深度塑性變形之擠壓專利技術綜述

張 燕

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

1 概述

金屬塑性變形將有利于減小其內部的晶粒尺寸，而且塑性應變越大時效果越明顯，近幾十年來發展了一類新的變形工藝，即深度塑性變形（severe plastic deformation，SPD）技術，SPD技術具有強烈的晶粒細化能力，可以將材料內部組織細化到亞微米級乃至納米級，國際材料學界公認為制備超細晶材料最有前途的方法之一，已成功用于制備純金屬、合金、金屬基復合材料等細晶材料。由于可以制備純凈、致密的塊體超細晶材料，SPD技術在近十幾年快速發展，應用前景廣泛，從1999年開始每隔3年都要召開SPD技術國際年會以交流和報道該技術的最新進展。

根據不同的變形方式，深度塑性變形技術包括高壓扭轉（High-pressure Torsion，HPT）、等通道轉角擠壓（Equal-channel Angular Extrusion/Pressing，ECAP/ECAE）、循環擠壓或往復擠 壓（Cyclic Extrusion Compression，CEC）、扭 曲 擠 壓（Twist extrusion，TE）等。

在深度塑性變形之擠壓的專利申請中，按照申請量從多到少依次為：轉角擠壓、扭曲擠壓、往復擠壓、摩擦擠壓，其中，轉角擠壓的申請量最為突出，占總申請量的74%，這主要是由于轉角擠壓的適用范圍廣，結構簡單，對其進行的研究和改進的普適性強，其包括等徑角擠壓、非等徑角擠壓，等徑角擠壓還包括多向等徑角擠壓、多路等徑角擠壓以及連續等徑角擠壓等。摩擦擠壓最少，這主要是由于摩擦擠壓需要較高的壓力和轉矩，對設備的要求較高，普適性較差，另外，摩擦擠壓制備的塊體材料較小，無法滿足實際生產需要。

2 技術發展整體概況

2.1 專利申請概況

圖1示出了深度塑性變形之擠壓技術國內外專利申請趨勢對比，從圖中可以看出，深度塑性變形技術在20世紀初并未出現，直到1943年BUDD WHEEL CO申請了第一例深度塑性變形的擠壓工藝，在此之后，國外申請量一直較少，直到20世紀90年代才逐漸興起，在21世紀初的幾年內達到申請高峰，隨后申請量逐漸降低，可見在國外該技術逐漸不被重視；在中國，由于中國的專利法實施時間較晚，且國內技術與國外相比，發展較晚，直到20世紀90年代才開始出現該技術，21世紀迅速發展，在2010之后，該項技術在中國申請量遠超過國外，在2016年申請量達到最高峰。

圖1 深度塑性變形之擠壓技術國內外專利申請趨勢對比

2.2 國外專利申請情況

圖2 國外申請各國的申請量分布

圖2 示出了國外申請各國的申請量分布，其中，JP代表日本，US代表美國，KR代表韓國，RU代表俄羅斯聯邦。從圖中可以看出，國外的專利申請中，日本的申請最多，其次的美國、韓國，可見日本在深度塑性變形的擠壓技術中占了很重的分量，實際上，日本在金屬加工領域的各種技術基本均處于領先地位，因此，日本的申請量最大。其次，美國、韓國的申請也較多，從側面反映出美國、韓國的金屬制造業注重提高材料的性能。另外，出現了一些申請量很小的國家。

圖3 各個時期主要申請國的申請量對比圖

深度塑性變形之擠壓技術國外專利申請趨勢，大致可分為四個時期。圖3示出了各個時期主要申請過的申請量。

（1）萌芽期（1993年之前），幾十年間的申請分散，隔幾年或者隔數十年才有申請，美國的技術發展處于絕對領先地位。

（2）平穩增長期（1994年～1999年），在這一時期，韓國的技術還沒有興起，日本的申請量最多，占到接近六成的比例，其次是美國，占到接近四分之一的比例，其他國家的申請較少。這主要是因為日、美均為工業技術發達國家，對擠壓理論的研究實力雄厚，在金屬加工領域的技術始終處于領先地位，且日、美的工業發展對材料的性能的要求高，促使兩國的研究人員不斷改進工藝提高材料的性能。

