打破硬質(zhì)合金燒結(jié)技術(shù)壁壘，國內(nèi)企業(yè)擊敗德國競爭對手實現(xiàn)國產(chǎn)化裝備替代

硬質(zhì)合金是由難熔金屬的硬質(zhì)化合物和粘結(jié)金屬通過粉末冶金工藝制成的一種合金材料，具有硬度高、耐磨、強度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能。它被廣泛用作刀具材料，如車刀、銑刀、刨刀、鉆頭、鏜刀等，被喻為“工業(yè)的牙齒”，是重要的先進制造領(lǐng)域的加工工具材料，也是一種工業(yè)耗材。

坐擁豐富的鎢資源，我國是世界上*大的硬質(zhì)合金生產(chǎn)國，硬質(zhì)合金產(chǎn)量居世界首位，同時也是*大的消費國。據(jù)統(tǒng)計，2021年我國硬質(zhì)合金產(chǎn)量約為5.2萬噸，占全球產(chǎn)量的55%。預計未來5年我國硬質(zhì)合金需求量仍會逐年穩(wěn)步增長。

硬質(zhì)合金對于我國的工業(yè)制造如此重要，那么它是如何生產(chǎn)出來的呢？下面我們以硬質(zhì)合金刀具為例，簡述硬質(zhì)合金的生產(chǎn)與加工流程。

硬質(zhì)合金的生產(chǎn)主要包括混合料制備、成形、燒結(jié)3個工藝過程。

● 硬質(zhì)合金的基體由兩部分組成，其中一部分是硬化物，就是我們常說的碳化鎢、碳化鈦等，*初它們都是粉末狀。這些粉末是硬質(zhì)合金的主要原材料。比如碳化鎢是以鎢和碳為原料，將平均粒徑為3～5μm的鎢粉與碳黑用球磨機干混，充分混合后放入石墨盤，再在石墨電阻爐中加熱至1400～1700℃，在高溫反應下生成碳化鎢。硬質(zhì)合金基體的另一部分就是粘結(jié)金屬，一般是鐵族金屬，加工中常用鈷和鎳。

● 在研磨室中，各種材料在添加了乙醇、水和有機粘結(jié)劑的環(huán)境下，被研磨到所需的顆粒大小。這一步在行業(yè)里被稱為濕法研磨，是在研磨過程中加入有機或無機溶劑作為助磨劑的研磨。

● 液狀混合物再被泵送至噴霧干燥器，在熱氮氣的作用下使乙醇和水蒸發(fā)，干燥后的粉末就是尺寸均勻的顆粒狀�；旌蠞{料干燥后，會將樣品送去質(zhì)檢，此時的粉末由一系列直徑為20~200微米的小球組成。

● 通過質(zhì)檢，混合后的粉末會被輸送至制造刀片的沖壓機。將沖壓模具置入機器，控制沖壓機的沖頭和沖模進行壓制，得到基本形狀和尺寸的刀具。

● 剛壓制好的刀片非常脆弱，需要在燒結(jié)爐內(nèi)進行硬化處理。刀片在1500℃下進行13小時的熱處理，使融化的鈷與碳化鎢顆粒粘結(jié)在一起。

● 經(jīng)過燒結(jié)，刀片中聚乙二醇會消失，體積會縮小約50%，刀片也具備了一定硬度。為使刀片具備一定精度，會再對刀刃進行珩磨，磨削刀片的頂部和底部。

● 磨削完成后，進行清潔并噴涂刀片，也就是涂層，再進行質(zhì)檢。

燒結(jié)是指把粉末壓坯經(jīng)高溫轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅荏w的工藝過程，是硬質(zhì)合金生產(chǎn)過程中*關(guān)鍵的一個步驟。由于燒結(jié)工序產(chǎn)生的廢品一般無法通過后續(xù)工序進行處理，所以其生產(chǎn)設(shè)備的選擇對燒結(jié)產(chǎn)品的微觀組織和性能有著決定性的影響。

上世紀80年代我國硬質(zhì)合金燒結(jié)開始廣泛采用真空燒結(jié)工藝。在爐內(nèi)壓力小于大氣壓的條件下進行燒結(jié)，叫真空燒結(jié)。真空燒結(jié)爐分為真空燒結(jié)脫蠟一體爐，和脫蠟與真空燒結(jié)分開進行的單獨真空燒結(jié)爐。目前，臥式真空燒結(jié)爐使用較廣泛。

真空燒結(jié)爐主要由真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和爐體組成。這種燒結(jié)爐是采用石墨棒作為發(fā)熱體進行加熱。發(fā)熱體外圍有由石墨板制成的支承體，碳氈保溫層就放在它的四周。此種真空燒結(jié)爐它所形成的加熱空間，可以根據(jù)爐子生產(chǎn)能力的需要而設(shè)計碳棒的籠形加熱器。此種燒結(jié)爐一般有四個面碳棒發(fā)熱，大型爐子可以六個面均有石墨棒做發(fā)熱體。臥式真空燒結(jié)爐具有裝卸料和工藝操作方便、可靠性高、維修性好的特點，可有效地消除氧化物雜質(zhì)，明顯提高燒結(jié)產(chǎn)品的純度和產(chǎn)品物理性能，對于TiC、TaC、NbC等過渡金屬碳化物硬質(zhì)合金的燒結(jié)產(chǎn)品效果更加明顯。

