土建及礦用硬質(zhì)合金市場(chǎng)與技術(shù)分析

周建華

（中南大學(xué)長(zhǎng)沙中南凱大粉末冶金有限公司，湖南長(zhǎng)沙410083）

1 我國(guó)礦用硬質(zhì)合金仍有較大的發(fā)展空間

所謂土建及礦用硬質(zhì)合金包括球齒、截煤齒、釬片、沖擊鉆片、鏟雪齒、盾構(gòu)刀頭和石料破碎工具等。在國(guó)家制定的“十二五”規(guī)劃中，交通運(yùn)輸、水利電力、能源基地建設(shè)、城市化建設(shè)、國(guó)家生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域還要繼續(xù)發(fā)展，可以認(rèn)為土建及礦用硬質(zhì)合金市場(chǎng)仍將有良好的發(fā)展空間［1］。在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，土建及礦用硬質(zhì)合金整體向好的趨勢(shì)發(fā)展。

隨著近年來城鎮(zhèn)人口的不斷增加和汽車購(gòu)買數(shù)量增加。我國(guó)大中型城市的地鐵建設(shè)將成為改善城市交通擁擠的首選項(xiàng)目。目前，我國(guó)省會(huì)城市開工建設(shè)地鐵工程已有十幾個(gè)。可以預(yù)計(jì)，在今后10～15年內(nèi)將是我國(guó)城市地下鐵路建設(shè)的高峰時(shí)期。可想而知，地鐵工程將使用更多硬質(zhì)合金盾構(gòu)刀頭。

根據(jù)國(guó)家“中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃”方案，到2020年我國(guó)的鐵路運(yùn)營(yíng)里程要達(dá)到10萬(wàn)km以上。到2020年要構(gòu)成中心城市向外放射的以及橫連東西，縱貫?zāi)媳钡墓方煌ňW(wǎng)，包括7條首都放射線，9條南北縱向線和18條東西橫向線，總規(guī)模大約有8.5萬(wàn)km。另外，城際快速鐵路的修建、高速鐵路工程建設(shè)的不斷開工，都需要大量的石料和建筑材料，因此交通運(yùn)輸行業(yè)工程建設(shè)在今后5～10年中仍然是今后釬鋼釬具產(chǎn)品所需礦用硬質(zhì)合金的主要市場(chǎng)。

國(guó)家的水利建設(shè)重點(diǎn)將突出放在保障防洪安全、建立水資源配置框架，全面實(shí)施南水北調(diào)大型工程，重視“三農(nóng)”水源建設(shè)和加強(qiáng)水土保持及生態(tài)環(huán)境建設(shè)等幾個(gè)方面。這些工程耗資巨大，隨著規(guī)劃的逐步實(shí)施，將留給巖土工程用、礦用硬質(zhì)合金市場(chǎng)巨大的發(fā)展空間。

水電工程是發(fā)展綠色能源的基礎(chǔ)，國(guó)家在“十一五”期間已經(jīng)對(duì)水電工程建設(shè)總體投資將超過1萬(wàn)億元，今后，能源建設(shè)仍將為液壓鑿巖鉆車，潛孔鉆機(jī)用礦用硬質(zhì)合金產(chǎn)品提供廣闊市場(chǎng)。

隨著我國(guó)冶金工業(yè)的快速發(fā)展，各行業(yè)對(duì)礦業(yè)資源的需求量已經(jīng)達(dá)到一個(gè)新的高度。繼續(xù)加大黑色金屬，有色金屬礦源的勘探與開采，擴(kuò)大煤炭行業(yè)的規(guī)范管理和整合，大型鋼鐵企業(yè)和有色冶金企業(yè)走出國(guó)門與發(fā)展中國(guó)家合資采礦，都將是今后發(fā)展的方向。對(duì)天然氣開發(fā)鉆探，大陸架油氣開采等，都將刺激市場(chǎng)對(duì)機(jī)械化采掘設(shè)備和中大孔徑鉆具用礦用硬質(zhì)合金的市場(chǎng)需求增加。

