中國鎢加工業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
中國是一個鎢的資源大國，半個多世紀以來，為世界鎢工業(yè)的發(fā)展作出過重大貢獻。特別是近幾十年來，中國鎢工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)從出口鎢精礦、進口鎢制品，逐步發(fā) 展成鎢加工制品基本滿足了國內(nèi)需求，并發(fā)展成多種鎢制品可以大量出口的產(chǎn)業(yè)國。這不僅從根本上改變了中國鎢工業(yè)的局面，并較成功地為中國國防工業(yè)的發(fā)展與 國民經(jīng)濟建設作出了十分重要的貢獻。在鎢加工產(chǎn)品的多個領域無論是產(chǎn)能，還是產(chǎn)量都名列世界前茅，成為真正的世界公認的產(chǎn)業(yè)大國，但是在鎢加工技術的某些 方面與世界先進國家相比還存在一定差距，要成為真正的鎢加工技術的世界強國還需努力。
1 鎢制品在國家建設中的重要作用
鎢加工材包括硬質(zhì)合金、鎢基合金、鎢絲、鎢電極等，由于這些材料的生產(chǎn)規(guī)模和性能已達到或接近世界水平，較好地滿足中國國民經(jīng)濟建設和國防建設的需求，為中國國民經(jīng)濟建設的高速發(fā)展和國防建設現(xiàn)代化作了重大貢獻，使中國能以一種全新的姿態(tài)立足于世界之林。
1.1 鎢基合金在國防和國民經(jīng)濟建設中的重要作用
(1)在航天航空工業(yè)中的應用。中國20世紀60年代研制出的第一代鎢基高比重合金由于性能優(yōu)異，自誕生后立即在中國自行研制的第一顆人造衛(wèi)星的導航儀中 得到成功應用，隨后這種新材料先后在我國第一枚洲際導彈及自行研制的各種新型殲擊機、直升機中得到成功的應用。為滿足中國通訊衛(wèi)星研制的需求，又成功地研 制出一種密度高達18.5g/cm3的新型鎢基高比重合金。多種高性能的W-Cu合金在火箭(導彈)燃燒室、噴管、喉襯、方向舵等高溫部件的研制中得到應 用。
(2)在軍工工業(yè)中的應用。中國W-Ni-Fe高比重合金的研制成功，為各種穿、破甲彈的研制提供了關鍵材料。W-Ni-Cu高比重合金做陀螺轉子材料在中國的第一艘核潛艇的研制中同樣發(fā)揮了重要作用。
(3)在核工業(yè)和民用工業(yè)中的應用。在核能工業(yè)中，用做核反應堆的隔熱與防輻射材料，鎢基高比重合金具有良好的應用前景。在民用工業(yè)中，鎢基高密度合金得 到了更廣泛的應用，手機振子和高爾夫球桿上的配重便屬于量大面廣的產(chǎn)品。在電熱加工中做性能優(yōu)異的砧塊材料使電鐓粗的生產(chǎn)效率成百倍的提高，具有顯著的經(jīng) 濟效益。
1.2 硬質(zhì)合金在國防與國民經(jīng)濟建設中的重要作用
由于硬質(zhì)合金的出現(xiàn)使切削加工速度成十倍地提高而引起機加工工業(yè)的一次革命。中國硬質(zhì)合金工業(yè)的發(fā)展為中國提供了各種切削加工用刀具。使中國機加工工業(yè)得 以高速發(fā)展。中國汽車2009年產(chǎn)能達到1300萬輛，假如沒有國產(chǎn)的足夠品種與數(shù)量的硬質(zhì)合金來保證，要實現(xiàn)這一目標將成為空談，而石油開發(fā)中用到的大 量鉆具，硬質(zhì)合金更具有難以取代的地位。在高速公路和鐵路的建設中需用到大量的挖掘機械，這些機械中的大量耐磨損、耐沖擊零部件的制造，硬質(zhì)合金更可發(fā)揮 其獨特的功效。
在國防建設中要用到大量高性能或特異性能的新材料，要加工成各種零部件，遇到的第一個難題是加工用刀具材料的開發(fā)，而中國自行研制的新型硬質(zhì)合金便很好地解決了這類難題，為中國國防現(xiàn)代化作出了積極貢獻。
1.3 鎢加工材在國民經(jīng)濟建設中的作用
第一根鎢絲的出現(xiàn)給人類帶來了光明，中國鎢絲的品種與產(chǎn)量保證了千家萬戶照明用鎢絲的需求，而耐震鎢絲等高技術含量產(chǎn)品的研制成功，更改變了中國鎢制品的 出口結構。鎢除了具有很高的耐高溫性能外，更具有很強的吸收射線的功能，因此，在當今核能工業(yè)發(fā)展中鎢板將發(fā)揮巨大的作用。
