硬质合金高端产品及新材料发展趋势分析

徐

涛

（1.硬质合金国家重点实验室，湖南株洲412000；

2.株洲硬质合金集团有限公司，湖南株洲412000）

摘

要

2011年国家再次将高端硬质合金列入《新材料产业“十二五”发展规划》重点

发展新材料。本文从切削工具、采掘工具、耐磨零件三大硬质合金核心应用领域的产品市场发展前景出发，阐明了硬质合金领域具有代表性的高技术含量、高附加值产品及其预期性能指标，重点分析了超细及纳米硬质合金、超粗晶硬质合金、涂层技术及钨资源高效、环保综合利用等方面亟需突破的关键技术，综述了金属陶瓷刀具、新型粘结相硬质合金、金刚石弥散强化硬质合金、超细无粘结相WC 硬质合金、钢结硬质合金等值得关注的发展方向。希望对我国发展高端硬质合金，全面提升硬质合金产品质量和档次提供有益的参考。关键词

硬质合金；新材料；切削工具；采掘工具；耐磨零件

Development Trend Analysis of Advanced Products and New Materials of Cemented Carbide

Xu Tao

(1.State Key Laboratory of Cemented Carbide,Zhuzhou Hunan 412000,China;2.Zhuzhou Cemented Carbide Group Corp.Ltd.,Zhuzhou Hunan 412000,China)

ABSTRACT

The advanced cemented carbide is once again listed as key development material in the Twelfth Five-

Year Development Plan for New Material Industry in 2011in China.In this paper,based on the market prospect of the product in the three core application fields,namely cutting tool,mining tool and wear part,the representational high tech -nology and high additional value products in the cemented carbide industry and their prospective performance indexes are expatiated.The key technologies desiderated to break through,such as the ultrafine,nano and ultra coarse-grained ce -mented carbide,coating technology,high efficiency and environmental protection comprehensive utilization of tungsten re -source,are emphatically analyzed.The development trends of the cermet tool,novel binder cemented carbide,diamond dispersion strengthened cemented carbide,ultrafine binderless cemented carbide and steel bonded cemented carbide,are summarized.

KEY WORDS cemented carbide;new material;cutting tool;mining tool;wear part

作者简介：徐涛（1967-），女，高级工程师，现任株洲硬质合金集团有限公司技术中心主任、硬质合金国家重点实验室副主任，一直从事硬

质合金材料研发及管理工作。

2011年12月

Dec.2011

第28卷第6期Vol.28No.6硬质合金

CEMENTED CARBIDE

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综合评述

doi ：10.3969/j.issn.1003-7292.2011.06.010

硬质合金具有高硬度、高强度、耐腐蚀、耐高温和膨胀系数小等一系列优良特性，大量应用于国民经济建设的各个领域。20世纪以来，我国硬质合金产量稳居世界第一，但高技术含量、高附加值产品无论规模、品种，还是质量、性能等方面均与国外先进水平存在较大差距[1-2]。为支持我国硬质合金产品结构调整和优化，改变我国硬质合金在国际市场上依靠中低档产品性价比竞争的不利局面，2011年国家再次将高端硬质合金列入《新材料产业“十二五”发展规划》重点发展新材料。本文就“十二五”期间硬质合金拟定重点发展产品以及当前硬质合金新材料发展状况做一个简要分析。

1硬质合金高端产品市场发展前景

随着我国高端制造等相关产业的技术引进和升级，相配套的高端硬质合金产品的需求和发展也将得到极大提升。作为硬质合金产品三大主要应用领域的切削、采掘工具和耐磨零件产品，都必将拥有十分广阔的市场前景。

1.1切削工具

硬质合金切削工具以其优异的性能（高强度、高韧性和高硬度，良好的热稳定性和热硬性），在高速切削加工中得到广泛应用，国内外均极为重视切削工具的发展。目前世界上硬质合金刀具已经占据了刀具市场的主导地位，比重高达70%，而我国的硬质合金刀具比例相对较低[3]。随着我国高端制造业的兴起和发展，我国将成为先进硬质合金刀具市场份额增长最快的区域。为满足现代制造业提高效率和降低成本的需要，高效率、高精度、高可靠性和专用化的“三高一专”切削刀具也将大面积取代在线的传统刀具，涂层数控刀片、精密孔加工整体硬质合金刀具以及PCB用微型刀具等产品已展示出其良好的前景[4-7]。