從二十世紀(jì)九十年代中期開始，我國(guó)的城鎮(zhèn)化進(jìn)程明顯加快，到2005年，全國(guó)的市鎮(zhèn)人口由1.7億人增加到4.8億人，從占全國(guó)總?cè)丝诒壤?7%提高到近36%。城鎮(zhèn)化規(guī)模的發(fā)展對(duì)全國(guó)經(jīng)濟(jì)的輻射能力和“GDP”的增長(zhǎng)的推動(dòng)力是巨大的。同樣對(duì)巖土工程機(jī)械及巖土工程鉆具市場(chǎng)的帶動(dòng)力也是巨大的。近幾年城鎮(zhèn)化建設(shè)過程所需的大量混凝土、石料等建筑用原材料的數(shù)量的增加，對(duì)水泥廠和采石場(chǎng)帶來了明顯的效益，也帶動(dòng)了露天液壓鑿巖釬具、高低氣壓潛孔鉆具的市場(chǎng)需求。在今后30年左右的時(shí)間內(nèi)，將農(nóng)村人口向產(chǎn)業(yè)化，工業(yè)化轉(zhuǎn)移仍將是國(guó)家長(zhǎng)期的發(fā)展戰(zhàn)略，也是解決好“三農(nóng)問題”的根本途徑之一。可以認(rèn)為，今天水泥建材、石料開采等行業(yè)中對(duì)開采各種巖土工程的礦用硬質(zhì)合金的需求還會(huì)上升。

2 近十年土建及礦用硬質(zhì)合金生產(chǎn)走勢(shì)

2.1 礦用硬質(zhì)合金產(chǎn)量增長(zhǎng)較快

近年來，國(guó)家非常重視硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展，通過自主創(chuàng)新和引進(jìn)、吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，我國(guó)硬質(zhì)合金企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)與工藝設(shè)備水平向前跨越了一大步，行業(yè)創(chuàng)新能力有所增強(qiáng)，大大縮短了與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。硬質(zhì)合金產(chǎn)量2010年達(dá)到了2.2萬(wàn)噸，創(chuàng)歷史新高，特別是礦用硬質(zhì)合金產(chǎn)量增長(zhǎng)達(dá)290%（見圖1、圖2、圖3）［2］。

圖1 近十年硬質(zhì)合金年產(chǎn)量（噸）

圖2 近十年礦用硬質(zhì)合金年產(chǎn)量（噸）

圖3 近十年我國(guó)硬質(zhì)合金出口量（噸）

2.2 礦用硬質(zhì)合金2011年一季度生產(chǎn)走勢(shì)

今年一季度，國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)動(dòng)力依然強(qiáng)勁，GDP同比增長(zhǎng)9.7%。國(guó)內(nèi)礦用硬質(zhì)合金市場(chǎng)供需兩旺，全球經(jīng)濟(jì)繼續(xù)復(fù)蘇，國(guó)際礦用硬質(zhì)合金需求恢復(fù)增長(zhǎng)。鎢原料市場(chǎng)價(jià)格穩(wěn)步上揚(yáng)，創(chuàng)歷史新高。今年一季度全國(guó)硬質(zhì)合金產(chǎn)量為4622噸，同比增長(zhǎng)19.5%，但礦用硬質(zhì)合金為1379.29噸，同比增長(zhǎng)3.78%，產(chǎn)量增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯放緩。主要原因?yàn)榈V用硬質(zhì)合金有部分產(chǎn)品附加值低，受原材料價(jià)格影響較大。隨今年上半年原材料價(jià)格的快速增長(zhǎng)，有一部分生產(chǎn)廠家難以面對(duì)目前的價(jià)格上漲形勢(shì)。生產(chǎn)量增加不多甚至略有下降（見圖4、圖5、表1）。有些企業(yè)產(chǎn)量大幅增加。我認(rèn)為主要與技術(shù)創(chuàng)新、質(zhì)量提升和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整有關(guān)。

