開發(fā)超細(xì)晶粒無(wú)鈷硬質(zhì)合金制備技術(shù)及產(chǎn)品的可行性分析

一. 項(xiàng)目主要內(nèi)容及意義：

　　硬質(zhì)合金在1923～1925年由德國(guó)研制成功，1926年在德國(guó)投產(chǎn)，由于具有很高的硬度（HRA80～92），極高的抗壓強(qiáng)度（600Kg/mm2），故在軍事工業(yè)及其它各工業(yè)部門迅速被采用。我國(guó)自1952年開始大規(guī)模生產(chǎn)，目前工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家均能生產(chǎn)。但70多年來(lái)，幾乎所有國(guó)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(jié)碳化物的強(qiáng)化金屬。目前僅在硬質(zhì)合金生產(chǎn)中世界年消耗金屬鈷約3000噸，但世界己探明的鈷礦儲(chǔ)量很少，僅夠60年使用。故金屬鈷己被列為戰(zhàn)略金屬儲(chǔ)備。

　　近年來(lái)從長(zhǎng)期的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和最新的研究發(fā)現(xiàn)，在硬質(zhì)合金的成份中，當(dāng)粘結(jié)相不變時(shí)，決定其力學(xué)性能的關(guān)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(shuō)，即是WC粉未的粒度。目前世界各國(guó)生產(chǎn)的WC粒度約分三種：粗顆粒（6～18μm）、中顆粒（3～5μm）、細(xì)顆粒（1.5～2.5μm）。盡管原有的生產(chǎn)技術(shù)每日都在改進(jìn)，但最終只能用上述三種粒度的碳化物粉末生產(chǎn)相應(yīng)的三種晶粒的硬質(zhì)合金。當(dāng)合金中WC的平均粒徑尺寸≤0.5μm時(shí)，這種合金稱為超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金。對(duì)硬質(zhì)合金工作者來(lái)說(shuō)，希望研制出一種新型合金的制備技術(shù)，這種技術(shù)最好能解決兩個(gè)問(wèn)題：

　　（1）粘結(jié)金屬不用鈷；

　　（2）合金中WC平均晶粒≤0.5μm。

　　若能同時(shí)解決這兩個(gè)問(wèn)題，最終可使硬質(zhì)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(lái)，世界各工業(yè)大國(guó)（美、瑞、日、德、英、俄）等正以極大的熱情亟待研制出納米級(jí)硬質(zhì)合金的生產(chǎn)技術(shù)，這些公司有：美國(guó)新澤西州（Rurgers大學(xué)），美國(guó)NANODYNE公司，美國(guó)GM公司，日本鎢業(yè)有限公司，日本住友公司，日本催化劑化工產(chǎn)品公司，日本伊澤硬質(zhì)合金公司，德國(guó)維迪阿公司，德國(guó)赫爾特公司，加拿大溫哥華國(guó)際硬質(zhì)合金工業(yè)公司，瑞典山德維克公司，俄羅斯烏克蘭硬質(zhì)合金研究所等。這種競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，不僅是因?yàn)橛操|(zhì)合金在冶金、機(jī)械、礦山、交通、能源、軍事、精密儀器、計(jì)算機(jī)、人造金剛石等所有工業(yè)部門占有極重要的地位，更重要的是納米級(jí)超細(xì)硬質(zhì)合金具有更特殊的、優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，一般硬質(zhì)合金是難以與之相比的。近期從美國(guó)某公司研制出的納米級(jí)（WC-Co）系超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金微型鉆頭的報(bào)導(dǎo)可以看出，合金的耐磨性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般的細(xì)顆粒硬質(zhì)合金，使用性能提高了三倍。這一信息進(jìn)一步引起了日本和歐美等國(guó)的興趣。據(jù)這些公司報(bào)導(dǎo)，目前僅歐美高技術(shù)市場(chǎng)對(duì)納米級(jí)硬質(zhì)合金的需求量就達(dá)500噸／年，占世界硬質(zhì)合金總量（2.8萬(wàn)噸／年）的1／50～1／60。我國(guó)硬質(zhì)合金總生產(chǎn)量約為7000噸／年，若按此比例計(jì)算，每年需要納米級(jí)硬質(zhì)合金14O噸。但遺憾的是目前世界各國(guó)尚無(wú)廠家能夠進(jìn)行小批量生產(chǎn)（3—5噸／年）。我國(guó)雖有個(gè)別單位開始研究納米級(jí)超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的生產(chǎn)技術(shù)，但因技術(shù)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(zhì)合金產(chǎn)品。考慮到我國(guó)鎢礦資源豐富，但無(wú)鈷礦資源，建國(guó)四十多年來(lái)生產(chǎn)硬質(zhì)合金用的鈷一直靠進(jìn)口，年需進(jìn)口鈷650～700噸（按平均含鈷10％wt計(jì)算）。近年來(lái)世界鈷資源短缺，國(guó)際市場(chǎng)鈷價(jià)暴漲（國(guó)內(nèi)鈷粉價(jià)高達(dá)600—800元/Kg），這種情況迫使我國(guó)較多硬質(zhì)合金廠瀕臨倒閉。因此，如何在我國(guó)資源基礎(chǔ)上研制出適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的不含鈷的納米級(jí)超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的制造技術(shù)一在世界范圍內(nèi)也是首創(chuàng)的高新技術(shù)，不僅對(duì)我國(guó)硬質(zhì)合金的發(fā)展和新產(chǎn)品開發(fā)具有重要的戰(zhàn)略意義，對(duì)世界各國(guó)來(lái)說(shuō)同樣也具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

