李 通，向 杰，陳 磊，李 超，黎 松，鄒建新，2

(1.成都工業(yè)學(xué)院材料與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611730；2.模具技術(shù)四川省高校重點實驗室，四川 成都 611730)

硬質(zhì)合金具有很高的硬度、強度、耐磨性和耐腐蝕性，被譽為“工業(yè)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(yīng)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(lǐng)域。硬質(zhì)合金是由難熔金屬的硬質(zhì)化合物和粘結(jié)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(jié)粘結(jié)相，通過調(diào)整材料體系配方，壓制成型，并在一定保護氣氛下經(jīng)高溫?zé)Y(jié)等粉末冶金方法制得的合金材料[1]。

川渝地區(qū)制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)展是國家戰(zhàn)略布局，四川省提出了“5+1”發(fā)展戰(zhàn)略，智能制造是四川省六大支柱產(chǎn)業(yè)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(yè)牙齒”美譽的硬質(zhì)合金材料，“工欲善其事，必先利其器”，硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)與技術(shù)對四川省裝備制造業(yè)起著重要支撐作用[2,3]。本文研究了川渝兩地硬質(zhì)合金的生產(chǎn)、技術(shù)現(xiàn)狀及存在問題，分析了其產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢。

1 川渝地區(qū)硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)狀況

湖南和四川是我國兩大硬質(zhì)合金生產(chǎn)大省，經(jīng)過多年的發(fā)展，在湖南和四川造就了以株洲硬質(zhì)合金集團和自貢硬質(zhì)合金有限公司為代表的一大批中小型硬質(zhì)合金材料生產(chǎn)企業(yè)。川渝地區(qū)現(xiàn)共有硬質(zhì)合金生產(chǎn)企業(yè)165家(不含純貿(mào)易、純研發(fā)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(zhì)合金產(chǎn)能約為1.2萬噸，產(chǎn)量約為0.9萬噸，硬質(zhì)合金深加工產(chǎn)品產(chǎn)量占合金總產(chǎn)量的1/3，所生產(chǎn)的硬質(zhì)合金產(chǎn)品品種基本齊全，規(guī)格型號超過4萬個，產(chǎn)量和品種基本能滿足國內(nèi)各經(jīng)濟領(lǐng)域的需求[4,5]。

四川地區(qū)硬質(zhì)合金生產(chǎn)企業(yè)主要集中在成都、自貢兩地。四川的代表性企業(yè)有：成都成量集團、自貢硬質(zhì)合金有限公司及四川科力特硬質(zhì)合金股份有限公司等，如表1所示。其中自貢硬質(zhì)合金公司是主要硬質(zhì)合金企業(yè)，集原料、加工、產(chǎn)品等一體。重慶的代表性企業(yè)有：重慶科特硬質(zhì)合金工具有限公司、重慶臺瑪硬質(zhì)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(zhì)合金代表性生產(chǎn)企業(yè)

表2 重慶硬質(zhì)合金代表性生產(chǎn)企業(yè)

2 川渝地區(qū)硬質(zhì)合金生產(chǎn)工藝與裝備技術(shù)狀況

2.1 鎢基與鈦基硬質(zhì)合金生產(chǎn)技術(shù)共存

作為傳統(tǒng)生產(chǎn)方法的WC基硬質(zhì)合金仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，但隨著鎢資源的緊缺和價格飆升，鈦基硬質(zhì)合金的生產(chǎn)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展勢頭。目前企業(yè)主要在兩方面著手：一是提高現(xiàn)有鎢基硬質(zhì)合金的使用效率和壽命，二是發(fā)展鈦基硬質(zhì)合金取代鎢基硬質(zhì)合金。對于第一條途徑，目前最有效的技術(shù)是制取超細(xì)晶粒鎢基硬質(zhì)合金(已被列入國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)新材料領(lǐng)域))。對于第二條途徑，依托國內(nèi)豐富的釩鈦資源，已制備出性能不低于甚至優(yōu)于鎢基硬質(zhì)合金的鈦基硬質(zhì)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(zhì)合金有限公司開始重點生產(chǎn)鈦基硬質(zhì)合金，其生產(chǎn)的Ti(C,N)基硬質(zhì)合金刀具，耐磨性、被加工工件的尺寸精度和表面質(zhì)量都優(yōu)于用WC或TiC基硬質(zhì)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(zhì)合金[6]。