圖4 2011年上半年國(guó)內(nèi)鎢精礦價(jià)格變化

3 國(guó)內(nèi)外礦用硬質(zhì)合金工藝與技術(shù)進(jìn)步

3.1 超粗晶礦用硬質(zhì)合金

圖5 2011年上半年國(guó)內(nèi)APT價(jià)格變化

表1 2011年一季度國(guó)內(nèi)生產(chǎn)礦用硬質(zhì)合金的前十個(gè)廠家

按Sandvik公司有關(guān)硬質(zhì)合金的分類標(biāo)準(zhǔn)，合金中WC晶粒度為3.4-4.9μm、5.0-7.9μm、8.0-14μm的硬質(zhì)合金分別為粗晶粒、超粗晶粒和特粗晶粒硬度合金。在Co含量相同的條件下，與傳統(tǒng)的中、粗晶粒硬質(zhì)合金相比，超粗、特粗晶粒硬質(zhì)合金具有極高的熱導(dǎo)率，較高的斷裂韌性與紅硬性，較好的抗熱疲勞與抗熱沖擊性能，主要用于極端工況條件下軟巖的連續(xù)開采（如采煤、地鐵建設(shè)）與現(xiàn)代化公路、橋梁的連續(xù)作業(yè)（如挖路、鋪路），也可用于對(duì)韌性與抗熱疲勞、抗熱沖擊性能要求較高的沖壓模、冷鐓模、軋輥等。這類合金的市場(chǎng)需求量占硬質(zhì)合金市場(chǎng)需求總量的10%以上，具有非常廣闊的市場(chǎng)前景［3］。

目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)粗顆粒WC的方法有：①高溫還原高溫碳化法：生產(chǎn)的WC的供應(yīng)態(tài)小于20mm；②鋁熱法：美國(guó)肯納采用的生產(chǎn)粗顆粒碳化鎢，具有特粗單顆粒的特點(diǎn)，化合碳也很高，純度稍低；③摻雜生產(chǎn)法：此法在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。我們公司采用WOx摻雜堿金屬的，在低于1000℃的溫度下還原制備出超粗W粉，而后在1980℃高溫碳化制備超粗WC粉，再通過濕磨成型，燒結(jié)制備粗晶粒硬質(zhì)合金截煤齒和挖路齒，市場(chǎng)使用效果與山特維克產(chǎn)品相當(dāng)，目前我公司開發(fā)的粗晶粒硬質(zhì)合金牌號(hào)表2所示。

表2 我公司開發(fā)的粗晶粒硬質(zhì)合金牌號(hào)

3.2 梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金

礦用硬質(zhì)合金球齒通過低碳合金經(jīng)滲碳處理制取功能梯度硬質(zhì)合金是目前普遍采用的工藝方法。通常采用總碳含量比化學(xué)計(jì)量含量低0.1wt%-0.4wt%的碳化鎢為原料。碳化鎢的粒度一般在2μm-4μm范圍內(nèi)。滲碳處理時(shí)采用含甲烷、一氧化碳等含碳?xì)怏w作為滲碳?xì)夥铡⑼ㄟ^此工藝處理后的礦用硬質(zhì)合金球齒的鈷和鎢沿其直徑的分布圖見圖6［4］。

圖6 含η相的硬質(zhì)合金球齒在1 450℃下于滲碳?xì)夥罩刑幚? h后鈷和鎢沿其直徑的分布

用這種結(jié)構(gòu)的合金和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的鉆頭在各種鑿巖條件下對(duì)各種不同巖石進(jìn)行鑿孔的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鑲嵌功能梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的鉆頭顯示出極其優(yōu)異的使用性能。如表3、表4、表5所示。

結(jié)果表明：功能梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金潛孔鉆頭、牙輪鉆頭和釬片的壽命比常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭的壽命明顯提高。

瑞典山特維克鑿巖工具公司利用這項(xiàng)技術(shù)開發(fā)出的鑿巖工具用功能梯度式雙相（Dual Phase，簡(jiǎn)稱DP）結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，現(xiàn)已開發(fā)出3個(gè)牌號(hào)：DP55、DP60和DP65，其耐磨性和韌性均明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金。

表3 各種硬質(zhì)合金嵌入式鉆頭對(duì)磁鐵礦+矸石進(jìn)行鑿孔的試驗(yàn)結(jié)果

表4 各種硬質(zhì)合金潛孔鉆頭對(duì)腐蝕性花崗巖進(jìn)行鑿孔的試驗(yàn)結(jié)果

表5 各種硬質(zhì)合金牙輪鉆頭對(duì)帶石英礦脈的矸石進(jìn)行露天鑿孔的試驗(yàn)結(jié)果

3.3 雙粘結(jié)的礦用硬質(zhì)合金

WC-Co硬質(zhì)合金具有高彈性模量，高耐磨性和一定斷裂韌性的良好組合，但在鑿巖工具的實(shí)際應(yīng)用中因其斷裂韌性有限而易產(chǎn)生脆性斷裂。因此，提高斷裂韌性一直是改善硬質(zhì)合金品質(zhì)的驅(qū)動(dòng)力。