（3）快速增長期（2000年～2006年），關于深度塑性變形擠壓技術的申請數量如雨后春筍一般快速增長，可謂是該技術發展的黃金時期。這主要是由于在該時期，一些發達國家的工業技術非常發達，同時其他后起的國家的技術力量也相當雄厚，很多國家對該技術的改進和研究也日趨增多，在這一時期，韓國的技術迅速興起，躍居到第二位，日本的申請量仍舊最多，申請量達到了40%，其次是韓國，申請量達到了21%，然后是美國，申請量占了15%，其他國家的申請較少。這一時期，韓國的深度塑性變形之擠壓技術迅速發展，可見韓國對材料的性能的要求提高。隨著汽車行業的迅速發展，日、韓、美作為汽車生產大國，在深度塑性變形方面的技術也隨之發展，申請量也迅速發展，其他國家也開始提出申請，但申請量較小。

（4）成熟期（2007年至今），在申請量迅速增長之后，深度塑性變形擠壓技術的專利申請量達到了穩定，相關技術的發展也到了成熟期，在該時期，人們對擠壓技術進行多方面的嘗試和進一步優化，同時注重了對具體材料的擠壓加工的優化，以及采用擠壓方法生產具體的產品。這一時期申請的國家多，各個國家都在該技術領域進行申請，說明各國都在注重材料性能的提高。這一時期，俄羅斯的申請居多，占總量的27%，其次的韓國、日本、美國，這一時期，日本、美國的申請的比重有所降低，這可能是由于前一時期申請高峰過后，該技術在日、美發展成熟，申請量呈降低的趨勢。

2.3 國內專利申請情況

圖4示出了關于深度塑性變形的擠壓技術的中國專利申請趨勢，從該圖可以看出，國內的深度塑性變形的擠壓技術的專利申請起步較晚，2000年以后才開始有關該技術的專利申請，從2000年申請大致可以分為兩個時期，第一時期為2000年～2012年，第二時期為2013年至今。前期的申請較少，在國外申請量急劇增長的時期，國內的申請很少，國外申請量減少的時期，國內的申請迅速增長，總體呈現增長的趨勢，這主要是因為國外的金屬制造業水平較為先進，在國外興起的金屬成形技術，在國外的發展往往較晚，主要由高校以及研究院所進行研究，并進行專利申請，實際的工業應用較少。另外一方面是國內對知識產權的保護意識增強，國家對專利的普及與推廣，對知識產權的保護進行大力支持，導致申請量增長明顯。

圖4 深度塑性變形之擠壓技術在中國的專利申請趨勢

在采用深度塑性變形擠壓領域申請量較大的幾乎全為高校申請，企業申請較少，排名靠前的申請人中沒有個人申請，主要是因為該領域的技術由國外傳到國內，大多處于研究階段，應用于生產的較少。

申請量較大的申請人中，基本為高校申請，其主要針對多種深度塑性變形的擠壓工藝進行組合、改進，以獲得超細晶產品，提高產品的性能，另一方面，高校申請善于將新興技術與已有的技術相結合，例如，將超聲振動、電致塑性與擠壓技術結合，以進一步細化晶粒，提高材料性能。另外，高校申請有一個特點，針對某一方面的發明，專利申請經常為一系列的相關申請，這也是導致高校申請數量較多的原因之一。

3 總結

從國外深度塑性變形之擠壓的專利技術發展來看，該技術領域的技術已經趨于成熟，申請量逐漸減少，國內該技術領域的發展起步較晚，在21世紀才迅速發展。由于國外的相應技術發展已經非常成熟，因此，國內申請人應當多借鑒國外的各種先進技術，在國外技術的基礎上加強自主研發以進一步細化晶粒，尤其對于難于細化晶粒的材質，提高生產效率以及材料的性能，另外還可以在擠壓參數、具體工藝方面進一步優化。