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产业第十三课|“工业牙齿”的前世今生


19世纪末期,美国人发明高速钢,高速钢作为高硬度材料、高耐磨材料,迅速作为切削工具、模具材料应用起来。不过,高速钢的热塑性不好,热加工条件下易于发生崩刃等情况,人们开始试图寻找新的硬质材料,以替代高速钢。

当时,研究人员已经发现元素周期表中第Ⅳ、V、Ⅵ族中的过渡元素(钨、钛、铌等)形成的碳化物,具有一些共同的特点,包括硬度高、熔点高、化学稳定好。

1923年,德国的施勒特尔往碳化钨粉末中加进10%~20%的钴做粘结剂,发明了碳化钨和钴的新合金,这是世界上人工第一次制造的硬质合金。


硬质合金通常被称为碳化钨合金或者简称为碳化钨。以高硬度难熔金属的碳化物(WC、TiC)微米级粉末为主要成分,以钴(Co)或镍(Ni)、钼(Mo)为粘结剂,在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能,特别是它的高硬度和耐磨性,即使在500℃的温度下也基本保持不变,在1000℃时仍有很高的硬度。

硬质合金号称“工业牙齿”,用于制造切削工具、刀具、钴具和耐磨零部件,广泛应用于军工、航天航空、机械加工、冶金、石油钻井、矿山工具、电子通讯、建筑等领域,伴随下游产业的发展,硬质合金市场需求不断加大。并且未来高新技术武器装备制造、尖端科学技术的进步以及核能源的快速发展,将大力提高对高技术含量和高质量稳定性的硬质合金产品的需求。


硬质合金的基体由两部分组成:一部分是硬化相、另一部分是粘结金属

硬化相是元素周期表中过渡金属的碳化物,如化钨、碳化钛、碳化钽,它们的硬度很高,熔点都在2000℃以上,有的甚至超过4000℃。

另外,过渡金属的氮化物、硼化物、硅化物也有类似的特性,也可以充当硬质合金中的硬化相。

硬化相的存在决定了合金具有极高硬度和耐磨性;粘结金属一般是铁族金属,常用的是钴和镍。硬质合金的韧性由粘结金属决定,粘结金属含量越高,抗弯强度越大


硬质合金按成分构成可分为:

1、钨钴类硬质合金,主要成分是碳化钨(WC)和粘结剂钴(Co)钨钴类合金能在较高硬度时获得较高的抗弯强度,特别适合于在较低切削速度下工作。主要用于加工铸铁、有色合金及绝缘材料等;

2、钨钛钴类硬质合金,主要成分是碳化钨、碳化钛(TiC)及钴,硬度和耐磨性提高,韧性降低,主要用于加工塑性材料,如钢材;

3、钨钛钽(铌)类硬质合金,主要成分是碳化钨、碳化钛、碳化钽(或碳化铌)及钴。这类硬质合金又称通用硬质合金或万能硬质合金。强度比较高,抗高温氧化性好,适用加工合金钢、铸铁和碳素钢;

4、碳化钛基合金,红硬性和抗高温氧化性好,适用于钢材精加工的高速切削刀具;

5、涂层合金,表面耐磨性和抗氧化性好,而基体强度较高,适用于钢材、铸铁、有色金属及其合金的加工刀具。


从产业价值链来看,硬质合金产业链涵盖上游开采白钨矿、黑钨矿、黑白混合钨矿)—上游选矿(钨精矿)—中游冶炼APT、氧化钨、钨粉)—碳化钨硬质合金—下游终端消费(主要集中在机械行业、冶金行业、军工行业等)。

 

市场规模

一、原材料市场

硬质合金原料成本占比约90%,其中钨原料占比约80%钴约占10%。丰富的钨资源为我国硬质合金行业的发展提供了重要的资源保障。2017年全球钨矿产量9.5万吨金属量,其中中国、越南及俄罗斯三国产量占比高达94%。仅以我国而言,年产钨矿达7.9万吨,占世界总产量超过83%。

二、硬质合金市场

目前全球约有 600-700 家硬质合金生产厂商(不包括中国规模以下中小型企业)。2017年全球硬质合金产量约为8.28万吨,中国是世界上硬质合金产量最大的国家,占比在38% 左右。2018年,中国硬质合金需求达到3.43万吨,2019年预计将达到3.96 万吨,增速超过15%。

三、下游应用市场。

切削刀具、矿用工具和耐磨用具是硬质合金三大主要应用领域。与高速钢相比,硬质合金具有更好的性能和更高的切削效率,和其他超硬材料相比,硬质合金具有高的价格和工艺优势,在刀具行业占有重要的地位。中国2017年硬质合金刀具市场达41亿元,市场占比40%。

作为原材料导向型行业,国内硬质合金行业地域分布非常明显,主要集中在湖南、江西及河南等钨矿集中分布地区。湖南株洲是中国硬质合金产业最为集中的城市,聚集了120 多家硬质合金生产企业,其中规模企业61家,2017年产值过亿的企业有15家。

品类

地区

生产领域

代表企业

硬质合金

湖南

江西

金属切削工具、矿山及油田钻探采掘工具、硬质合金管棒材、硬质合金轧辊

株洲硬质合金集团有限公司

厦门金鹭特种合金有限公司

自贡硬质合金有限责任公司

崇义章源钨业股份有限公司

株洲欧科亿数控精密刀具有限公司

株洲钻石切削刀具股份有限公司

济南市冶金科学研究所有限责任

 

热点研发领域

 “十三五”期间,积极创新技术发展,推动硬质合金在高端装备制造、硬质合金棒材油气开采、矿山采掘等领域的应用,通过重点开发高附加值深加产品,进一步优化产品结构,以技术改造为手段,全力推动我国硬质合金产品制造向精深加工方向发展,提升产业竞争力,满足国家重大工程需要。推动硬质合金切削材料制造向涂层刀片、精密切削工具方向发展,硬质合金采掘合金制造向采掘工具配套方向发展,硬质合金耐磨材料制造向深加工配套方向发展,促进产业升级换代。

 

主要研发机构

研发机构

研发方向

硬质合金国家重点实验室

硬质合金国家重点实验室于2010年12月经国家科技部批准建设,主要研究方向为超细及纳米硬质合金材料技术、超粗硬质合金材料技术、硬质合金涂层刀具技术、硬质合金使用技术、硬质合金材料复合技术等。

北京有色金属研究总院

有研总院及其所属有研粉末新材料(北京)有限公司从事各种有色金属粉末、预合金粉末、热喷涂粉芯丝材等产品的生产、销售与研发。各种有色金属粉末年产能12000余吨,各种丝材年产能3000吨,是目前国内规模最大的有色金属粉末生产企业。

上海材料研究所

高性能硬质合金材料及制备技术 
超细晶粒高强度、高硬度硬质合金材料 
超粗晶粒硬质合金材料 
多元硬质合金和无磁硬质合金材料 
高效、先进的制品成型技术

中南大学粉末冶金国家重点实验室

粉末冶金国家重点实验室于1989年经国家计委批准依托于中南大学(原中南工业大学)进行建设,1995年通过国家验收并正式对外开放运行。先后有42名固定人员在实验室工作,其中院士2人, 博士生导师15人,教授及研究员28人。

 
来自: 国科园 洛阳国家大学科技园
 

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