胡耀斌,庞前列,彭毅萍

我国硬质合金产业的发展现状及展望

胡耀斌1,2,庞前列1,2,彭毅萍1,2

(1.东莞劲胜精密组件股份有限公司,广东东莞 523848;2.东莞华晶粉末冶金有限公司,广东东莞 523848)

通过对硬质合金的发展历程、材料体系及产品应用的简要介绍,分析了我国硬质合金产业发展现状,探讨了发展过程中存在的问题与不足,同时展望了我国硬质合金今后的发展方向。

硬质合金；综述；发展现状；展望

1 前言

硬质合金是一种以微米级难熔金属化合物(WC、TaC、TiC、NbC等)粉末为基体,并引入过渡族金属(Co,Fe,Ni)为烧结粘结相,通过调整材料体系配方、压制成型,并在一定保护气氛下经高温烧结等粉末冶金方法制备的一种金属陶瓷材料[1,2]。美国材料与实验协会(ASTM)将硬质合金定义为由15～85(vol%)的一种或多种陶瓷相组分与金属或合金在一定温度下相互溶解渗透而成的一种复合材料,这种复合材料常见的有WC基和TiC基两大体系。日常生活中,我们通常所指的硬质合金是WC基金属陶瓷,该材料具有较高速钢更高的耐磨性与红硬性,以及较超硬材料更佳的韧性,被广泛应用于切削工具、工程机械、耐磨耐腐零件、石油矿山钻具等国民经济的各大领域,被誉为“工业的牙齿”。

硬质合金作为20世纪初的一种新兴材料,是由德国人Schroter于1923年用传统粉末冶金方法发明制造的,并申请发明专利。到1926年,德国Krupp公司开始规模化生产一种WC-Co的硬质合金,该材料具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐磨损、耐腐蚀、具有低热膨胀系数以及高化学稳定性,后来将其命名为“WIDIA”[3,4]。“WIDIA”因其优异的材料特性,逐步发展并应用于生产生活中的多个领域,随后不久在美国、奥地利、瑞典、苏联及日本等国也得到快速发展。经过几十年的不断发展,硬质合金的材料体系越来越丰富,产品制备的技术含量越来越高,生产规模也越来越大,出现了譬如美国Kennametal、日本Mit-subishi Materials、瑞典Sandvik、以色列Iscar等世界级的跨国公司,以及国内以株硬集团、自硬公司和厦门钨业等为代表的一大批优秀民族企业。本文主要就中国硬质合金的发展状况及对未来的发展进行简要分析和探讨。

2 世界硬质合金的发展历程

硬质合金的研究开发最早起源于西欧,是德国科学家为寻找高速钢的取代材料而对难熔化合物进行的研究。从1893年成功制备高熔点、高硬度的碳化钨开始,我们将硬质合金的发展分为以下四个阶段:

第一阶段:19世纪末,德国科学家利用三氧化钨和糖高温制备碳化钨,这是硬质合金的开端。由于纯碳化钨材料脆性大、易开裂,该材料一直未得到工业应用。

第二阶段:1923年,德国科学家Karl Schroter研究将少量铁族金属与碳化钨混合后在氢气中高温烧结,制备出了韧性较好的材料,并研究出WC-TiC -TaC-Co等新型体系。该工艺的发明,标志着硬质合金产业化的开端。我国硬质合金产业起步较晚, 1958年株洲硬质合金厂的建立才使中国硬质合金行业走向产业化的开端。

第三阶段:20世纪60年代末,德国Krupp公司采用化学沉积的方法率先成功开发了硬质合金涂层。该工艺的发明标志着硬质合金开始进入薄膜发展时代,这大大提升了资源利用和刀具的使用寿命,拓宽了应用领域,促使硬质合金的发展进入技术创新黄金期,先后成功研制了中、高温化学气相沉积,物理气相沉积以及等离子体化学气相沉积等先进技术。目前世界上在售的硬质合金刀具大约有一半是使用涂层工艺。

第四阶段:20世纪90年代以后,硬质合金进入市场繁荣期。世界硬质合金年产量达到4万吨左右,中国年产量1.5万吨左右,已成为第一大生产大国。在生产规模上,中国的生产厂家超200余家,其中年产100t以上的主要生产企业30余家;在产品升级和技术创新方面,形成了以中南大学粉末冶金国家重点实验室为代表的一大批科研院所和企业工程技术中心[5]。在科研方面,中南大学陈绍衣教授等进行了紫钨工艺的研究,并于1994年发表了相关的研究报道; 1997年,厦门金鹭特种合金有限公司成功突破了紫钨工艺制备超细W粉、WC粉的产业化技术[6]。

