硬质合金工业发展脉络探析

1.1硬质合金

发展简史

硬质合金是一种由难熔金属的硬质化合物（如碳化钨、碳化钛等）和粘结金属（如钴、镍等）通过粉末冶金工艺制成的合金材料，自1923年硬质合金作为一种重要的工具材料和结构材料问世以来，至今已有100多年的历史。

19世纪末叶，人们为了寻找新的材料来取代高速钢，以进一步提高金属切削速度，降低加工成本和解决灯泡钨丝的拉拔问题，开始了对硬质合金的研究。

早期的工作主要是着眼于各种难熔化合物，特别是碳化钨的研究。从1893年以来，德国科学家就利用三氧化钨和碳在电炉中一起加热到高温的方法制取出碳化钨，并试图利用其高熔点、高硬度等特性来制取拉丝模等，以便取代金刚石材料。但由于碳化钨脆性大，易开裂和韧性低等原因，一直未能得到工业应用。进入二十世纪二十年代，德国科学家Karl Schroter研究发现纯碳化钨不能适应拉拔过程中所形成的激烈的应力变化，只有把低熔点金属加入WC中才能在不降低硬度的条件下，使毛坯具有一定的韧性。Schroter于1923年首先提出了用粉末冶金的方法，即将碳化钨与少量的铁族金属（铁、镍、钴）混合，然后压制成型并在高于1300℃温度下于氢气中烧结来生产硬度合金的专利。他在专利中提出的工艺，实质上就是今天许多厂仍在采用的WC——Co硬质合金生产工艺。1923 年德国的 krupp公司正式成批生产这种合金，并以 widia(类似金刚石)的商标在市场上销售。随后美国、奥地利、瑞典、日本、原苏联和其他一些国家也相继生产硬质合金，于是硬质合金生产技术开始得到迅速发展。

图1 克虏伯(Krupp)曾经是欧洲最响亮的姓氏，这个曾经的德国工业巨头也是最知名的军火生产商，有着“大炮之王”的名号。克虏伯生产的武器被广泛运用于战争中，可以说战场上满地都是克虏伯弹壳。现在的蒂森克虏伯集团公司是世界500强企业。

起初，人们以为WC-Co硬质合金能加工各种材料，但很快发现，在加工钢材时，这种合金很容易因扩散磨损而损坏。1929年还是德国科学家研究发现，用两种以上的碳化物组成的固溶体比用单一的碳化物作为硬质合金的基体更为优越，并提出了有关固溶体应用的专利。同年，德国的 krupp公司开始生产WC-TiC-Co的合金。1932年美国根据 schroter及其同事专利,也研究出WC-TiC-Co合金。不久科学家又研究出WC-TiC-TaC-Co合金，从而使钢材加工问题得到妥善解决。

二次世界大战后，由于改进了车床的动力和刚性，切削量增大，人们开始研究可转位硬质合金刀具。使用这种刀具无需焊接，可随时调换刀头，刀杆可长期使用，其经济效果十分显著，是硬质合金工业的重大进展之一。自1953年12月可转位刀片问世并采用以来，其推广应用十分迅速，目前全世界的硬质合金生产厂家都在生产这种刀片。

六十年代末期，西德 krupp公司成功地研制了涂层硬质合金，它的出现是硬质合金生产技术的又一重大进展。这种用化学气相沉积的方法，把普通的硬质合金刀片涂上薄薄的一层硬质化合物(如TiC、TiN 等)而得到的涂层刀片，在高速下切削铸铁和钢材时，可以比未涂层的硬质合金刀片寿命增加好几倍，而且切削速度可以提高25~30%左右，因此它不久就获得了广泛的工业应用。目前世界上在所出售的可转位刀具中大约有一大半是使用涂层硬质合金。

