川渝地區硬質合金生產現狀與展望

李 通，向 杰，陳 磊，李 超，黎 松，鄒建新，2

(1.成都工業學院材料與環境工程學院，四川 成都 611730；2.模具技術四川省高校重點實驗室，四川 成都 611730)

硬質合金具有很高的硬度、強度、耐磨性和耐腐蝕性，被譽為“工業牙齒”，用于制造切削工具、刀具、鉆具、模具和耐磨零部件等，廣泛應用于軍工、航天航空、機械加工、冶金、石油鉆井、礦山工具、電子通訊、建筑等領域。硬質合金是由難熔金屬的硬質化合物和粘結金屬通過粉末冶金工藝制成的，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)為燒結粘結相，通過調整材料體系配方，壓制成型，并在一定保護氣氛下經高溫燒結等粉末冶金方法制得的合金材料[1]。

川渝地區制造產業聯盟發展是國家戰略布局，四川省提出了“5+1”發展戰略，智能制造是四川省六大支柱產業之一，裝備制造和先進材料分別排列第二、第四位，大國重器離不開具有“工業牙齒”美譽的硬質合金材料，“工欲善其事，必先利其器”，硬質合金產業與技術對四川省裝備制造業起著重要支撐作用[2,3]。本文研究了川渝兩地硬質合金的生產、技術現狀及存在問題，分析了其產業發展趨勢。

1 川渝地區硬質合金產業狀況

湖南和四川是我國兩大硬質合金生產大省，經過多年的發展，在湖南和四川造就了以株洲硬質合金集團和自貢硬質合金有限公司為代表的一大批中小型硬質合金材料生產企業。川渝地區現共有硬質合金生產企業165家(不含純貿易、純研發類)，約占全國1/2，其中四川100家，重慶65家。2019年川渝兩地硬質合金產能約為1.2萬噸，產量約為0.9萬噸，硬質合金深加工產品產量占合金總產量的1/3，所生產的硬質合金產品品種基本齊全，規格型號超過4萬個，產量和品種基本能滿足國內各經濟領域的需求[4,5]。

四川地區硬質合金生產企業主要集中在成都、自貢兩地。四川的代表性企業有：成都成量集團、自貢硬質合金有限公司及四川科力特硬質合金股份有限公司等，如表1所示。其中自貢硬質合金公司是主要硬質合金企業，集原料、加工、產品等一體。重慶的代表性企業有：重慶科特硬質合金工具有限公司、重慶臺瑪硬質合金有限公司及重慶翔鋒工具制造有限公司等，如表2所示。

表1 四川硬質合金代表性生產企業

表2 重慶硬質合金代表性生產企業

2 川渝地區硬質合金生產工藝與裝備技術狀況

2.1 鎢基與鈦基硬質合金生產技術共存

作為傳統生產方法的WC基硬質合金仍然占據主導地位，但隨著鎢資源的緊缺和價格飆升，鈦基硬質合金的生產呈現出蓬勃發展勢頭。目前企業主要在兩方面著手：一是提高現有鎢基硬質合金的使用效率和壽命，二是發展鈦基硬質合金取代鎢基硬質合金。對于第一條途徑，目前最有效的技術是制取超細晶粒鎢基硬質合金(已被列入國家戰略性新興產業新材料領域))。對于第二條途徑，依托國內豐富的釩鈦資源，已制備出性能不低于甚至優于鎢基硬質合金的鈦基硬質合金新材料。如四川美奢銳新材料有限公司、四川科力特硬質合金有限公司開始重點生產鈦基硬質合金，其生產的Ti(C,N)基硬質合金刀具，耐磨性、被加工工件的尺寸精度和表面質量都優于用WC或TiC基硬質合金刀具所加工的工件，只是Ti(C,N)的沖擊韌性稍弱于WC-Co硬質合金[6]。

2.2 關鍵工序生產技術有所改觀或取得明顯進步

(1)碳化鎢粉末質量稍顯提升，但變化不大

盡管企業已盡力改進粉末冶金工藝，粉末原料質量指標有所改觀，但沒有出現實質性品質提升。區域內多數鎢粉末和碳化鎢粉產品質量仍然不高，只能用于生產中低檔硬質合金。所生產的低附加值硬質合金產品，難以滿足不斷增長的高端市場需求，導致低端過剩高端不足的結構性矛盾。

(2)刀具涂層技術取得明顯進步

為滿足零件加工高速、高效和高精度的需求，涂層刀具上升勢頭強勁，涂層技術也因此不斷進步，日趨復雜化、多樣化，從最初的CVD為主到目前的CVD、PVD、PCVD共存，涂層基體不斷更新，涂層種類也從單一化合物涂層，朝著多元復雜化合物涂層發展，涂層數也從幾層增加到十幾層[7]。