3 硬质合金的分类

目前来说,硬质合金通常可分为以下四大类:①YG类(WC-Co类):该类硬质合金制造的刀具具有较好的韧性、耐磨性、导热性等,主要用于矿山工具、耐磨零件,及金属的加工工具。②YT类(WC-TiC -Co类):由于加入了TiC成分,材料的硬度和耐磨性有所提高。该类硬质合金具有高硬度和高耐热性,抗粘结、抗氧化能力好,加工时磨损小,耐用度高,主要用于钢材的切削加工。③YW类(WC-TiCTaC-Co类):在YT中加入TaC,提高了材料的强度、韧性和红硬性。该类硬质合金材料具有很高的高温硬度、高温强度和较强的抗氧化能力,特别适宜于加工各种高合金钢、耐热合金和各种合金铸铁。④硬质合金涂层类:在韧性较好的硬质合金基体上,通过CVD(化学气相沉积)、PVD(物理气相沉积)、HVOF (High Velocity Oxy-Fuel Thermal Spraying)等方法涂覆一层很薄的耐磨化合物,可使基体的强韧性与涂层的耐磨性相结合而提高硬质合金刀具的综合性能,此外,涂层产品尺寸精度高、断屑效果好,特别适宜用于FMS、CIMS(计算机集成制造系统)等自动化加工[7-10]。

4 中国硬质合金发展现状及问题点

中国硬质合金工业起步较晚,中华人民共和国成立前基本没有硬质合金生产。中国硬质合金产业经过几十年的不断发展与国家战略政策的扶持,以及开放的市场经济的调控作用,逐步形成了生产、研发、贸易一整套完整的工业体系。“十一五”以来,国家先后给予硬质合金生产企业“技术引进”、“技术开发”、“联合攻关”等多种主题和形式的支持,大大提升了我国硬质合金企业的生产技术与工艺装备水平,缩短了与国际先进水平的差距。目前,硬质合金的硬度已达93～98HRA,在1000℃的高温下仍具有较好的红硬性,其耐用度是高速钢的几十倍,几乎已发展成为所有工业产业和新技术领域中不可或缺的工具和结构材料。

随着国民经济的持续高速发展,中国硬质合金经过几十年的不断发展,市场十分活跃,已成为世界硬质合金的第一生产大国。调查显示,2012年,中国硬质合金产量为2.35万吨,出口近5000吨,销售收入209亿元,到2015年,整体行业销售收入总额突破人民币1400亿元,其中硬质合金深加工占总量的1/3。中国硬质合金工业主要集中在湖南、四川,两省产量占全国总产量的近60%;其次是浙江、江西、福建、江苏和山东,约占国内市场规模的8%～12%[3,5]。1958年由苏联援建而成的601厂(即株洲硬质合金厂),现已发展成为国内硬质合金工业的龙头企业。其他还有一些中小企业分布在河北、上海、天津、黑龙江、辽宁、广西和湖北等地。

随着硬质合金体系的不断完善,国内逐步形成了企业、科研院所和高校相结合的多层次研究体系,在国家科研基金及科研战略的支持下,形成了以中南大学粉末冶金研究院为代表的一大批国家级重点实验室和企业研发及技术协同创新中心。此外,中国硬质合金企业的另一个特点是,国外强势企业也加快了对中国市场的渗透,如美国肯纳金属公司、以色列伊斯卡金属切削集团、山特维克集团、瑞典的意大利SAMP公司、日本株式会社泰珂洛等跨国企业分别在天津、河北、大连、上海、广州等地投资建厂,中国硬质合金产业形成了国有、民营、外商独资、中外合资等多种形式并存的局面。

虽然我国硬质合金工业取得了突飞猛进的发展和进步,部分大中型企业也进行了装备改良,并引进和自主开发了一些先进的生产设备和分析检测仪器,但与国外先进企业如Sandvik,Kennametal等相比,仍有比较大的差距。目前来说,我国硬质合金产业发展过程中主要存在如下几个问题:

问题一:产品结构失衡,产业集中度不高。中国虽然作为硬质合金生产制造大国,但产品均以中低档为主,且硬质合金企业“多”、“散”、“小”的状况依然未有根本性转变,产业集中度偏低,国际竞争力不强。没有形成集中度很高的大型制造企业,据不完全统计,年产量在1000吨以上的企业目前只有3家。