图2在刀片上涂层后大幅提升了刀具的使用寿命。

随着科学技术的发展，硬质合金的用途愈来愈广泛，人们对硬质合金的性能要求也愈来愈高。因此在硬质合金领域除开展一些基础理论研究外，更多精力是集中在生产技术和工艺装备的改进创新上，以便能获得更多更好的产品。六十年代末期研究开发并引入硬质合金生产领域中的热等压技术，是硬质合金科研的一项重大成果。用这种方法生产的合金，其孔隙度极低，韧性、断裂应力和抗冲击性均有很大提高。七十年代移植到硬质合金生产领域中的喷雾干燥技术也是一项重大的科研成果，应用这种方法能获得质量稳定、流动性好、压制性能优良的粉末粒料，加上不断推出的精度高、自动化程度高的自动压力机，使混合粒制备到压坯成型，工艺流程缩短、产品精度提高，并可实现连续化、自动化生产，有力推动可转位刀片生产。

进入80年代以来，世界硬质合金工业发展的突出特点是：一方面，涂层硬质合金发展迅速，其产量大幅度增加，应用领域不断扩大。著名硬质合金生产厂家如山特维克公司、肯纳公司、依斯卡等的涂层刀片生产已占可转位刀片的85%以上。同时在涂层技术方面也取得了较大进展，在进一步改进和完善传统的高温化学气相沉积方法的同时，还研制成功并推广应用了中温化学气相沉积方法以及各种物理涂层方法和兼有物理及化学气相沉积特点的等离子体化学气相沉积方法等。此外，在硬质合金涂层基体方面，不仅研制出各种加工用的涂层专用基体，而且日本、瑞典等国还开发出带富钴层或脱β的涂层基体，从而明显地提高了涂层硬质合金的强度，扩大了涂层硬质合金的应用范围。另一方面，70年代初出现超细合金，最早是山特维克的 R19，接着美国、日本的一些公司也相继推出超细硬质合金牌号。随着电子工业、机械加工工业的迅速发展，推动超细硬质合金在八十年代迅速发展，质量不断提高、产量不断扩大。1984年前后，日本住友电气公司试制出了双高的 AF1合金，硬度，RA93.0，强度5000N/mm²，创世界之最，随后美国、瑞典、德国等著名厂家也都相继开发出性能越来越好的超细硬质合金，对于许多世界著名硬质合金厂家而言，超细硬质合金同高精度、高性能涂层硬质合金一样是他们引以自豪的一类硬质合金产品。

图3山特维克集团是总部位于瑞典的一家全球领先的先进产品制造商，其优势业务包括金属切削工具、建筑及采矿业设备设施制造等。多次入选《福布斯》“全球最具创新力公司100 强”。

八十年代研制成功并迅速普及的低压热等静压技术是硬质合金生产技术领域中突破性的进展，从而使低成本地生产十分接近理论致密度的硬质合金产品成为现实。自1989年美国超高压公司研制成功的第一台低压热等静压设备问世以来，在短短的几年内，该技术就取得了异常迅速的发展这种设备几乎遍及世界各地，对整个硬质合金质量的提高起重要作用。进入八十年代世界硬质合金工业发展的还一个特点是，硬质合金制品正在向精密化、小型化方向发展，出现了微型麻花钻头、点阵打印针、精密工模具等高新技术产品。切削工具尺寸精度的要求也越来越高，有的先进厂家已淘汰U级硬质合金刀片精度标准，与此同时许多硬质合金模具尺寸精度已达到微米一级、超微米级，加之设备、生产线自动化、智能化，数字化，推动了硬质合金工业不断朝着更新、更高领域发展。

1.2中国硬质合金工业发展历史及现状

1.2.1中国硬质合金工业发展简史

新中国建立初期，国内仅有大华电冶金厂（现大连钢厂）和上海灯泡厂附带生产极少量的硬质合金。为适应国民经济建设的发展，我国与1954年筹建，1958年建成投产第一个硬质合金厂一株洲硬质合金厂。株洲硬质合金厂是原苏联援建我国的156项重点工程项目之一。六十年代至七十年代中期又筹建了自贡硬质合金厂和南昌硬质合金厂，初步奠定了我国硬质合金工业的基础。此后又相继投资兴建了一系列中小硬质合金厂。