(3)功能梯度材料技術開始應用

硬質合金的硬度和韌性是一對矛盾，兩者的高度統一是生產者追求的目標。為解決該矛盾，功能梯度材料技術被引入硬質合金生產中。在可控氣氛下燒結或熔體滲透以達到粘結相的分布按需呈梯度結構，從而獲得硬度與韌性的統一。該技術已越來越多地應用于鑿巖工具、頂錘、涂層刀片基體生產，使得表面WC相對富集或者WC顆粒向中心遷移，合金的性價比明顯提高。

(4)超細和納米硬質合金得到開發

基于集成電路集成度的高速發展，微米級的微細加工需求凸顯，使得超細、納米材料技術迅速進入了硬質合金生產領域。納米級WC-Co復合粉末以及其它難熔金屬碳化物制備、固溶體制粉技術、納米級硬質合金燒結技術、納米涂層合金技術等已在川渝區域內企業獲得開發，并已應用于生產[8]。

(5)凈成型技術已獲得推廣應用

包括高精度模壓技術、注射成型技術、擠壓技術、粉末軋制技術、粉漿澆注技術在內的硬質合金凈成型技術發展很快，已在川渝兩地獲得推廣應用。該技術可制備出形狀復雜且接近最終尺寸的產品，在整體螺旋銑刀、整體球形銑刀、整體合金鉆頭，特別是在裝飾用硬質合金，如表鏈、表殼、鉤魚墜子、產品標牌等領域的應用越來越廣泛。

(6)計算機集成技術開始應用于硬質合金制備

從產品設計、加工制造、物資供應、質量保證，到產品銷售等各環節，形成自動化、最優化的計算機制造系統，是智能制造的要求，可實現傳統的人工裝卸舟皿、壓制、半檢、干燥、燒結等工序上的操作智能化，使產品精度、材料性能的穩定處于受控狀態，從而提高產品質量和生產效率。該集成技術已在川渝地區少數廠家開始試運行，有望逐漸獲得推廣。

2.3 裝備技術實力增強

近年來，隨著沿海地區制造業向西部省市的遷移，川渝地區硬質合金生產裝備取得明顯進步，如壓力機采用了先進的TPA壓力機，燒結工序使用了脫蠟燒結一體化爐、氣壓燒結爐等[9]。

在成型設備方面，精度低的杠桿式壓力機和凸輪式壓力機已全部淘汰，精度高、性能好、功能多的雙向自動壓力機得到廣泛應用，尺寸、單重較大及量少的產品仍采用油壓機一次成型，形狀較復雜的產品采用了車床、鉆床等半成品加工設備，以保證成型。

在燒結設備方面，已基本淘汰氫氣燒結爐及GCA型臥式普通真空燒結爐，普遍采用了脫蠟燒結一體化爐、氣壓燒結爐，以提高產品質量，生產超細合金等高檔次產品。

在加工設備方面，已廣泛采用內圓磨床、無心磨床、平面磨床、普通臥式車床及萬能工具銑床等設備對燒結成品進行加工處理，以滿足客戶需求。

在檢驗檢測設備方面，已廣泛采用合金四項性能檢測儀、金相檢測儀及線切割機等設備。通過改進試驗開發設備及質量檢測設備，增強了生產過程的質量控制水平及高新產品開發能力[10]。

2.4 研發平臺初具規模

市場競爭倒逼企業技術創新，川渝地區企業內部研發平臺逐漸開始籌建，為企業技術革新提供了內生動力。區域聯盟研發平臺正在深化推進效率策略。自2013年底成立的“四川省硬質合金工程技術研究中心”依托自貢硬質合金有限公司及四川輕化工大學等高校，已逐漸發揮了技術創新聯盟的作用。四川大學、成都工業學院、攀枝花學院等高校重點實驗室也與業內企業多方合作，推動了以Ti(C,N)為代表的硬質合金發展。如四川美奢銳新材料有限公司聯合湖南工業大學，新建了Ti(C,N)硬質合金生產線?；谘邪l平臺的支撐，目前，川渝地區硬質合金企業已實現專業化生產納米超細硬質合金、細晶粒合金、中晶粒合金、粗晶及超粗晶合金、涂層硬質合金、網狀結構合金、梯度結構合金等產品，品種規格近10萬個。

3 川渝地區硬質合金生產存在的問題

(1)中低端產品產能過剩，高端產品尚需進口

川渝地區硬質合金產品的競爭力不強，高端硬質合金需求進口率仍然較高。同時硬質合金產品的出口主要憑借數量和低價優勢，產品集中在中低端，而高端及高附加值硬質合金及其工具出口量占比很小。一方面川渝地區硬質合金產能利用率不到70%，另一方面高端制造先進加工業用高端刀具尚要進口。