綜上所述，鎢加工工業(yè)的發(fā)展不僅對國民經(jīng)濟建設有舉足輕重的影響，對國防現(xiàn)代化建設更是具有非常重要的作用。
2 中國鎢加工材的生產(chǎn)現(xiàn)狀
經(jīng)過60年的飛速發(fā)展，中國鎢加工材產(chǎn)業(yè)從無到有，從小到大，已經(jīng)發(fā)展成為世界級的產(chǎn)業(yè)大國。
2.1 硬質(zhì)合金
2.1.1 中國硬質(zhì)合金的產(chǎn)能已居世界第一
建國初期，我國僅在大連電冶廠有硬質(zhì)合金作坊，年產(chǎn)幾十公斤硬質(zhì)合金，經(jīng)過60年的頑強拼搏，中國硬質(zhì)合金的生產(chǎn)能力有了飛速發(fā)展。近年來中國硬質(zhì)合金產(chǎn) 能在穩(wěn)步上升，根據(jù)對中國48家硬質(zhì)合金主要生產(chǎn)廠家進行的統(tǒng)計結果顯示，中國硬質(zhì)合金產(chǎn)能已達3000t，而中國目前擁有的硬質(zhì)合金生產(chǎn)廠家據(jù)不完全統(tǒng) 計約有400家，當然有相當一部分年產(chǎn)量較小的小廠，但總產(chǎn)能應該可以達到約40000 t，即中國硬質(zhì)合金的產(chǎn)能已是世界第一。
2.1.2 中國硬質(zhì)合金的產(chǎn)量已居世界第一
中國硬質(zhì)合金的產(chǎn)量到本世紀初已達到較穩(wěn)定的狀態(tài)，即年產(chǎn)量達16000 t左右，約占世界硬質(zhì)合金產(chǎn)量的40％，但應該指出的是這些數(shù)據(jù)也是基于48個主要硬質(zhì)合金生產(chǎn)廠家的統(tǒng)計, 而中國目前已擁有400余家硬質(zhì)合金生產(chǎn)廠家，故年總產(chǎn)量應該是20000 t以上，所以中國已成為世界上最大的硬質(zhì)合金生產(chǎn)國家。
2.1.3 中國硬質(zhì)合金產(chǎn)品結構
中國硬質(zhì)合金三大產(chǎn)品即切削刀具、礦用硬質(zhì)合金和耐磨零件用硬質(zhì)合金的產(chǎn)量約達5000 t。這些數(shù)據(jù)說明中國硬質(zhì)合金產(chǎn)品的結構正在趨于合理發(fā)展，能較好地滿足各行各業(yè)對硬質(zhì)合金產(chǎn)品的需求。
2.2 鎢基合金
中國鎢基合金發(fā)展較晚，實際上是從20世紀50年代末期才開始研發(fā)，但到20世紀末期卻呈現(xiàn)一個高速發(fā)展的局面。
2.2.1鎢基高比重合金
中國鎢基高比重合金從20世紀50年代末開始研究，在1965年研究成功第一種W-Ni—Cu高比重合金，但其產(chǎn)量規(guī)模一直較低。在20世紀90年代以前 其產(chǎn)量僅約100 t／a，但進入21紀卻出現(xiàn)了一個高速發(fā)展的局面。到2006年中國鎢基高比重合金的生產(chǎn)廠家已發(fā)展到74家，年產(chǎn)量已達2770 t，到2009年產(chǎn)量已超過3000 t。
2．2．2鎢一銅合金
W—Cu合金是一類十分重要的電工材料，也是一類具有十分重要意義的軍工材料，因此其研發(fā)備受關注。中國W—Cu合金起步于20世紀60年代，但其產(chǎn)量規(guī) 模一直較低，由于電子、電氣行業(yè)的快速發(fā)展，極大地刺激了對W—Cu合金的需求，到21世紀初期有了較快的發(fā)展。
進入21世紀后中國W—Cu合金的產(chǎn)量成倍地增長，到2005年其產(chǎn)量超過600t，銷售收入達3929萬元，2008年產(chǎn)銷超過1億元。
2.3 鎢 材
中國鎢加工材發(fā)展速度較快，燈用鎢絲的產(chǎn)量2009年達近300億m，居世界首位。中國鎢絲材產(chǎn)量是繼硬質(zhì)合金之后第二大鎢制品，其產(chǎn)量占整個鎢制品的29％以上。
2.3.1 鎢 絲