尽管从50年代到70年代，我国硬质合金工业取得了很大的发展，但也存在不少问题，其中最主要的是国家对硬质合金工业实行长达30年之久的以产定铺政策，即国家统一计划安排生产，产品全部由国家包销。这种供需关系势必导致，一是企业拼命追求产量，集中力量应付数量上的超产，而忽视产品质量；二是由于硬质合金产品利润较高，出现了遍及全国的建厂热，各行各业、各地区纷纷建厂，据不完全统计，全国大大小小硬质合金超过150家，结果生产规模不断扩大，产量不断刷新，以致到 1973年产量达到4263 吨，进入世界硬质合金生产国家前列，然而这种重产量轻质量的结果，使我国硬质合金产品质量与世界先进水平的差距越来越大。由于当时我国国民经济规模较小，国内消耗硬质合金有限，加上出口合金数量很少，全国积压硬质合金超过3000吨。

80年代初期，由于供大于求的矛盾更加突出，以及国家大量压缩基建规模和对国民经济进行调整，许多小型硬质合金生产厂家关、停、并、转，纷纷下马，由150多家急剧减少到不到40家。硬质合金产量由最高4263 吨，猛降到 1981年的1960 吨。经过调整之后，国民经济开始恢复和发展，加之库存积压合金已基本用完，从1982年起，硬质合金工业又以很高的速度恢复和发展。90年代初，全国硬质合金年产量突破5000吨大关，生产厂家达到60多家左右。进入二十一世纪初，全国硬质合金产量突破万吨大关，生产厂家超过150家。这种发展与我国国民经济发展中对中、低档硬质合金需求不断增加，以及国外厂商对中国低价销售的中、低档硬质合金(含混合料)需求也不断增加密切相关。这种发展所潜在的优虑是可想而知的。今后中国硬质合金工业该如何进一步发展，从国家到各种所有制的企业家都在努力探索中。有一点对企业是肯定的，即不断发展高技术、高附加值产品，同类产品保持优质目质量稳定，及良好的性价比，这类企业一定能在激烈的市场竞争中立于不败之地。

如果说从60年代到80年代是量的提升，那么从80年代到90年代就是质的跨越。消化吸收，产业升级.

1983年，自贡硬质合金厂引进美国、德国、瑞典的先进装备、技术与软件，建成300吨/年的硬质合金产线与挤压制品产线。

1984年，南昌硬质合金厂从日本引进了当时国际先进水平的挤压生产线和微型钻生产线。

1987年，天津硬质合金工具厂引进德国克努伯公司成套的生产装备与工艺技术。

1989年，厦门金鹭特种合金有限公司引进德国、美国、日本等国的先进技术与装备。

科学无国界，技术有国界。大引进是迅速缩小差距的捷径，但永远无法真正走在前沿。从跟踪模仿到自主创新，是中国制造走向中国创造的必经之路。

图4 株洲硬质合金集团有限公司地处“长株潭城市群”核心地带和中国南方交通枢纽中心的湖南省株洲市。1954年开始建厂，是国家“一五”期间建设的156项重点工程之一，被誉为“我国硬质合金工业的摇篮”。2009年12月成为世界500强中国五矿集团公司旗下企业，是国内大型的硬质合金生产、科研、经营和出口基地。

1.2.2中国硬质合金工业发展的现状

我国硬质合金工业经70余年的发展已形成较完整的生产、科研体系和名列世界第一的生产能力。经“七五”“八五”技术引进改造，以及持续不断的科技攻关，行业生产技术、工艺设备、产品品种和质量等方面的整体实力有明显的提高，整体技术水平正赶超国际同行.我国硬质合金产业目前是全球最大的生产国和消费国，产量占全球超过四成。行业正经历从"量增"到"质升"的关键转型期，在新能源汽车、航空航天、半导体等高端领域加速进口替代。不过，产业仍面临高端产品比重较低、关键装备依赖进口、原材料（钴资源高度依赖进口，价格波动大）对外依存度高等挑战，转型升级之路仍需努力。