二. 研究工作已取得的進(jìn)展及成熟程度

　　1 中顆粒無(wú)鈷硬質(zhì)合全的研究進(jìn)展

　　不含鈷的（WC-Ni-Fe）系粗、中、細(xì)顆粒硬質(zhì)合金本課題組已研究多年，國(guó)內(nèi)外有許多老一輩學(xué)者曾幾度研究過(guò)這一課題。1990年本課題組有了突破性成果，在YG類硬質(zhì)合金中用廉價(jià)的合金粉代替了金屬鈷粉，使硬質(zhì)合金的性能（抗彎強(qiáng)度、硬度）全部達(dá)到并超過(guò)有鈷硬質(zhì)合金的部頒標(biāo)準(zhǔn)性能。經(jīng)過(guò)中試、批量生產(chǎn)，現(xiàn)己生產(chǎn)了礦山工具、機(jī)加工刀具、電動(dòng)工具、拉拔（絲、管）模等。

　　2 納米綴超細(xì)晶粒無(wú)鈷硬質(zhì)合金制備技術(shù)及產(chǎn)品的研究工作進(jìn)展情況

　　納米級(jí)超細(xì)晶粒無(wú)鈷硬質(zhì)合金的制備技術(shù)分三部分組成：

　　（1）納米級(jí)超細(xì)顆粒氧化物粉制備技術(shù)（國(guó)家863合同要求指標(biāo)：氧化物粉未平均粒徑≤50nm）非驗(yàn)收指標(biāo)

　　（2）納米級(jí)超細(xì)WC粉末制備技術(shù)（國(guó)家863合同指標(biāo)：WC粉未平均粒徑≤300nm）

非驗(yàn)收指標(biāo)

　　（3）成型燒結(jié)工藝及控制WC晶粒長(zhǎng)大技術(shù)（國(guó)家863合同指標(biāo)：合金成型燒結(jié)后最終WC平均晶粒≤500nm，合金硬度HRA≥90，合金抗彎強(qiáng)度≥3000N）

　　經(jīng)過(guò)三年（1996～1998）研究，基本完成合同指標(biāo)。

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

　　第（2）部分技術(shù)：主要能提供平均粒徑≤300nm的WC粉末。目前可保證單臺(tái)設(shè)備設(shè)計(jì)能力每日（24h）生產(chǎn)20～30Kg的WC粉未