涂层数控刀片将重点发展新型硬质合金涂层基体，即功能外层厚度为10～100μm的梯度结构合金刀片涂层基体[8-10]、厚膜Al2O3和纳米PVD涂层[11-12]、新型含Si和含Cr涂层[13-14]、新型超硬材料HfCN、HfN、HfC、ZrCN涂层[15-16]；重点开发TiAlN/TiN纳米多层结构涂层刀片[15]，超硬薄膜涂层刀片[17-20]，含Hf、Zr 的多种复合涂层刀片[15-16]，添加稀土元素[21]和微量陶瓷粉末功能梯度涂层刀片[22-24]。

精密孔加工刀具重点发展高精度(螺旋角公差±0.5°)双螺旋孔挤压棒材、带冷却内孔工具棒等系列产品，开发汽车发动机专用孔加工刀具体系、特殊难加工板材专用切削刀具等深加工产品。

PCB用微型刀具重点发展钻径0.2mm以下的微钻、微铣棒材，开发纳米晶硬质合金微钻及金刚石类金刚石涂层刀具[5,7,25-26]。

表1列出了硬质合金切削工具高端产品的预期

表1硬质合金切削工具高端产品的主要性能指标和应用领域

Table1Main performance index and application field of advanced product of cemented carbide cutting tool Product Main performance index Main application field

Cutting tool material with functionally gradient struc-ture Gradient outer layer thickness is10～100μm;homogenization is

±5μm;functional core is uniform with controllable hardness and

without coarse grain inclusion

Aviation,automobile and

electronic industry

Advanced CNC cutting tool material with CVD multi-layer composite coating Coating hardness is2000~2400HV;layer thickness deviation is±

10%;coating adhesive strength is≥60N;coating grain size is

≤1μm

Aviation,automobile and

energy industry

Hard surface material for CNC cutting tool with PVD nano and diamond-like carbon coating Nano coating grain size is≤20nm;diamond-like carbon coating

grain size is≤50nm;HV hardness is3500～5000;coating thick-

ness is2～4μm,coating thickness deviation is±10%;coating adhe-

sive strength is55～70N

Automobile,mould,

electromechanical and

aviation industry

Material for deep hole ma-chining Grain size is0.3～0.8μm,structure is uniform and without coarse

grain inclusion,binder content is6.0%～12.0%,diameter is0.5～40.0;

rod with double spiral holes has internal coiling cooling fluid holes,

helix angle tolerance is±0.5°;rod with one straight hole has concen-

tricity of≤0.05mm

Automobile,aviation

and aerospace industry

Material for mini cutter Drill diameter is≤0.2mm,gain size is0.2～0.4μm,HV hardness is

≥2000,mean bending strength is≥4500MPa

Electronic information

industry

Nano-grained WC-Co ce-mented carbide Grain size reaches0.15μm,HV hardness is≥2200,mean bending

strength is≥4500MPa

Micro drill for integrate circuit

and advanced cutting tool

396··第28卷

主要性能指标和应用领域。由表1可知，硬质合金切削工具高端产品正向超细及纳米晶粒、多元或多层复合涂层刀具以及高精密切削工具方向发展。1.2采掘工具

近年来，世界范围内矿产、能源勘探和开采的兴盛以及海洋钻井工程、高速公路建设、重大基础性工程的蓬勃发展，直接促使了高性能硬质合金球齿、截煤齿、刨铣齿等硬质合金凿岩产品和配套工具的广泛使用与发展。国际上硬质合金凿岩材料和配套工具的市场需求量超过了100亿美元；国内市场需求量也大幅增加。据业内预测，2015年，我国采掘工具用硬质合金的需求量将接近1万吨，其中高档机具用硬质合金钻齿市场需求量将增至2800吨[27]。虽然我国硬质合金采掘工具的需求量越来越大，但仍然是硬质合金制造与配套工具制造完全的生产模式，导致配套工具的发展速度远远跟不上盾构机等大型采掘装备国产化的进程。因此，要使我国硬质合金采掘工具在市场中站稳脚跟，就必须在开发高质量、高附加值的硬质合金采掘工具上下功夫。