(1)硬质合金生产现状

硬质合金产量：目前我国约有硬质合金生产厂(点)900多家左右，遍布全国各地。2001年全国硬质合金总产量突破10000 吨，2002年达到11500多吨，2003 年更达到13500多吨，超过世界总产量的三分之一，是名符其实的第一硬质合金生产大国。“十一五”（2006~2010）期间，在国家政策与资金的大力支持下，行业累计投入近60亿元，进入飞速发展期。

2010年，中国硬质合金年产量达到2.2万吨。相比于产量的增长，更为可贵的是，硬质合金产品中高附加价值的数控刀片在“十一五”期间产量增长了50%，中高端产品的占比明显增加。中国自2010年起便成为全球最大的硬质合金生产国，产量占全球总产量的40%以上。

2020年，即使受到突如其来的疫情影响，中国硬质合金的产量仍在增长，年产量达到4.1万吨。这一年，世界硬质合金总产量大约11.5万吨，中国占比四成以上，位居榜首。

2021年，市场需求增大，疫情防控措施成熟，中国硬质合金年产量5.1万吨，再创新高。同时，一批助推行业绿色化、智能化发展的项目也在有条不紊地布局中，为行业高质量发展保驾护航。

2022年国硬质合金产量约为5.0万吨，中钨高新 2022年硬质合金产品产量超过1.4万吨，稳居世界第一。湖南、福建、江西和四川四省的产量合计达3.52万吨，占全国总产量的69.66%。其中，湖南省的产量占比为31.91%，位居全国首位.

2023年中国硬质合金产量约为5.3万吨，预计到2025年将超过6万吨，2031年有望达到8.8万吨。行业市场规模持续增长，预计到2031年，中国硬质合金市场规模将达到约621.8亿元。但是，中国硬质合金的发展之路终究不是一篇爽文，耀眼的产量增长背后也有鲜为人知的隐忧，繁荣之下暗藏危机，蜕变之路艰辛而精彩。

硬质合金出口量：随着我国改革开放的深入发展，硬质合金出口规模不断扩大，产品结构逐渐从资源基础类产品向高附加值的深度加工产品升级，我国硬质合金出口结束了长期徘徊在不足100T/a局面。1986年突破 100T/a,1992年突破400T/a,1996年接近1000T/a,到了2003年已接近2500T/a，约占世界硬质合金市场流通量的30%。创汇也从不足400万美元/a，增加到2003年5000 万美元/n以上。

2023年中国硬质合金进口量为1451.05吨，出口量为3117.57吨；2024年预计进口量降至1407.52吨，出口量增至3585.21吨。关于进出口金额，2022年第一季度进口金额为1.5亿美元。

虽然中国硬质合金出口量大于进口量，但进口产品的单价远高于出口产品。2021年进口平均单价为48.25万美元/吨，而出口平均单价仅为8.04万美元/吨，2024年出口单价约为10.78万美元/吨，仍远低于进口单价的41.24万美元/吨。

对于硬质合金刀片这一细分产品，2023年硬质合金刀片出口额约25.59亿元，同比提升30%以上，进口额约37.24亿元，同比减少约10%。2023年1-9月，硬质合金刀片进口额(27.42亿元)是出口额(19.05亿元)的1.44倍