2.2 關(guān)鍵工序生產(chǎn)技術(shù)有所改觀或取得明顯進步

(1)碳化鎢粉末質(zhì)量稍顯提升，但變化不大

盡管企業(yè)已盡力改進粉末冶金工藝，粉末原料質(zhì)量指標(biāo)有所改觀，但沒有出現(xiàn)實質(zhì)性品質(zhì)提升。區(qū)域內(nèi)多數(shù)鎢粉末和碳化鎢粉產(chǎn)品質(zhì)量仍然不高，只能用于生產(chǎn)中低檔硬質(zhì)合金。所生產(chǎn)的低附加值硬質(zhì)合金產(chǎn)品，難以滿足不斷增長的高端市場需求，導(dǎo)致低端過剩高端不足的結(jié)構(gòu)性矛盾。

(2)刀具涂層技術(shù)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(shù)也因此不斷進步，日趨復(fù)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(fù)雜化合物涂層發(fā)展，涂層數(shù)也從幾層增加到十幾層[7]。

(3)功能梯度材料技術(shù)開始應(yīng)用

硬質(zhì)合金的硬度和韌性是一對矛盾，兩者的高度統(tǒng)一是生產(chǎn)者追求的目標(biāo)。為解決該矛盾，功能梯度材料技術(shù)被引入硬質(zhì)合金生產(chǎn)中。在可控氣氛下燒結(jié)或熔體滲透以達到粘結(jié)相的分布按需呈梯度結(jié)構(gòu)，從而獲得硬度與韌性的統(tǒng)一。該技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于鑿巖工具、頂錘、涂層刀片基體生產(chǎn)，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(xì)和納米硬質(zhì)合金得到開發(fā)

基于集成電路集成度的高速發(fā)展，微米級的微細(xì)加工需求凸顯，使得超細(xì)、納米材料技術(shù)迅速進入了硬質(zhì)合金生產(chǎn)領(lǐng)域。納米級WC-Co復(fù)合粉末以及其它難熔金屬碳化物制備、固溶體制粉技術(shù)、納米級硬質(zhì)合金燒結(jié)技術(shù)、納米涂層合金技術(shù)等已在川渝區(qū)域內(nèi)企業(yè)獲得開發(fā)，并已應(yīng)用于生產(chǎn)[8]。

(5)凈成型技術(shù)已獲得推廣應(yīng)用

包括高精度模壓技術(shù)、注射成型技術(shù)、擠壓技術(shù)、粉末軋制技術(shù)、粉漿澆注技術(shù)在內(nèi)的硬質(zhì)合金凈成型技術(shù)發(fā)展很快，已在川渝兩地獲得推廣應(yīng)用。該技術(shù)可制備出形狀復(fù)雜且接近最終尺寸的產(chǎn)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(zhì)合金，如表鏈、表殼、鉤魚墜子、產(chǎn)品標(biāo)牌等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

(6)計算機集成技術(shù)開始應(yīng)用于硬質(zhì)合金制備

從產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、物資供應(yīng)、質(zhì)量保證，到產(chǎn)品銷售等各環(huán)節(jié)，形成自動化、最優(yōu)化的計算機制造系統(tǒng)，是智能制造的要求，可實現(xiàn)傳統(tǒng)的人工裝卸舟皿、壓制、半檢、干燥、燒結(jié)等工序上的操作智能化，使產(chǎn)品精度、材料性能的穩(wěn)定處于受控狀態(tài)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。該集成技術(shù)已在川渝地區(qū)少數(shù)廠家開始試運行，有望逐漸獲得推廣。

2.3 裝備技術(shù)實力增強

近年來，隨著沿海地區(qū)制造業(yè)向西部省市的遷移，川渝地區(qū)硬質(zhì)合金生產(chǎn)裝備取得明顯進步，如壓力機采用了先進的TPA壓力機，燒結(jié)工序使用了脫蠟燒結(jié)一體化爐、氣壓燒結(jié)爐等[9]。

在成型設(shè)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(yīng)用，尺寸、單重較大及量少的產(chǎn)品仍采用油壓機一次成型，形狀較復(fù)雜的產(chǎn)品采用了車床、鉆床等半成品加工設(shè)備，以保證成型。

在燒結(jié)設(shè)備方面，已基本淘汰氫氣燒結(jié)爐及GCA型臥式普通真空燒結(jié)爐，普遍采用了脫蠟燒結(jié)一體化爐、氣壓燒結(jié)爐，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)超細(xì)合金等高檔次產(chǎn)品。

在加工設(shè)備方面，已廣泛采用內(nèi)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(shè)備對燒結(jié)成品進行加工處理，以滿足客戶需求。