中國粗鎢絲與細鎢絲的產(chǎn)能、產(chǎn)量與消費量逐年增長，從20世紀70年代中期以來，中國鎢絲加工業(yè)發(fā)生了質(zhì)的變化，從主要以增加產(chǎn)量為主的發(fā)展模式向提高技 術水平和提高經(jīng)濟效益為目的的發(fā)展模式轉變。進入21世紀后，中國粗、細鎢絲的產(chǎn)能、產(chǎn)量與消費量均呈上升趨勢，而且出口量也在遞增。
2.3.2 電極用鎢棒材
鎢棒材的直接應用領域主要是用做鎢電極材料，目前世界每年使用的鎢電極的總消耗量已達1600 t,市場需求隨著經(jīng)濟發(fā)展仍在增長。中國鎢電極的年產(chǎn)量約占全世界鎢電極產(chǎn)量的3／4。近年來中國鎢棒材和鎢電極產(chǎn)量以極快的速度增長，2007年達到 1000 t，較1996年增長了20倍以上。
綜上所述，中國硬質(zhì)合金、鎢基高比重合金、鎢絲和鎢電極等產(chǎn)品的產(chǎn)量已占世界總產(chǎn)量非常高的比重，中國已成為世界鎢制品生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)大國。
3 中國鎢加工材與國外的差距
中國鎢制品的產(chǎn)量與產(chǎn)能已成為世界大國，但整體來說與世界先進水平相比尚存在一些差距，這是我們今后努力的方向。
3.1 硬質(zhì)合金與國外的差距
中國硬質(zhì)合金產(chǎn)量大，質(zhì)量也有大幅度提高，但超細和納米結構硬質(zhì)合金、超粗晶粒硬質(zhì)合金、超大型硬質(zhì)合金制品和深加工、高附加值硬質(zhì)合金制品等與世界先進水平比尚存在較大的差距。
3.1.1 超細及納米結構硬質(zhì)合金
中國已有多個企業(yè)可以批量制備BET粒度小于0.2μm的WC粉末，并可批量生產(chǎn)晶粒度為0.4μm左右的超細晶硬質(zhì)合金。但國外已能工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)粒徑為 0.2μm的超細硬質(zhì)合金。表1列出了Sandvik公司PCB微鉆用PN90硬質(zhì)合金的性能數(shù)據(jù)。這種硬質(zhì)合金的平均粒徑僅為0.2μm，其抗彎強度高 達4700 MPa，比中國生產(chǎn)的超細硬質(zhì)合金高了約1000 MPa。而超細晶粒硬質(zhì)合金是大量生產(chǎn)高附加值深加工硬質(zhì)合金的必備材料。據(jù)報道，一支0.08 mm僅重5g的硬質(zhì)合金微鉆，市場售價高達600-700元。目前應用廣泛的超細硬質(zhì)合金世界產(chǎn)量達1.5萬t，而中國年產(chǎn)量不到2000 t，而且質(zhì)量有待提高。
表1 Sandvik公司PCB微鉆用PN90硬質(zhì)合金的性能
Co/% 密度/（g·cm-3） HV30 HRA 抗彎強度/MPa 抗壓強度/MPa 平均粒徑/μm
9 14.55 1950 93.9 4700 8000 0.2
3.1.2 超粗晶粒硬質(zhì)合金
與傳統(tǒng)的中、粗晶粒硬質(zhì)合金相比，在含鈷量相同的情況下，超粗、特粗晶粒硬質(zhì)合金將具有極高的熱導率、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。主要用作極端工況條件下軟巖的連續(xù)開采(如采煤、地鐵建設)與現(xiàn)代高速公路與橋梁的連續(xù)作業(yè)(如挖路、鋪路)，以及對韌性與抗熱疲勞、抗熱沖擊性能 要求較高的沖壓模、冷鐓模和軋輥等的制造。這類合金的市場需求量約占硬質(zhì)合金總市場量的10％以上，具有廣闊的市場前景。
中國目前能生產(chǎn)的硬質(zhì)合金晶粒度一般在0.4～3.5μm之間，對晶粒度在3.5μm以上的粗晶合金在合金性能與使用壽命等方面與國外相比尚有較大差距。 而Sandvik公司已可生產(chǎn)WC晶粒度為3.5~4.8μm、5.0～7.7 μm和8.0～14μm的粗晶、超粗晶與特粗晶硬質(zhì)合金。表2為Sandvik公司生產(chǎn)的熱軋用硬質(zhì)合金的性能。
硬質(zhì)合金的性能指標
表2 Sandvik公司熱軋用C30T與H10T