表1 硬质合金进出口数量

表2 数控刀具进出口量

生产品种基本齐全：涉及应用于金属切削、矿山开采、拉拔模具、耐磨零件等各个领域，包括其深加工产品，除少量产品外均能生产，为我国国民经济的高速发展起到了很好的作用。

装备和工艺技术不断提高：我国硬质合金工业是50年代全套引进前苏联工艺技术与设备建成株洲硬质合金厂而开始的。在漫长的计划经济年代，历经多年，虽然也研发采用了一些新技术、新工艺和新设备，但老的工艺装备技术仍基本保持“二十多年一贯制”。随着改革开放的深入发展，特别是“六五“计划、国家开始把硬质合金的技术进步纳入国家攻关计划；“七五”计划我国硬质合金开始大规模引进国外先进技术；“七五”、“八五”仍至“九五”都将硬质合金科技攻关纳入国家计划。这一系列重要措施，使我国硬质合金生产技术与工艺装备水平向前跨越了一大步，缩短了与国际先进水平的差距。现在硬质合金生产过程中的高效球磨、喷雾干燥制粒、高精度全自动压力机、真空烧结、压力烧结、研磨涂层、高精度模具等一系列先进装备和工艺技术已在不同生产厂家得到不同程度的应用。我国佲冶炼和制粉生产的工艺和装备水平已达到国际先进水平。进入二十一世纪，株洲硬质合金集团有限公司控股的株洲钻石切削刀具股份有限公司数控刀片生产线是在环境、装备、工艺技术和质量标准等方面均按当代硬质合金生产先进水平设计建设的，已于2002年一季度投产，其生产档次高，加上配套工具的生产和发展，为我国开发高附加值的一流硬质合金新品奠定了良好基础。

硬质合金制品深度加工技术和装备水平有了新的发展：一些主要硬质合金生产厂家，有的从国外配套引进了先进的深度加工技术与设备，有的自行研制开发一些深加工设备与技术，组建一些专业性较强的深加工生产线，前者如微钻、整体刀具加工，后者如顶锤、轧辊加工等，使我国硬质合金深加工不断深入发展。技术突破是推动产业升级的核心动力，国内企业在多个领域取得了显著进展，正努力突破高端领域的“卡脖子”问题。

材料技术：如纳米晶粒控制技术（博云东方研发的纳米硬质合金碳化钨平均晶粒尺寸仅0.11μm，为1980年代以来全球最小）、梯度结构烧结工艺等，提升了刀具的寿命和切削效率。株洲硬质合金集团实现了0.2μm级晶粒的规模化生产，其刀具耐磨性据称已超越日系竞争对手产品。

涂层技术：如TaC-Al₂O₃纳米多层涂层，使钻头在加工高温合金时的寿命提升了3倍。CVD氧化铝(001)高取向工艺，多元素纳米积层工艺都极大提升数控刀具的使用寿命。

智能制造与数字化：头部企业引入数字孪生技术缩短刀具研发周期，应用AI磨削算法提升刀具精度和良品率。中钨高新等企业建立了智能生产线和数字化管理系统（如MOM、SAP-ERP）。

绿色技术：氢还原碳化钨技术（可降低能耗和碳排放），废旧硬质合金回收技术（如低温等离子体纯化工艺）也取得突破

材料基因工程：例如厦门钨业通过高通量计算优化钴晶界分布，提升合金抗弯强度至国际顶尖水平。

废旧硬质合金回收技术：高温处理法、机械破碎法、化学处理法和电化学法等回收工艺不断改进。

应用领域拓展

硬质合金的应用领域正从传统的切削工具、矿用工具和耐磨零件等，向更多高端制造领域拓展：

新能源装备制造：例如宁德时代新一代电池壳产线采用国产硬质合金微钻进行超高速加工。

航空航天：国产陶瓷基硬质合金车刀在发动机涡轮盘加工中达到国际航空标准。

半导体设备：国产高精度硬质合金导轨应用于光刻机运动部件，为半导体设备精度突破奠定基础。

(2)发展存在的问题

研发投入仍然较少，创新能力差。我国硬质合金工业，至今还没有一个高水平的研发机构，由于资金以及人才和管理上的差距。高档产品的研发能力薄弱，很难生产有自主权的原创性成果企业技术改造也因此难以得到强有力的技术支撑。据了解，瑞典山特维克公司的可乐满厂，2000年研发投入约5.5亿瑞典克朗，相当于株洲硬质合金厂近30年研发和投入的总和。