高端硬质合金采掘工具主要有三类。一是矿山开采用硬质合金工具重点发展高风压潜孔钻具配套用硬质合金球齿产品，并积极推动硬质合金凿岩工具更新换代，用高性能球齿产品替代传统一字型、十字型硬质合金钎具[28]。二是深井、超深井、海洋钻探用硬质合金钻头重点开发细晶粒硬质合金基体、复杂槽型的聚晶金刚石复合片镶齿钻头，并发展高韧性、高耐磨性以及微观结构得到严格控制的新型硬质合金钻头[29]。三是软岩复杂地质层切割用硬质合金刀具重点发展用于煤矿开采的超粗晶粒硬质合金截煤齿和用于公路建设的挖路齿及其配套工具[30]。

表2列出了硬质合金采掘工具高端产品的预期主要性能指标和应用领域。由表2可知，硬质合金采掘工具高端产品正向超粗晶粒、新型结构球齿以及采掘工具配套方向发展。

1.3耐磨零件

硬质合金耐磨零件涵盖范围极为广泛，主要有钢铁等行业使用的辊环、合成金刚石用顶锤和压缸、精密成型模具、精密光学模具、冲压模具、拉拔模具、密封环、活塞、轴承轴颈以及表面硬化的镶焊、喷涂材料等。随着国家对资源保护和工作条件改善要求的提高，集成制造和提高资源利用效率将成为不可逆转的趋势，加之国内对钢铁行业的和对基本建设投资的适当控制，硬质合金耐磨制品以提高材料性能和后序加工水平为发展重点，用高性能耐磨制品大范围取代低档制品。

面向钢铁行业将重点开发大尺寸硬质合金辊环与钢轴紧密连接的复合轧辊、硬质合金辊环与钢材环-环复合的复合辊以及超大尺寸、润滑性能好的拉管模[31]。合成高强度、粗颗粒金刚石、大尺寸复合片等超硬材料制备行业重点开发具有极高抗压强度和超大规格尺寸顶锤与压缸[32-33]。模具制造行业需要具有高硬度、高韧性以及良好抗电化学腐蚀性能的多工位大型精密级进模具板材。标准件、紧固件发展需要开发大规格、高强度及形状复杂的冷镦冷冲模[34]。拉制钢帘线、宝石切割线必须重点发展孔径在0.2mm左右高性能微孔拉丝模[35]。大型船舶和新型军舰的发展需要开发质量稳定、高寿命的超大

表2硬质合金采掘工具高端产品的主要性能指标和应用领域

Table2Main performance index and application field of advanced product of cemented carbide mining tool Product Main performance index Main application field

Composite drilling button Impact fatigue performance of cellular structure button increases

15%;wear resistance increases20%；difference of hardness（HV）be-

tween outer layer and interlayer of gradient button is≥300

Oilfield and mine mining,

hydrological and geological

exploration

Shield tool Rob circle hardness is55～59HRC,impact toughness is14～20J/cm2,

compressive strength is2200～2500MPa,"self-sharpening"is good;hob

assembly torque is designed according to strata with20～60Nm and preci-

sion is±3;scraper material quenching is30～40HRC;welding surface

hardness is58～62HRC,thickness is3～5mm；grain size of cemented car-

bide scraper is≥4μm;brazing shear strength is≥250MPa

Tunnel,subway

and high-speed rail

Cutter tip Grain size is≥4μm,complete crystal and uniform structure Highway construction and coal mining

Ultra coarse grained WC-Co cemented carbide Grain size is8～10μm;HV hardness is≥1100;average TRS is≥

3000MPa with high roughness and wear resistance

Mining tool,oil drilling tool,

coal mining tool,shield

construction machine tool,

punching mould,roll,etc.