在檢驗檢測設(shè)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(shè)備。通過改進試驗開發(fā)設(shè)備及質(zhì)量檢測設(shè)備，增強了生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制水平及高新產(chǎn)品開發(fā)能力[10]。

2.4 研發(fā)平臺初具規(guī)模

市場競爭倒逼企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，川渝地區(qū)企業(yè)內(nèi)部研發(fā)平臺逐漸開始籌建，為企業(yè)技術(shù)革新提供了內(nèi)生動力。區(qū)域聯(lián)盟研發(fā)平臺正在深化推進效率策略。自2013年底成立的“四川省硬質(zhì)合金工程技術(shù)研究中心”依托自貢硬質(zhì)合金有限公司及四川輕化工大學(xué)等高校，已逐漸發(fā)揮了技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟的作用。四川大學(xué)、成都工業(yè)學(xué)院、攀枝花學(xué)院等高校重點實驗室也與業(yè)內(nèi)企業(yè)多方合作，推動了以Ti(C,N)為代表的硬質(zhì)合金發(fā)展。如四川美奢銳新材料有限公司聯(lián)合湖南工業(yè)大學(xué)，新建了Ti(C,N)硬質(zhì)合金生產(chǎn)線。基于研發(fā)平臺的支撐，目前，川渝地區(qū)硬質(zhì)合金企業(yè)已實現(xiàn)專業(yè)化生產(chǎn)納米超細(xì)硬質(zhì)合金、細(xì)晶粒合金、中晶粒合金、粗晶及超粗晶合金、涂層硬質(zhì)合金、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)合金、梯度結(jié)構(gòu)合金等產(chǎn)品，品種規(guī)格近10萬個。

3 川渝地區(qū)硬質(zhì)合金生產(chǎn)存在的問題

(1)中低端產(chǎn)品產(chǎn)能過剩，高端產(chǎn)品尚需進口

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

(2)企業(yè)規(guī)模與技術(shù)實力亟待提升

川渝地區(qū)硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)存在企業(yè)規(guī)模較小，產(chǎn)業(yè)集中度不高的問題。同時，科技投入也較少，缺乏高端技術(shù)人才，技術(shù)研發(fā)能力較弱，硬質(zhì)合金企業(yè)在科技方面的投入不到銷售收入的3%，科技研發(fā)水平不高，原創(chuàng)性核心技術(shù)成果較少。此外，產(chǎn)品質(zhì)量水平較低，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有待調(diào)整。生產(chǎn)企業(yè)雖有165家，貿(mào)易類企業(yè)也有100余家，但多數(shù)廠家年產(chǎn)能也就千余噸，還有不少百余噸的小企業(yè)。規(guī)模的小型化造成技術(shù)創(chuàng)新力單薄，惡性競爭也時有發(fā)生。

(3)裝備水平不高

近年來，川渝地區(qū)硬質(zhì)合金生產(chǎn)裝備雖然有所大型化、先進化，但與國外知名企業(yè)相比，仍然檔次不高，差距較大。應(yīng)用于硬質(zhì)合金研發(fā)和生產(chǎn)的高檔專用設(shè)備主要依賴進口，國產(chǎn)同類設(shè)備還有一定的差距，有能力購置進口設(shè)備的廠家不多，即使是區(qū)域內(nèi)的自貢硬質(zhì)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(shè)備應(yīng)用的數(shù)量有限，給研發(fā)和生產(chǎn)帶來一定困難。

(4)基礎(chǔ)理論研究不足

國外硬質(zhì)合金技術(shù)發(fā)展迅速，與其扎實、深入的基礎(chǔ)理論研究分不開。川渝地區(qū)在這方面的研究相較國內(nèi)尤為薄弱。盡管企業(yè)或多或少也設(shè)立了自身的研發(fā)機構(gòu)，并成立了以自貢硬質(zhì)合金有限公司為依托的“四川省硬質(zhì)合金工程技術(shù)研究中心”，也有四川大學(xué)等高校從事硬質(zhì)合金研究，但存在科研投入不足、研發(fā)隊伍不強、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合不緊密等問題，造成硬質(zhì)合金科技理論認(rèn)識不足，應(yīng)用不到位。