问题二:高端产品比重不足,结构调整任重道远。由于我国没有真正建立硬质合金行业准入门槛,发展比较盲目,中低档产品产能过剩。但高精度刀具、模具、工程机械配件等高附加值产品数量少、品种不全、比重低。目前国外几家先进企业产品在中国市场的占有率按重量计算不到中国硬质合金的1.5%,但年销售总额却占中国硬质合金销售总额的10%以上。

问题三:产业关键技术突破不足,整体创新能力不强。我国硬质合金产业研发设备与仪器不够先进,原创性核心技术成果少,技术集成度低,行业整体创新能力不足、核心竞争力不强。

问题四:废旧合金回收利用率低。近年来,国内硬质合金企业意识到矿产资源的不可再生的重要性,多数企业开始注重废旧合金的回收利用。目前为止,废旧合金利用率约占全年总产量的20%左右。

5 中国硬质合金产业展望

中国经济总体保持平稳较快增长,产业结构升级转型将是我国现在及今后一段时间内经济发展的主线。国内消费投资需求和市场规模扩大将推动经济增长由外需主导导向内需转变,随着国民经济快速增长,硬质合金需求也将因此保持高速增长。结合我国硬质合金工业发展现状,建议重点从以下四方面实现新的突破:

(1)制造装备及加工技术创新升级。中国的硬质合金产业经过不断的技术引进与改造,以及“重点突破”科研攻关,出现了一大批的先进制造技术(见表1)。长远来看,提升整体装备水平是中国硬质合金产业转型的必经之路,尤其是用于生产制造高附加值深加工产品的高端装备,从而推动产品结构优化与产业升级,提升产业竞争力,占据高端产品市场。比如,低压热等静压低成本制备成本技术的突破,硬质合金制品向高精密化、小型化、异形化的发展,等等。

表1 硬质合金先进制造技术Table 1 Advanced manufacturing technology of cemented carbide

(2)晶粒的细化、超粗晶粒硬质合金的制备。超细晶硬质合金的特点是具有高韧性和高耐磨性(如表2)[11],主要用于铸铁、铸钢、有色金属等工件的精车、铣削和各种孔加工刀具,最新的纳米晶合金可以磨制直径小于0.2mm的微型钻头和铣刀;超粗晶粒(晶粒度≥5.0μm)的硬质合金目前尚属研发阶段,该材料具有较高的热导率和抗热冲击及抗热疲劳性能。

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

(3)功能涂层的制备。涂层硬质合金具有较基体更高的硬度和耐磨性(如表3)[12],同时又有韧性较好的基体保证,涂层硬质合金是近年来硬质合金领域中取得的伟大成就之一。但是,耐磨性和韧性间的互斥性是硬质合金的本质缺陷,很多产品服役情况下均很难满足工作要求,很容易在相界处出现涂层剥落或龟裂现象。贺跃辉等研究发现,对WC+Co涂层进行合理渗碳处理后,在显微组织空间形成梯度分布,在保证耐磨特性的情况下大大提高了抗冲击韧性和断裂韧性[13]。

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

(4)保护和合理利用稀缺矿产资源。硬质合金产业是高度依赖资源的一类产业,资源对硬质合金产业发展影响巨大,循环经济和再生回收技术成为了当前的热点。为缓解钨资源稀缺所带来的压力,对废合金进行回收纯化、高效循环利用技术开发,实现资源综合开发再利用、企业向环保经济转变。

结 论

众所周知,钨是一类非常重要的国家战略资源。实现钨资源的高效与高值化利用,是一项关乎国家稳定的技术性政治策略。随着我国国民经济规模高速发展,经济产业结构的调整与优化,给我国硬质合金产业的发展提供了很好的机遇与环境。因此,我国硬质合金企业应当抓住当前的市场机遇,转变观念,增强市场竞争意识,调整产业产品结构,转变增长和盈利模式,进而提升我国在硬质合金行业的整体经营水平与核心竞争力,实现我国硬质合金产业的再次飞跃。

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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,材料学硕士研究生,主要从事超硬材料、粉末冶金等产品开发和应用研究。

胡耀斌,庞前列,彭毅萍.我国硬质合金产业的发展现状及展望[J].超硬材料工程,2017,29(4):55-58.