徐涛:硬质合金高端产品及新材料发展趋势分析397

··硬质合金第28卷

规格硬质合金精密密封环配套产品。针对表面喷涂领域重点发展高致密、高结合强度硬面材料。

表3列出了硬质合金耐磨耐蚀高端产品预期主要性能指标和应用领域。由表3可知，硬质合金耐磨耐蚀制品正向大型或超大型、高精密及深加工配套工具方向发展。

2我国硬质合金高端产品需重点突破的关键技术

硬质合金高端产品是各种先进硬质合金制备技术的集成体，要发展硬质合金高端产品，我国硬质合金产业必须采取自主开发、联合攻关、技术引进等形式，在新工艺、新设备、新应用等方面取得技术突破。

2.1超细及纳米硬质合金制备技术

超细硬质合金具有高强度、高硬度等优良性能，满足了现代工业和特种难加工材料的发展需求，全世界超细硬质合金约占世界硬质合金总产量的40%[36]。

围绕细化晶粒，制取超细及纳米结构硬质合金的研究开发，已成为世界硬质合金合金技术领域中的一大热点。目前，国外可以产业化生产晶粒度为0.1μm级WC粉及晶粒度为0.2μm的纳米硬质合金产品，我国在此方面已接近国际先进水平，能够生产0.3μm级的超细硬质合金，并正在开发0.2μm 级的纳米硬质合金[37]。

近期我国需重点围绕WC-Co复合粉制备技术[38]、高效搅拌球磨技术[39]、新型环保成型剂技术[40-41]、小规格棒材挤压成型技术，烧结过程中WC晶粒长大抑制技术[42-43]等开展系统研究，在进一步细化WC 晶粒度的同时解决超细硬质合金晶粒异常长大、部分产品难成型等问题，提高超细硬质合金的综合性能及质量稳定性。

2.2超粗晶硬质合金制备技术

晶粒度达到5.0μm以上的超粗硬质合金在保持较好强度的同时，塑性得到明显改善，产品可靠性大大提高。优质的超粗晶粒合金深加产品及配套工具将会极大地提高钢铁、矿山、油田钻具、精密模具等行业的加工效率。目前我国难以制备出产品微观结构好、综合性能高、晶粒度达到5.0μm以上的合金产品[44]。

针对我国超粗硬质合金存在的共性问题，应重点围绕高纯超粗WC粉末、单晶WC粉末制备技术[45-46]，特殊球磨分散技术，粘结相强化技术[47]，高钴超粗硬质合金烧结粘舟、变形控制技术，大异型超粗硬质合金成型技术、应力检测和消除技术[48]，合金渗硼[49]、深冷等后处理技术[50]等开展研究，提升我国超粗硬质合金制备技术水平。重点突破路面工程刀座及刀具、高风压潜孔冲击器、盾构刀具等系列工程工具集成制造技术，增大高附加值产品的比重。

2.3硬质合金涂层技术

自20世纪60年代末期涂层硬质合金问世以来，其研究开发活动在世界范围内异常活跃，无论在涂层技术、涂层材料，还是涂层基体方面都取得巨大进展，涂层硬质合金刀具已成为当今制造工业的标志。我国在这方面起步比较晚，硬质合金涂层刀具技术整体上与国外先进水平的差距较大，只有株洲硬质合金集团有限公司等少数单位有能力对大批量数控刀具进行涂层。国外虽有一些设备厂向我国提供先进涂层设备，但没有涂层核心工艺技术的强力支撑，一些企业即使引进了设备，也制造不出高档产品。

表3硬质合金耐磨零件高端产品的主要性能指标和应用领域

Table3Main performance index and application field of advanced product of cemented carbide wear part Product Main performance index Main application field

Extra large wear resistance hard material Outer diameter is≥0mm,high compressive strength,fatigue and

wear resistance.

Precision processing cutting

tool manufacturing,war

industry and west-east

gas transmission project

Precision sealing ring mate-rial High corrosion resistance;hardness is1050~1300HV3;density is

14.4～14.6g/cm3,TRS is2400MPa;sealing surface flatness is≤

0.6μm（sphere concave surface）and roughness is0.03～0.06μm

Marine engineering,sewage

treatment

Miniature drawing die Ultrafine grain and high wear resistance,diameter tolerance of hole is

±0.01mm,concentricity tolerance is±0.01mm

Steel cord,gemstone cutting

wire

Hard surface material High dense and bonding strength;particle size specification series are-

45+15μm,-38+10μm,-30+5μm,et al.,flow rate is<15s/50g Aerospace,aviation,marine engineering