装备档次不高，差距大。应用于硬质合金研发和生产的高档专用设备主要依赖进口，国家同类设备差距还较大，因观念、资金等原因，计划或能力购置进口设备的厂家很少，就是国内大厂因种种原因应用先进设备的数量也很有限，给研发和生产带来很大困难。

合金生产与工具生产脱节。国外硬质合金大厂往往也是工具生产大厂，非常有利于硬质合金工具开发。我国由于历史原因，硬质合金生产与工具制造属于冶金和机械两个系统管理，导致本密不可分的两部分生产长期脱节，严重影响硬质合金工具及深加配套产品发展，当然这几年随着改革开发和市场经济的深入发展，情况正朝着好的方面发展，但长期留下的问题，不可能短时间得到彻底解决。

无序竞争十分严重。我国硬质合金工业同其它许多产业一样，由于行业间没有建立起优胜劣汰机制、制止不公平竞争机制等，出于部门、地区的利益，硬质合金企业盲目发展，低水平重复建设现象十分严重。加之，这种竞争又往往都挤在中、低档产品这个有限空间，致使产量急剧膨胀，价格战烽烟四起。这种恶性竞争既发生在行业排头企业之间，也发生在排头企业与中、小企业之间，以及中小企业自身之间。竞争中低价竞销、回扣、假冒伪劣、低效企业支配资源、地方土政策等形形色色不规范行为不断发生。其恶果就是造成企业效益低下，严重影响行业的技术进步，就是技术力量较强的企业也苦于历史造成的困难，不规范竞争能力差，强顶硬撑在生存线上，严重削弱高档高附加值产品的开发能力和资源的浪费。

产品经济效益低下。因上述各方面原因，我国硬质合金工业虽然规模大，但高附加值及配套产品少，像高性能合金、研磨涂层产品、特殊异性制品、金属陶瓷、精密硬质合金数控刀具等高档产品量少且质量不高，由于这些产品价值几倍甚至几十倍与中低档硬质合金，所以我国硬质合金厂家效益普遍不高。根据市场调查，国外几家优秀企业在中国硬质合金市场的占有率按产量计算不到我国合金产量的1.5%，而按销售收入计算，则超过了我国硬质合金销售收入的12.5%。

2022年以来，中国硬质合金产业在复杂的经济环境下，依然展现出较强的发展韧性和增长潜力。它作为高端制造和工业发展的关键基础材料，正从“工业的牙齿”向“高端制造的脊梁”转型升级。

国家政策大力支持硬质合金产业，特别是高端领域的国产化替代和技术攻关。《高端数控刀具产业发展指南》首次提出了硬质合金刀具国产化率70% 的目标。地方政府也积极跟进，例如江苏省对使用国产高端刀具的制造企业给予加工费补贴，广州开发区设立了专项基金扶持硬质合金“卡脖子”技术攻关。

2025年初以来，WC价格上涨对硬质合金产业是一场压力测试。它短期会带来阵痛，压缩利润，并可能引发产业链价格的震荡与波动。但中长期看，它也迫使行业加速转型升级，向高效、高值、绿色的方向发展。对于硬质合金产业而言，未来的竞争力不仅在于制造能力，更在于提升上游关键资源的保障能力、持续的技术创新能力以及应对市场波动的成本管控和供应链管理能力。

我国的硬质合金产业的发展史，在全面落后开始奋力追赶，从学习模仿到走出自己的道路，硬质合金的发展之路与近代以来的复兴之路何其相似。置身于历史的潮流中，一片小小的硬质合金，映射出的亦是每个有志者激流勇进的身影。