隨著硬質(zhì)合金工藝的發(fā)展，真空燒結(jié)技術(shù)開始無法滿足先進工藝的要求，而采用壓力燒結(jié)爐生產(chǎn)出的硬質(zhì)合金產(chǎn)品，致密化程度更高，燒結(jié)晶粒更細，組織結(jié)構(gòu)更均勻，抗彎強度有明顯的提升。尤其對于細顆粒度粉末，燒結(jié)出來的產(chǎn)品優(yōu)勢更加明顯。

壓力燒結(jié)爐是將硬質(zhì)合金的脫蠟、燒結(jié)、熱等靜壓功能集中于一臺設(shè)備、生產(chǎn)時一次完成的燒結(jié)設(shè)備，是目前硬質(zhì)合金生產(chǎn)中*先進的燒結(jié)設(shè)備。此種燒結(jié)爐以德國PVA公司或ALD公司生產(chǎn)的產(chǎn)品為代表。

壓力燒結(jié)爐主要包括爐體、真空系統(tǒng)、脫蠟系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。這種燒結(jié)爐的特點是加熱體用石墨制造，采用非常*的測量與控制系統(tǒng)，可以使爐子在可用空間里的溫度均勻性獲得*佳。隔熱筒的特殊設(shè)計使得其具有相當長的使用壽命和低的熱損失。微處理器控制程序可確保工藝的全自動化和可再現(xiàn)性，以及穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量。操作和相關(guān)數(shù)據(jù)的電腦處理可以滿足高可靠質(zhì)量的要求。

采用壓力燒結(jié)爐進行生產(chǎn)的主要流程是將裝好料的舟皿放入爐內(nèi)，關(guān)好爐門，壓力燒結(jié)爐升溫至脫蠟溫度（500 ℃左右），并充入H2或其他惰性氣體。產(chǎn)品成型劑隨著溫度升高逐漸逸出，并在真空系統(tǒng)作用下被抽入捕蠟系統(tǒng)（此過程就是常說的脫蠟工序），90%以上被吸收。脫蠟過程結(jié)束后，開始燒結(jié)階段，在燒結(jié)階段可以充入CH4、CO2或H2等氣體調(diào)節(jié)合金毛坯的碳量，以控制合金在兩相結(jié)構(gòu)內(nèi)或所需要的組織結(jié)構(gòu)，然后進入高溫燒結(jié)（1400℃左右），在產(chǎn)品燒結(jié)后期向爐內(nèi)充入適當壓強的氬氣，使碳化鎢顆粒隨液相黏結(jié)金屬向產(chǎn)品內(nèi)部的空隙和裂紋移動，*大限度地消除產(chǎn)品孔隙和缺陷，增加產(chǎn)品密度和強度, 明顯改善產(chǎn)品均勻性，晶粒更細，組織更均勻，提升產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命。

在十多年前，壓力燒結(jié)爐的制造技術(shù)一直牢牢掌握在德、美、日三國手中。因為壓力燒結(jié)爐對于硬質(zhì)合金生產(chǎn)的不可替代性，其售價也比較昂貴。以一臺德國某公司量產(chǎn)型6兆帕壓力燒結(jié)爐為例，2010年前后市場售價在110萬歐元以上。國內(nèi)硬質(zhì)合金企業(yè)為此每年從德國進口相關(guān)設(shè)備高達數(shù)億元，嚴重制約了我國硬質(zhì)合金工業(yè)的發(fā)展。

近年來，我國壓力燒結(jié)設(shè)備取得了突破性進展，其中以株洲瑞德爾智能裝備有限公司（以下簡稱“瑞德爾”）為代表的國內(nèi)研發(fā)企業(yè)，打破了西方的技術(shù)壁壘。

瑞德爾從建立起就將目標緊盯硬質(zhì)合金市場，把壓力燒結(jié)爐這一高技術(shù)含量、高附加值裝備作為核心產(chǎn)品，力爭實現(xiàn)國產(chǎn)化替代。株洲擁有200多家硬質(zhì)合金生產(chǎn)企業(yè)，這給瑞德爾打下了良好的市場基礎(chǔ)。2012年，瑞德爾研發(fā)的*臺2兆帕壓力燒結(jié)爐下線；2017年，瑞德爾10兆帕壓力燒結(jié)爐研發(fā)成功，實現(xiàn)了該領(lǐng)域國際先進水平。

依附于株洲本地完備的硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)鏈，瑞德爾在硬質(zhì)合金圈內(nèi)的知名度迅速提升，并在短短數(shù)年時間里，做到了硬質(zhì)合金領(lǐng)域壓力燒結(jié)裝備市場占有率全國*。

“我們堅持非核心零部件國產(chǎn)化，這樣既能保證設(shè)備性能和質(zhì)量，又能極大降低制造成本，這才是我們產(chǎn)品性價比高的關(guān)鍵原因。隨著我國制造業(yè)水平的整體提高，瑞德爾產(chǎn)品的國產(chǎn)化率和價格優(yōu)勢還會進一步提升�！�

株洲瑞德爾董事長李應新表示，近兩年瑞德爾壓力燒結(jié)爐在氮化硅陶瓷領(lǐng)域開辟了新的賽道，未來應用于該領(lǐng)域的壓力燒結(jié)爐市場體量或?qū)⑦h超過硬質(zhì)合金行業(yè)。瑞德爾也將海外市場作為新的增長點，著力將瑞德爾打造成為國際化知名品牌。