開發超細晶粒無鈷硬質合金制備技術及產品的可行性分析

一. 項目主要內容及意義：

　　硬質合金在1923～1925年由德國研制成功，1926年在德國投產，由于具有很高的硬度（HRA80～92），極高的抗壓強度（600Kg/mm2），故在軍事工業及其它各工業部門迅速被采用。我國自1952年開始大規模生產，目前工業發達國家均能生產。但70多年來，幾乎所有國家均采用（WC+Co）和（TiC·WC＋WC+Co）兩種基本成份，即均采用金屬鈷作為粘結碳化物的強化金屬。目前僅在硬質合金生產中世界年消耗金屬鈷約3000噸，但世界己探明的鈷礦儲量很少，僅夠60年使用。故金屬鈷己被列為戰略金屬儲備。

　　近年來從長期的生產經驗和最新的研究發現，在硬質合金的成份中，當粘結相不變時，決定其力學性能的關鍵因素主要是合金中的碳化物（WC）、（TiC、WC）的晶粒度，或從原料說，即是WC粉未的粒度。目前世界各國生產的WC粒度約分三種：粗顆粒（6～18μm）、中顆粒（3～5μm）、細顆粒（1.5～2.5μm）。盡管原有的生產技術每日都在改進，但最終只能用上述三種粒度的碳化物粉末生產相應的三種晶粒的硬質合金。當合金中WC的平均粒徑尺寸≤0.5μm時，這種合金稱為超細晶粒硬質合金。對硬質合金工作者來說，希望研制出一種新型合金的制備技術，這種技術最好能解決兩個問題：

　　（1）粘結金屬不用鈷；

　　（2）合金中WC平均晶粒≤0.5μm。

　　若能同時解決這兩個問題，最終可使硬質合金在保持性能與含鈷合金相同的情況下，成本可大幅度降低。近十年來，世界各工業大國（美、瑞、日、德、英、俄）等正以極大的熱情亟待研制出納米級硬質合金的生產技術，這些公司有：美國新澤西州（Rurgers大學），美國NANODYNE公司，美國GM公司，日本鎢業有限公司，日本住友公司，日本催化劑化工產品公司，日本伊澤硬質合金公司，德國維迪阿公司，德國赫爾特公司，加拿大溫哥華國際硬質合金工業公司，瑞典山德維克公司，俄羅斯烏克蘭硬質合金研究所等。這種競爭非常激烈，不僅是因為硬質合金在冶金、機械、礦山、交通、能源、軍事、精密儀器、計算機、人造金剛石等所有工業部門占有極重要的地位，更重要的是納米級超細硬質合金具有更特殊的、優異的綜合力學性能，一般硬質合金是難以與之相比的。近期從美國某公司研制出的納米級（WC-Co）系超細晶粒硬質合金微型鉆頭的報導可以看出，合金的耐磨性能遠遠超過一般的細顆粒硬質合金，使用性能提高了三倍。這一信息進一步引起了日本和歐美等國的興趣。據這些公司報導，目前僅歐美高技術市場對納米級硬質合金的需求量就達500噸／年，占世界硬質合金總量（2.8萬噸／年）的1／50～1／60。我國硬質合金總生產量約為7000噸／年，若按此比例計算，每年需要納米級硬質合金14O噸。但遺憾的是目前世界各國尚無廠家能夠進行小批量生產（3—5噸／年）。我國雖有個別單位開始研究納米級超細晶粒硬質合金的生產技術，但因技術含量高、難度大，到目前仍不能制造出WC平均晶粒≤0．5μm的硬質合金產品。考慮到我國鎢礦資源豐富，但無鈷礦資源，建國四十多年來生產硬質合金用的鈷一直靠進口，年需進口鈷650～700噸（按平均含鈷10％wt計算）。近年來世界鈷資源短缺，國際市場鈷價暴漲（國內鈷粉價高達600—800元/Kg），這種情況迫使我國較多硬質合金廠瀕臨倒閉。因此，如何在我國資源基礎上研制出適應我國國情的不含鈷的納米級超細晶粒硬質合金的制造技術一在世界范圍內也是首創的高新技術，不僅對我國硬質合金的發展和新產品開發具有重要的戰略意義，對世界各國來說同樣也具有十分重要的戰略意義。

二. 研究工作已取得的進展及成熟程度

　　1 中顆粒無鈷硬質合全的研究進展

　　不含鈷的（WC-Ni-Fe）系粗、中、細顆粒硬質合金本課題組已研究多年，國內外有許多老一輩學者曾幾度研究過這一課題。1990年本課題組有了突破性成果，在YG類硬質合金中用廉價的合金粉代替了金屬鈷粉，使硬質合金的性能（抗彎強度、硬度）全部達到并超過有鈷硬質合金的部頒標準性能。經過中試、批量生產，現己生產了礦山工具、機加工刀具、電動工具、拉拔（絲、管）模等。