4 川渝地區(qū)硬質(zhì)合金生產(chǎn)展望

(1)高端產(chǎn)品需求強勁

雖然目前川渝兩地硬質(zhì)合金低端產(chǎn)品產(chǎn)能利用率不足65%，整體供大于求，但是相關(guān)行業(yè)的高端產(chǎn)品市場需求仍然強勁。隨著川渝地區(qū)智能制造的發(fā)展，IT產(chǎn)業(yè)精加工的訴求，小型化、高精度、高強度工模具合金呈現(xiàn)量增價高的發(fā)展態(tài)勢[11]。

(2)做強做精硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)

雖然川渝兩地硬質(zhì)合金生產(chǎn)企業(yè)占據(jù)了國內(nèi)的半壁江山，達到165家，堪稱數(shù)量眾多，但小規(guī)模、低水平特征明顯。整合、重組現(xiàn)有企業(yè)，擴展規(guī)模勢在必行，應(yīng)利用好現(xiàn)有機遇，由政府部門及行業(yè)牽頭，鼓勵中小企業(yè)兼并聯(lián)合、重組聯(lián)盟，力爭形成3～5個2000～5000t/a產(chǎn)能的硬質(zhì)合金“航母”，實現(xiàn)數(shù)十年來業(yè)界期盼的川渝地區(qū)硬質(zhì)合金由大轉(zhuǎn)強的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變。對于一些小型企業(yè)，應(yīng)多方鼓勵生產(chǎn)特優(yōu)產(chǎn)品，避免中低檔、同質(zhì)化競爭，以特色換市場。

(3)調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，開展硬質(zhì)合金產(chǎn)品內(nèi)部供給側(cè)改革

重點研發(fā)高附加值的深加工產(chǎn)品，進一步優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，加大技術(shù)改造力度，全力推動硬質(zhì)合金產(chǎn)品向精深加工方向發(fā)展，提升產(chǎn)業(yè)競爭力，滿足國內(nèi)外重大工程需要。推動硬質(zhì)合金切削材料向涂層刀片、精密切削工具方向轉(zhuǎn)變，硬質(zhì)合金采掘合金向采掘工具配套方向發(fā)展，硬質(zhì)合金耐磨材料向深加工配套方向發(fā)展，力促產(chǎn)業(yè)升級換代，盡快實現(xiàn)硬質(zhì)合金產(chǎn)品系統(tǒng)內(nèi)供給側(cè)改革。

(4)加強科技創(chuàng)新，大力開發(fā)高品質(zhì)新產(chǎn)品

依托省內(nèi)外硬質(zhì)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(shù)研究中心、四川省硬質(zhì)合金工程技術(shù)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(chǎn)品市場。開展溫壓復(fù)合成型、全致密化燒結(jié)、多層納米復(fù)合涂層及定向控制、梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料服役行為及性能表征等關(guān)鍵技術(shù)研究。重點突破高純、超細(xì)及納米結(jié)構(gòu)晶界界面效應(yīng)及缺陷控制技術(shù)、超粗及結(jié)晶完整結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)、非均勻復(fù)合結(jié)構(gòu)、硬質(zhì)合金及金剛石復(fù)合、硬質(zhì)耐磨材料及鋼基體復(fù)合、聚晶材料復(fù)合、高強度耐腐蝕硬質(zhì)合金、高硬度與高韌性功能結(jié)構(gòu)一體化材料制備及硬質(zhì)材料精深加工和表面噴涂等工藝技術(shù)。

在基礎(chǔ)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(xué)性能的影響，實現(xiàn)原料粉末產(chǎn)品質(zhì)量加速升級，研究材料組分顯微結(jié)構(gòu)對材料使用性能的影響，建立相應(yīng)的新材料數(shù)據(jù)庫，切實提高新產(chǎn)品的自主開發(fā)能力；研究合金燒結(jié)過程的致密化和物質(zhì)遷移的控制規(guī)律，以加速開發(fā)梯度功能材料、復(fù)合材料；研究硬質(zhì)合金槽型系列化和牌號優(yōu)化，迅速形成有知識產(chǎn)權(quán)的高性能精密切削刀具系列產(chǎn)品。

(5)高度重視廢舊硬質(zhì)合金的回收利用

由于鎢資源的戰(zhàn)略短缺，廢鎢利用亟待獲得川渝企業(yè)重視。通過廢舊硬質(zhì)合金經(jīng)電解、鋅溶等工藝技術(shù)回收的碳化鎢、草酸鈷等原料再加工生產(chǎn)的低端領(lǐng)域用硬質(zhì)合金產(chǎn)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(yè)提供性價比合理的硬質(zhì)合金產(chǎn)品，同時也能提高硬質(zhì)合金生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益[12]。