，这种工艺方法的实质是通过显微结构设计使钴的平均自由程最大化来提高合金的断裂韧性，同时使完全致密的大的WCCo球粒镶嵌在钴金属基体中以保持基体与普通硬质合金相似的耐磨性。这种新型复合材料被称为双粘结或双烧结硬质合金，也可以看作是球粒状金属基体复合材料（如图7所示）［5］。

图7 双粘结硬质合金（a）和普通硬质合金（b）的显微结构

双粘结硬质合金与普通硬质合金相比，其突出的特点是硬质合金相球粒不是由硬质化合物（如WC），而是由烧结合金（如WCCo合金）球粒组成，也就是说其硬质相是由难熔化合物与金属钴经过烧结而成的成品硬质材料球粒，然后将烧结球粒与金属粘结剂混合并进行第二次烧结，从而在不降低硬度的情况下使断裂韧性大幅度提高。

各种不同球粒钴含量和基体含量的双粘结硬质合金的力学性能如表6所示。

表6 双粘结硬质合金的力学性能和使用性能

双粘结硬质合金复合材料由于具有上述一些优异性能，可在诸如采矿、建筑等特别需要高的断裂韧性、耐磨性和硬度等力学性能的不同应用领域中得到应用，双粘结硬质合金制成的牙轮钻头、冲击式钻头、刮刀钻头等三类工具中，由于其性能优异在实际应用中将会取得很好的效果。

3.4 加快企业技术改造，提高硬质合金产品质量

提高合金产品质量首先要搞好企业的技术进步。从设备及工艺技术方面来看，要抓住优质粉末制造，喷雾制粉代替人工掺拌橡胶工艺，双向自助压制代替单向压制，多气氛控制的压力烧结代替真空烧结，以及采用行之有效的合金产品后处理等。自九十年代起到现在的二十多年的时间，充分证明了不实施上述技术改造的企业是不可能在产品质量方面上层次的。