牌號 WC/% Co/% Ni/% Cr/% 密度/(g·cm-3) HRA 抗彎強度/Mpa 抗壓強度/MPa 平均粒徑/μm
C30T 70 13 13 2 12.7 81.5 2700 3000 5
H10T 90 10 14.5 86.2 3100 3500 8
3.1.3 超大型硬質(zhì)合金制品
超大型硬質(zhì)合金制品的生產(chǎn)在中國已有很快的發(fā)展，株硬集團可以生產(chǎn)的輥環(huán)直徑可達430 mm、 高190 mm、重達320 kg。Sandvik公司已建立了一個完整的輥環(huán)生產(chǎn)線,最大輥環(huán)直徑可達445 mm該 公司生產(chǎn)的CT、CR及CG硬質(zhì)合金輥環(huán)達12種。 德國赫爾特公司生產(chǎn)的MN及MNC硬質(zhì)合金輥環(huán)系列產(chǎn)品多達10種。與國外相比中國在超大型硬質(zhì)合金生產(chǎn)的差距主要體現(xiàn)在在線控制技術方面，由此而帶來產(chǎn) 品質(zhì)量的穩(wěn)定性與國外有一定的差距。
3.1.4 功能梯度硬質(zhì)合金
國外已可用多種方法生產(chǎn)出多品種梯度硬質(zhì)合金，如表面層富碳、表面層富粘結相、表面層貧粘結相、表面層貧立方相、表面層富立方相等多種梯度硬質(zhì)合金。瑞典 的Sandvik和日本的住友公司已能大批量穩(wěn)定生產(chǎn)，并形成相應的商品牌號。我國雖做了不少開發(fā)研究，但與國外先進水平相比尚有差距。
3.2 鎢基高比重合金
中國已是一個鎢基高比重合金的生產(chǎn)大國，W—Ni—Cu與W-Ni-Fe兩系列的合金有20多個牌號,產(chǎn)品整體水平已達國際先進水平。但中國的形變技術比 較單一，設備條件也受到一定限制，因此中國生產(chǎn)的穿甲彈彈芯用鎢基高比重合金的性能與國外相比還存在差距。表3列出了中國與德國生產(chǎn)的鎢基高比重合金穿甲 彈彈芯材料性能的相關數(shù)據(jù)，說明在抗拉強度與穿甲厚度等方面有較大的差距。
表3 中國和德國鎢基高比重合金性能對比
生產(chǎn)國家 型號 抗拉強度/MPa 2000m穿四厚度/mm
中國 GW-35 1247 600
德國 MD53 1600 900
3．3 鎢板材
鎢板材加工國外已形成年產(chǎn)1000 t以上的生產(chǎn)規(guī)模，奧地利、美國與日本是主要生產(chǎn)國，其中奧地利的P1ansee公司是世界產(chǎn)量最大、技術最先進的鎢板生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)鎢板300 t以上。該公司采用粉末冶金技術制取純鎢板。經(jīng)高溫軋制開坯和冷軋變形的技術已經(jīng)能批量生產(chǎn)最小厚度為0.025mm、最大厚度為500 mm、最大長度為1500 mm的超薄、超大型鎢板材，而中國只能生產(chǎn)最小厚度為0.2 mm、最大寬度為400 mm的鎢板，即中國尚無法生產(chǎn)超薄、超厚的鎢板。這說明在加工技術與裝備等方面與國外相比尚有較大的差距。
4 中國鎢加工材的發(fā)展趨勢
中國鎢工業(yè)已由資源輸出型發(fā)展成為鎢制品應用在多個領域的產(chǎn)業(yè)大國，這是一個重大的飛躍。在未來10年至20年，中國鎢加工工業(yè)的發(fā)展方向如何，是值得鎢 業(yè)領域的科學家與企業(yè)家深入思考的重大問題。筆者提出一些粗淺的看法，算是拋磚引玉，以期經(jīng)過10年或者20年的努力，將中國建設成為一個鎢業(yè)科技進步的 世界強國。
4.1 硬質(zhì)合金
4.1.1 產(chǎn)能與產(chǎn)量
中國硬質(zhì)合金的產(chǎn)能與產(chǎn)量已占世界總產(chǎn)能與產(chǎn)量相當大的比重，建議在未來5年中，中國應盡量控制硬質(zhì)合金的產(chǎn)量，使之維持在18000-20000 t之間。繼續(xù)擴大產(chǎn)能將造成低水平的重復建設與資源浪費。通過研發(fā)應使超細、超粗、超大型產(chǎn)品及技術含量高的深加工硬質(zhì)合金的產(chǎn)量有較大幅度的提高，使這 類產(chǎn)品的市場銷售值增加30％～50％。