398··第28卷

根据涂层技术最新进展和发展趋势，我国应在逐步解决高性能刀具的材质、涂层以及检测技术等方面的基础理论问题的基础上，重点突破新型硬质合金涂层基备技术[8-10]，多层复合涂层技术[15-16]，厚膜Al2O3[11]和纳米PVD涂层技术[12]，不锈钢、高强度钢、钛合金、复合材料等高效切削加工技术[51]等，使新一代涂层刀具性能达到国际先进企业21世纪初的质量水平。

2.4钨资源高效、环保综合利用技术[36,52]

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硬质合金产业的热点。国外硬质合金回收再利用比例已高达30%以上，国外先进企业充分利用再生资源的某些独有特性，使再生资源获得了更大价值的开发和综合利用。为缓解钨资源稀缺所带来的压力，要重点围绕稀贵钨、钴资源与TiC、Fe、Ni等低价位富有资源的高附加值转化技术、废合金回收纯化、高效循环利用技术等开展研究，为高品质产品和资源综合开发利用提供技术支撑，实现企业由资源依赖型向科技效益型、经济循环型与环保清洁型转变。

3硬质合金材料发展新动态

硬质合金是战略性钨、钴资源最重要的消耗领域。随着世界范围内钨、钴资源供应的紧张，一些新兴的替代性材料在近年来得到了新的发展，并重新引起了人们的关注。

3.1金属陶瓷刀具[53-54]

金属陶瓷是一种由金属或合金与一种或几种陶瓷相所组成的非均质复合材料，其中后者约占15% ~85%（含量为体积分数）。金属陶瓷刀具的硬度比硬质合金刀具高，抗氧化性能好，并且断裂韧性和抗弯强度比非金属陶瓷刀具高，其更适合于对淬火钢、高强度钢及铸铁的加工。日本在金属陶瓷刀具领域处于世界领先地位，据报道其金属陶瓷刀具用量已经占到可转位刀片的30%以上。

我国金属陶瓷经过多年的发展，目前在部分领域已经实现了产业化，其市场占有率在不断增长。3.2新型粘结相硬质合金[55-56]

传统钴、镍、铁粘结相硬质合金存在高温性能不足。铁铝、镍铝金属间化合物因其具有优良的抗氧化性能和抗硫化性能以及较高的比强度和中温强度，可在高温和恶劣的环境下工作而引起广大硬质合金工作者极大兴趣，国外在以Ni3Al基合金替代Co作为硬质合金材料粘结相研究方面取得了较大进展。研究表明采用常规的粉末冶金工艺可以得到致密的Ni3Al硬质合金，并具有很好的力学性能和化学稳定性。同时，Ni3Al材料成本远比Co低。

3.3金刚石弥散强化硬质合金[57-58]

与金刚石复合片不同，该产品是在硬质合金基体中加入一定比例的经过表面预处理的金刚石粉末，能够有效的提高硬质合金的耐磨性。

3.4无粘结剂硬质合金[59-62]

无粘结剂硬质合金是指不含或含很少量金属粘结剂(质量分数<0.5％)的一种新型硬质合金产品，具有传统无可比拟的优异耐磨性、抗腐蚀性、极佳的抛光性和抗氧化性，硬度可达>HRA95。目前，国外已经有产品面世，可以用于制作喷砂嘴、电子封装材料、重负载滑动密封耐磨件、模具和装饰材料等。3.5钢结硬质合金[63]

钢结硬质合金是一种以硬质化合物为硬质相和以钢作粘结剂的复合材料，兼有钢与普通硬质合金的优点。近年来，钢结硬质合金无论在成分配比、工艺方法方面，还是在应用方面都取得了很大的进展，在整个欧洲已得到了很好的推广应用，在国内也开始越来越受到重视。

4结语

随着我国经济规模高速发展，经济结构进一步优化，我国硬质合金产业迎来了一个很好的发展环境。我国硬质合金企业要抓住市场机遇，依托现有产业的技术优势，整合资源，加大科技投入，调整产品结构，转变增长模式，提升整个行业的技术水平，全力推动我国硬质合金产品制造向精深加工、配套工具方向发展，满足国家重大工程需要，促进我国硬质合金产业做强做大。

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（2011-09-28收稿；2011-11-10修回）

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