(2)企業規模與技術實力亟待提升

川渝地區硬質合金產業存在企業規模較小，產業集中度不高的問題。同時，科技投入也較少，缺乏高端技術人才，技術研發能力較弱，硬質合金企業在科技方面的投入不到銷售收入的3%，科技研發水平不高，原創性核心技術成果較少。此外，產品質量水平較低，產品結構有待調整。生產企業雖有165家，貿易類企業也有100余家，但多數廠家年產能也就千余噸，還有不少百余噸的小企業。規模的小型化造成技術創新力單薄，惡性競爭也時有發生。

(3)裝備水平不高

近年來，川渝地區硬質合金生產裝備雖然有所大型化、先進化，但與國外知名企業相比，仍然檔次不高，差距較大。應用于硬質合金研發和生產的高檔專用設備主要依賴進口，國產同類設備還有一定的差距，有能力購置進口設備的廠家不多，即使是區域內的自貢硬質合金有限公司、四川成量集團等大廠，也因多種原因造成先進設備應用的數量有限，給研發和生產帶來一定困難。

(4)基礎理論研究不足

國外硬質合金技術發展迅速，與其扎實、深入的基礎理論研究分不開。川渝地區在這方面的研究相較國內尤為薄弱。盡管企業或多或少也設立了自身的研發機構，并成立了以自貢硬質合金有限公司為依托的“四川省硬質合金工程技術研究中心”，也有四川大學等高校從事硬質合金研究，但存在科研投入不足、研發隊伍不強、產學研結合不緊密等問題，造成硬質合金科技理論認識不足，應用不到位。

4 川渝地區硬質合金生產展望

(1)高端產品需求強勁

雖然目前川渝兩地硬質合金低端產品產能利用率不足65%，整體供大于求，但是相關行業的高端產品市場需求仍然強勁。隨著川渝地區智能制造的發展，IT產業精加工的訴求，小型化、高精度、高強度工模具合金呈現量增價高的發展態勢[11]。

(2)做強做精硬質合金產業

雖然川渝兩地硬質合金生產企業占據了國內的半壁江山，達到165家，堪稱數量眾多，但小規模、低水平特征明顯。整合、重組現有企業，擴展規模勢在必行，應利用好現有機遇，由政府部門及行業牽頭，鼓勵中小企業兼并聯合、重組聯盟，力爭形成3～5個2000～5000t/a產能的硬質合金“航母”，實現數十年來業界期盼的川渝地區硬質合金由大轉強的戰略轉變。對于一些小型企業，應多方鼓勵生產特優產品，避免中低檔、同質化競爭，以特色換市場。

(3)調整產品結構，開展硬質合金產品內部供給側改革

重點研發高附加值的深加工產品，進一步優化產品結構，加大技術改造力度，全力推動硬質合金產品向精深加工方向發展，提升產業競爭力，滿足國內外重大工程需要。推動硬質合金切削材料向涂層刀片、精密切削工具方向轉變，硬質合金采掘合金向采掘工具配套方向發展，硬質合金耐磨材料向深加工配套方向發展，力促產業升級換代，盡快實現硬質合金產品系統內供給側改革。

(4)加強科技創新，大力開發高品質新產品

依托省內外硬質合金國家重點實驗室、粉末冶金國家重點實驗室、國家鎢材料工程技術研究中心、四川省硬質合金工程技術研究中心及川渝兩地高校實驗室等科技平臺，著力突破高端產品市場。開展溫壓復合成型、全致密化燒結、多層納米復合涂層及定向控制、梯度復合結構材料服役行為及性能表征等關鍵技術研究。重點突破高純、超細及納米結構晶界界面效應及缺陷控制技術、超粗及結晶完整結構、梯度結構、非均勻復合結構、硬質合金及金剛石復合、硬質耐磨材料及鋼基體復合、聚晶材料復合、高強度耐腐蝕硬質合金、高硬度與高韌性功能結構一體化材料制備及硬質材料精深加工和表面噴涂等工藝技術。

在基礎理論方面，加快研究粉末的顯微特性對粉體材料的物理力學性能的影響，實現原料粉末產品質量加速升級，研究材料組分顯微結構對材料使用性能的影響，建立相應的新材料數據庫，切實提高新產品的自主開發能力；研究合金燒結過程的致密化和物質遷移的控制規律，以加速開發梯度功能材料、復合材料；研究硬質合金槽型系列化和牌號優化，迅速形成有知識產權的高性能精密切削刀具系列產品。

(5)高度重視廢舊硬質合金的回收利用

由于鎢資源的戰略短缺，廢鎢利用亟待獲得川渝企業重視。通過廢舊硬質合金經電解、鋅溶等工藝技術回收的碳化鎢、草酸鈷等原料再加工生產的低端領域用硬質合金產品力爭達到1kt/a以上，不低于總量的15%。只有廢鎢資源得到合理利用，才能向部分企業提供性價比合理的硬質合金產品，同時也能提高硬質合金生產企業的經濟效益[12]。