开发超细晶粒无钴硬质合金制备技术及产品的可行性分析

一. 项目主要内容及意义：

　　硬质合金在1923～1925年由德国研制成功，1926年在德国投产，由于具有很高的硬度（HRA80～92），极高的抗压强度（600Kg/mm2），故在军事工业及其它各工业部门迅速被采用。我国自1952年开始大规模生产，目前工业发达国家均能生产。但70多年来，几乎所有国家均采用（WC+Co）和（TiC·WC＋WC+Co）两种基本成份，即均采用金属钴作为粘结碳化物的强化金属。目前仅在硬质合金生产中世界年消耗金属钴约3000吨，但世界己探明的钴矿储量很少，仅够60年使用。故金属钴己被列为战略金属储备。

　　近年来从长期的生产经验和最新的研究发现，在硬质合金的成份中，当粘结相不变时，决定其力学性能的关键因素主要是合金中的碳化物（WC）、（TiC、WC）的晶粒度，或从原料说，即是WC粉未的粒度。目前世界各国生产的WC粒度约分三种：粗颗粒（6～18μm）、中颗粒（3～5μm）、细颗粒（1.5～2.5μm）。尽管原有的生产技术每日都在改进，但最终只能用上述三种粒度的碳化物粉末生产相应的三种晶粒的硬质合金。当合金中WC的平均粒径尺寸≤0.5μm时，这种合金称为超细晶粒硬质合金。对硬质合金工作者来说，希望研制出一种新型合金的制备技术，这种技术最好能解决两个问题：

　　（1）粘结金属不用钴；

　　（2）合金中WC平均晶粒≤0.5μm。

　　若能同时解决这两个问题，最终可使硬质合金在保持性能与含钴合金相同的情况下，成本可大幅度降低。近十年来，世界各工业大国（美、瑞、日、德、英、俄）等正以极大的热情亟待研制出纳米级硬质合金的生产技术，这些公司有：美国新泽西州（Rurgers大学），美国NANODYNE公司，美国GM公司，日本钨业有限公司，日本住友公司，日本催化剂化工产品公司，日本伊泽硬质合金公司，德国维迪阿公司，德国赫尔特公司，加拿大温哥华国际硬质合金工业公司，瑞典山德维克公司，俄罗斯乌克兰硬质合金研究所等。这种竞争非常激烈，不仅是因为硬质合金在冶金、机械、矿山、交通、能源、军事、精密仪器、计算机、人造金刚石等所有工业部门占有极重要的地位，更重要的是纳米级超细硬质合金具有更特殊的、优异的综合力学性能，一般硬质合金是难以与之相比的。近期从美国某公司研制出的纳米级（WC-Co）系超细晶粒硬质合金微型钻头的报导可以看出，合金的耐磨性能远远超过一般的细颗粒硬质合金，使用性能提高了三倍。这一信息进一步引起了日本和欧美等国的兴趣。据这些公司报导，目前仅欧美高技术市场对纳米级硬质合金的需求量就达500吨／年，占世界硬质合金总量（2.8万吨／年）的1／50～1／60。我国硬质合金总生产量约为7000吨／年，若按此比例计算，每年需要纳米级硬质合金14O吨。但遗憾的是目前世界各国尚无厂家能够进行小批量生产（3—5吨／年）。我国虽有个别单位开始研究纳米级超细晶粒硬质合金的生产技术，但因技术含量高、难度大，到目前仍不能制造出WC平均晶粒≤0．5μm的硬质合金产品。考虑到我国钨矿资源丰富，但无钴矿资源，建国四十多年来生产硬质合金用的钴一直靠进口，年需进口钴650～700吨（按平均含钴10％wt计算）。近年来世界钴资源短缺，国际市场钴价暴涨（国内钴粉价高达600—800元/Kg），这种情况迫使我国较多硬质合金厂濒临倒闭。因此，如何在我国资源基础上研制出适应我国国情的不含钴的纳米级超细晶粒硬质合金的制造技术一在世界范围内也是首创的高新技术，不仅对我国硬质合金的发展和新产品开发具有重要的战略意义，对世界各国来说同样也具有十分重要的战略意义。

二. 研究工作已取得的进展及成熟程度

　　1 中颗粒无钴硬质合全的研究进展

　　不含钴的（WC-Ni-Fe）系粗、中、细颗粒硬质合金本课题组已研究多年，国内外有许多老一辈学者曾几度研究过这一课题。1990年本课题组有了突破性成果，在YG类硬质合金中用廉价的合金粉代替了金属钴粉，使硬质合金的性能（抗弯强度、硬度）全部达到并超过有钴硬质合金的部颁标准性能。经过中试、批量生产，现己生产了矿山工具、机加工刀具、电动工具、拉拔（丝、管）模等。