最近美國(guó)一家國(guó)際公司開發(fā)出一種新的工藝方法，這種工藝方法的實(shí)質(zhì)是通過顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使鈷的平均自由程最大化來提高合金的斷裂韌性，同時(shí)使完全致密的大的WCCo球粒鑲嵌在鈷金屬基體中以保持基體與普通硬質(zhì)合金相似的耐磨性。這種新型復(fù)合材料被稱為雙粘結(jié)或雙燒結(jié)硬質(zhì)合金，也可以看作是球粒狀金屬基體復(fù)合材料（如圖7所示）［5］。

圖7 雙粘結(jié)硬質(zhì)合金（a）和普通硬質(zhì)合金（b）的顯微結(jié)構(gòu)

雙粘結(jié)硬質(zhì)合金與普通硬質(zhì)合金相比，其突出的特點(diǎn)是硬質(zhì)合金相球粒不是由硬質(zhì)化合物（如WC），而是由燒結(jié)合金（如WCCo合金）球粒組成，也就是說其硬質(zhì)相是由難熔化合物與金屬鈷經(jīng)過燒結(jié)而成的成品硬質(zhì)材料球粒，然后將燒結(jié)球粒與金屬粘結(jié)劑混合并進(jìn)行第二次燒結(jié)，從而在不降低硬度的情況下使斷裂韌性大幅度提高。

各種不同球粒鈷含量和基體含量的雙粘結(jié)硬質(zhì)合金的力學(xué)性能如表6所示。

表6 雙粘結(jié)硬質(zhì)合金的力學(xué)性能和使用性能

雙粘結(jié)硬質(zhì)合金復(fù)合材料由于具有上述一些優(yōu)異性能，可在諸如采礦、建筑等特別需要高的斷裂韌性、耐磨性和硬度等力學(xué)性能的不同應(yīng)用領(lǐng)域中得到應(yīng)用，雙粘結(jié)硬質(zhì)合金制成的牙輪鉆頭、沖擊式鉆頭、刮刀鉆頭等三類工具中，由于其性能優(yōu)異在實(shí)際應(yīng)用中將會(huì)取得很好的效果。

3.4 加快企業(yè)技術(shù)改造，提高硬質(zhì)合金產(chǎn)品質(zhì)量

提高合金產(chǎn)品質(zhì)量首先要搞好企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。從設(shè)備及工藝技術(shù)方面來看，要抓住優(yōu)質(zhì)粉末制造，噴霧制粉代替人工摻拌橡膠工藝，雙向自助壓制代替單向壓制，多氣氛控制的壓力燒結(jié)代替真空燒結(jié)，以及采用行之有效的合金產(chǎn)品后處理等。自九十年代起到現(xiàn)在的二十多年的時(shí)間，充分證明了不實(shí)施上述技術(shù)改造的企業(yè)是不可能在產(chǎn)品質(zhì)量方面上層次的。

4 結(jié)論

（1）隨國(guó)家基本建設(shè)投入，礦用硬質(zhì)合金近幾年將有良好的發(fā)展空間。

（2）近幾年來，礦用硬質(zhì)合金通過自主創(chuàng)新和引進(jìn)、吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，大大縮短了與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。

（3）礦用硬質(zhì)合金今后的發(fā)展,仍是超粗晶、梯度結(jié)構(gòu)和雙粘結(jié)相結(jié)構(gòu)為主攻方向，工藝技術(shù)創(chuàng)新也同樣重要。

[1]胡銘，董鑫業(yè).我國(guó)釬鋼釬具產(chǎn)品現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，2011，（2）.

[2]羅菌.全國(guó)硬質(zhì)合金行業(yè)2000-2010年統(tǒng)計(jì)年鑒[Z].中國(guó)鎢業(yè)協(xié)會(huì)硬質(zhì)合金分會(huì).

[3]伏坤等.特粗硬質(zhì)合金制備工藝的開發(fā)[A].第十五屆全國(guó)釬鋼釬具年會(huì)論文集[C].2010，163-167.

[4]Sandvik.Hard Materials，Technical Info＼Understanding Cemented Carbide CrMn.Size［EB/OL］.2004-11-04.

[5]周建華.礦用硬質(zhì)合金發(fā)展動(dòng)向分析[J].鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，2010，（1）.