　　第（3）部分技術(shù)：主要由各種特殊成型設(shè)備和特殊燒結(jié)設(shè)備及相應(yīng)的操作技術(shù)來(lái)保證。目的是解決成形密度低，燒結(jié)過(guò)程中WC晶粒長(zhǎng)大和消除合金中殘留孔隙的問(wèn)題。目前己掌握了常規(guī)模壓及真空一中壓燒結(jié)工藝。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，可使超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的WC平均晶粒≤500nm，合金硬度≥90．7，合金抗彎強(qiáng)度≥3000N。全部完成（1996～1998）年度國(guó)家863高科技合同指標(biāo)。在1999～2000年度，主要任務(wù)是建立生產(chǎn)線進(jìn)行小批量（5～8噸／年）中試，并進(jìn)行市場(chǎng)開拓。

三. 市場(chǎng)前景：

　　由于納米級(jí)硬質(zhì)合金比常規(guī)硬質(zhì)合金具有更高的強(qiáng)度、硬度、耐磨等性能，因此在近代產(chǎn)業(yè)中占據(jù)了重要的地位。據(jù)日本產(chǎn)業(yè)界統(tǒng)計(jì)，在計(jì)算機(jī)線路板加工行業(yè)中，每年需要納米級(jí)硬質(zhì)合金麻花鉆6000萬(wàn)支（約180億日元），但目前日本不具備納米級(jí)硬質(zhì)合金生產(chǎn)技術(shù)，故只能用（0.5～1.5μm）微米級(jí)硬質(zhì)合金代替。目前年生產(chǎn)30噸具有很高性能的微米級(jí)硬質(zhì)合金很快被計(jì)算機(jī)工業(yè)采用。其它行業(yè)如精密機(jī)械、加工刀具、特種耐磨材料及零件、拉拔模具、高性能自動(dòng)化刀具、光學(xué)器件等需求量更大。1996年美國(guó)NANODYNE公司己初步研制出（WC-Co）系納米級(jí)硬質(zhì)合金制備技術(shù)，但只能提供試驗(yàn)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(shè)備，目前己進(jìn)入中試，但產(chǎn)量不足3噸／年，其產(chǎn)品性能很好。這一結(jié)果引起歐美各國(guó)極大的興趣。故各國(guó)近年來(lái)投入極大的人力物力進(jìn)行開發(fā)研究，預(yù)計(jì)市場(chǎng)前景十分廣闊。

四. 生產(chǎn)規(guī)模及投資（年產(chǎn)值二億元）

　　據(jù)美國(guó)NANODYNE公司透露，（WC-Co）系硬質(zhì)合金的銷售價(jià)格在短期內(nèi)（1996～1998年）不會(huì)低于2000美元/Kg。隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，其銷售價(jià)格很快就會(huì)下降，但十年內(nèi)不會(huì)低于800美元/Kg。若按年產(chǎn)值二億元計(jì)算，其產(chǎn)量應(yīng)為24噸／年（美元兌換率：l美元＝8.3元人民幣，銷售價(jià)格按1000美元/Kg），其設(shè)備投資約650萬(wàn)元，工作人員40人，廠房面積2000平米，動(dòng)力電源350KW，流動(dòng)資金（原材料）700萬(wàn)元。五. 效益分析：（按年產(chǎn)量24噸分析）

　　（1）原材料成本17萬(wàn)元／噸

　　（2）設(shè)備折舊費(fèi)（3年）9.03萬(wàn)元／噸，每年216．7萬(wàn)元

　　（3）工資（40人，2000元／人月）4萬(wàn)元／噸，每年96萬(wàn)元

　　（4）電費(fèi)：（每度電0.55元）（4620元／日），（138.6萬(wàn)元／年），（5.78萬(wàn)元／噸）

　　（5）包裝運(yùn)輸費(fèi)：0.6萬(wàn)元／噸

　　（6）廣告費(fèi)：0.6萬(wàn)元/噸

　　（7）雜費(fèi)：0.5萬(wàn)元／噸

　　合計(jì)成本： 37.51萬(wàn)元／噸

　　出口銷售價(jià)：833萬(wàn)元／噸，銷售額2億元，毛利795.8萬(wàn)元/噸，年毛利1.9099億元。

　　若國(guó)內(nèi)銷售價(jià)按200萬(wàn)元／噸，每噸毛利162.49萬(wàn)元／噸，年毛利（24噸／年）3899．76萬(wàn)元／年。