　　2 納米綴超細晶粒無鈷硬質合金制備技術及產品的研究工作進展情況

　　納米級超細晶粒無鈷硬質合金的制備技術分三部分組成：

　　（1）納米級超細顆粒氧化物粉制備技術（國家863合同要求指標：氧化物粉未平均粒徑≤50nm）非驗收指標

　　（2）納米級超細WC粉末制備技術（國家863合同指標：WC粉未平均粒徑≤300nm）

非驗收指標

　　（3）成型燒結工藝及控制WC晶粒長大技術（國家863合同指標：合金成型燒結后最終WC平均晶粒≤500nm，合金硬度HRA≥90，合金抗彎強度≥3000N）

　　經過三年（1996～1998）研究，基本完成合同指標。

　　第（1）部分技術：為生產超細顆粒WC粉末提供生產原料。只有WO3，粉末的粒徑≤50nm，才能保證生產出WC粉的粒徑≤300nm。目前第（1）部分技術可保證每日（24h）生產20—25公斤超細顆粒WO3，粉末（采用超聲噴霧熱轉換技術）

　　第（2）部分技術：主要能提供平均粒徑≤300nm的WC粉末。目前可保證單臺設備設計能力每日（24h）生產20～30Kg的WC粉未

　　第（3）部分技術：主要由各種特殊成型設備和特殊燒結設備及相應的操作技術來保證。目的是解決成形密度低，燒結過程中WC晶粒長大和消除合金中殘留孔隙的問題。目前己掌握了常規模壓及真空一中壓燒結工藝。經過試驗，可使超細晶粒硬質合金的WC平均晶粒≤500nm，合金硬度≥90．7，合金抗彎強度≥3000N。全部完成（1996～1998）年度國家863高科技合同指標。在1999～2000年度，主要任務是建立生產線進行小批量（5～8噸／年）中試，并進行市場開拓。

三. 市場前景：

　　由于納米級硬質合金比常規硬質合金具有更高的強度、硬度、耐磨等性能，因此在近代產業中占據了重要的地位。據日本產業界統計，在計算機線路板加工行業中，每年需要納米級硬質合金麻花鉆6000萬支（約180億日元），但目前日本不具備納米級硬質合金生產技術，故只能用（0.5～1.5μm）微米級硬質合金代替。目前年生產30噸具有很高性能的微米級硬質合金很快被計算機工業采用。其它行業如精密機械、加工刀具、特種耐磨材料及零件、拉拔模具、高性能自動化刀具、光學器件等需求量更大。1996年美國NANODYNE公司己初步研制出（WC-Co）系納米級硬質合金制備技術，但只能提供試驗樣品，其微型麻花鉆的使用壽命可提高三倍；1997年大量投入資金，完善設備，目前己進入中試，但產量不足3噸／年，其產品性能很好。這一結果引起歐美各國極大的興趣。故各國近年來投入極大的人力物力進行開發研究，預計市場前景十分廣闊。

四. 生產規模及投資（年產值二億元）

　　據美國NANODYNE公司透露，（WC-Co）系硬質合金的銷售價格在短期內（1996～1998年）不會低于2000美元/Kg。隨著新技術的出現，其銷售價格很快就會下降，但十年內不會低于800美元/Kg。若按年產值二億元計算，其產量應為24噸／年（美元兌換率：l美元＝8.3元人民幣，銷售價格按1000美元/Kg），其設備投資約650萬元，工作人員40人，廠房面積2000平米，動力電源350KW，流動資金（原材料）700萬元。五. 效益分析：（按年產量24噸分析）

　　（1）原材料成本17萬元／噸

　　（2）設備折舊費（3年）9.03萬元／噸，每年216．7萬元

　　（3）工資（40人，2000元／人月）4萬元／噸，每年96萬元

　　（4）電費：（每度電0.55元）（4620元／日），（138.6萬元／年），（5.78萬元／噸）

　　（5）包裝運輸費：0.6萬元／噸

　　（6）廣告費：0.6萬元/噸

　　（7）雜費：0.5萬元／噸

　　合計成本： 37.51萬元／噸

　　出口銷售價：833萬元／噸，銷售額2億元，毛利795.8萬元/噸，年毛利1.9099億元。

　　若國內銷售價按200萬元／噸，每噸毛利162.49萬元／噸，年毛利（24噸／年）3899．76萬元／年。