　　2 纳米缀超细晶粒无钴硬质合金制备技术及产品的研究工作进展情况

　　纳米级超细晶粒无钴硬质合金的制备技术分三部分组成：

　　（1）纳米级超细颗粒氧化物粉制备技术（国家863合同要求指标：氧化物粉未平均粒径≤50nm）非验收指标

　　（2）纳米级超细WC粉末制备技术（国家863合同指标：WC粉未平均粒径≤300nm）

非验收指标

　　（3）成型烧结工艺及控制WC晶粒长大技术（国家863合同指标：合金成型烧结后最终WC平均晶粒≤500nm，合金硬度HRA≥90，合金抗弯强度≥3000N）

　　经过三年（1996～1998）研究，基本完成合同指标。

　　第（1）部分技术：为生产超细颗粒WC粉末提供生产原料。只有WO3，粉末的粒径≤50nm，才能保证生产出WC粉的粒径≤300nm。目前第（1）部分技术可保证每日（24h）生产20—25公斤超细颗粒WO3，粉末（采用超声喷雾热转换技术）

　　第（2）部分技术：主要能提供平均粒径≤300nm的WC粉末。目前可保证单台设备设计能力每日（24h）生产20～30Kg的WC粉未

　　第（3）部分技术：主要由各种特殊成型设备和特殊烧结设备及相应的操作技术来保证。目的是解决成形密度低，烧结过程中WC晶粒长大和消除合金中残留孔隙的问题。目前己掌握了常规模压及真空一中压烧结工艺。经过试验，可使超细晶粒硬质合金的WC平均晶粒≤500nm，合金硬度≥90．7，合金抗弯强度≥3000N。全部完成（1996～1998）年度国家863高科技合同指标。在1999～2000年度，主要任务是建立生产线进行小批量（5～8吨／年）中试，并进行市场开拓。

三. 市场前景：

　　由于纳米级硬质合金比常规硬质合金具有更高的强度、硬度、耐磨等性能，因此在近代产业中占据了重要的地位。据日本产业界统计，在计算机线路板加工行业中，每年需要纳米级硬质合金麻花钻6000万支（约180亿日元），但目前日本不具备纳米级硬质合金生产技术，故只能用（0.5～1.5μm）微米级硬质合金代替。目前年生产30吨具有很高性能的微米级硬质合金很快被计算机工业采用。其它行业如精密机械、加工刀具、特种耐磨材料及零件、拉拔模具、高性能自动化刀具、光学器件等需求量更大。1996年美国NANODYNE公司己初步研制出（WC-Co）系纳米级硬质合金制备技术，但只能提供试验样品，其微型麻花钻的使用寿命可提高三倍；1997年大量投入资金，完善设备，目前己进入中试，但产量不足3吨／年，其产品性能很好。这一结果引起欧美各国极大的兴趣。故各国近年来投入极大的人力物力进行开发研究，预计市场前景十分广阔。

四. 生产规模及投资（年产值二亿元）

　　据美国NANODYNE公司透露，（WC-Co）系硬质合金的销售价格在短期内（1996～1998年）不会低于2000美元/Kg。随着新技术的出现，其销售价格很快就会下降，但十年内不会低于800美元/Kg。若按年产值二亿元计算，其产量应为24吨／年（美元兑换率：l美元＝8.3元人民币，销售价格按1000美元/Kg），其设备投资约650万元，工作人员40人，厂房面积2000平米，动力电源350KW，流动资金（原材料）700万元。五. 效益分析：（按年产量24吨分析）

　　（1）原材料成本17万元／吨

　　（2）设备折旧费（3年）9.03万元／吨，每年216．7万元

　　（3）工资（40人，2000元／人月）4万元／吨，每年96万元

　　（4）电费：（每度电0.55元）（4620元／日），（138.6万元／年），（5.78万元／吨）

　　（5）包装运输费：0.6万元／吨

　　（6）广告费：0.6万元/吨

　　（7）杂费：0.5万元／吨

　　合计成本： 37.51万元／吨

　　出口销售价：833万元／吨，销售额2亿元，毛利795.8万元/吨，年毛利1.9099亿元。

　　若国内销售价按200万元／吨，每吨毛利162.49万元／吨，年毛利（24吨／年）3899．76万元／年。