4.1.2研究與開發(fā)方向
中國硬質(zhì)合金制備與深加工技術經(jīng)過60年的努力已有較高水平，但要趕超世界先進水平，我們還需做不少努力，特別是在以下幾個方面需要投入大量的人力與財力 進行研究與開發(fā)：(1)高強韌超細及納米硬質(zhì)合金制備關鍵技術的研究與產(chǎn)品研發(fā)；(2)長壽命超粗、特粗晶粒硬質(zhì)合金系列產(chǎn)品的研究與開發(fā)；(3)功能梯 度硬質(zhì)合金系列產(chǎn)品的研究與開發(fā)；(4)硬質(zhì)合金超大型制品集成制備技術的研究與開發(fā)；(5)特異成形硬質(zhì)合金制品加工技術及裝備的研究與開發(fā)；(6)硬 質(zhì)合金基礎理論的研究。
中國從事硬質(zhì)合金生產(chǎn)與研究的中、高級科研人員，據(jù)保守的估計有近千人，這是世界上任何一個國家都無法比擬的。假如國家和企業(yè)在財力上按世界先進的水平， 給予足夠的資金支持，再統(tǒng)籌兼顧給與合理的組織，我們深信，中國在上述領域一定會有一個飛躍，逐漸成為一個硬質(zhì)合金強國。
4．2 鎢基合金
4.2.1 鎢基合金的產(chǎn)能與產(chǎn)量
在中國鎢基合金尚有一定的發(fā)展空間，特別是民用領域中鎢基合金的擴大應用還大有作為，廣大農(nóng)村電氣化的進程必將對大量含鎢的電工材料提出更高的要求。因 此，建議在未來5年中鎢基高比重合金的產(chǎn)量控制在4500 t左右，鎢銅合金的產(chǎn)量控制在1200 t左右。應盡量加快細晶、高強度高比重合金的產(chǎn)業(yè)化進程，使產(chǎn)品牌號增加到60種以上，滿足國內(nèi)各行各業(yè)的需求。
4.2.2 鎢基合金的研究方向
中國鎢基合金制備技術已有高速發(fā)展，但在以下幾個方面還待努力：(1)超細、納米晶高性能鎢基合金制備技術的研究與開發(fā)；(2)鎢基合金后處理技術的研究與開發(fā)；(3)新型鎢基合金制備技術的研究與開發(fā)；(4)鎢基合金基礎理論的研究。
通過上述研究，中國鎢基合金的品種可有大幅增加，更重要的是中國鎢基合金的綜合性能在趕超世界一流的鎢基合金，更加充分發(fā)揮中國鎢的資源優(yōu)勢。
4.3 鎢 材
4.3.1 鎢材的產(chǎn)能與產(chǎn)量
中國鎢材在細鎢絲與鎢棒材的產(chǎn)量規(guī)模上具有一定的優(yōu)勢，但隨著中國國民經(jīng)濟的持續(xù)增長與出口份額的增加，因此在未來5年中，中國細鎢絲的產(chǎn)量維持在300 億m左右，粗鎢絲維持在年產(chǎn)量3000 t左右，多組元復合稀土鎢電極的年產(chǎn)量達500 t，以取代具有放射性的W—ThO2電極。而在鎢板材方面應該有一個較大的發(fā)展空間，目前中國鎢板材產(chǎn)量僅為Plansee公司的三分之一。
4.3.2 鎢材的研究方向
鎢材是鎢制品加工的重要發(fā)展方向之一，隨著核工業(yè)的發(fā)展，對鎢板材的需求會日益增加。因此中國鎢材加工高技術的研發(fā)已提到戰(zhàn)略日程上來，其主要研發(fā)方向 是：(1)超薄、超寬鎢板材工程化制造技術及裝備的研發(fā)；(2)高性能耐震鎢絲工程化制造技術的研發(fā)；(3)高性能、復合稀土鎢電極材料的研發(fā)；(4)大 制品鎢材加工技術的研發(fā)；(5)鎢基材料異形件制備技術的研發(fā)。
通過系統(tǒng)的研發(fā)使我國能自行生產(chǎn)厚度≤0.02mm，寬度≤500 mm，長度≤1000 mm的超薄鎢板及其他大型鎢板材。使高性能復合稀土電極全面取代W-ThO2電極，大制品與異形制品滿足國內(nèi)的要求。 綜上可知，再經(jīng)過10年到20年的努力，我國鎢加工工業(yè)能由過去的鎢資源大國發(fā)展到鎢制品的產(chǎn)業(yè)大國，最終將發(fā)展成為鎢科學技術的產(chǎn)業(yè)大國。
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