全球WC-Co硬质合金专利技术发展态势研究.pdf

第 38 卷第 5 期 Vol.38,No.52023 年 10 月 China Tungsten Industry Oct.2023 收稿日期：20230929 作者简介：成 飞（1990），男，山西吕梁人，硕士，知识产权师，主要从事专利情报分析工作。DOI:10.3969/j.issn.1009-0622.2023.05.009 全球 WC-Co 硬质合金专利技术发展态势研究 成 飞1,2，唐 炜3，谢春花3（1.景德镇陶瓷大学 知识产权信息服务中心，江西 景德镇 333403；2.江西省陶瓷知识产权信息中心，江西 景德镇 333403；3.赣州有色冶金研究所有限公司，江西 赣州 341000）摘 要：WC-Co硬质合金的发展历程已有百年，在航空航天、新能源和半导体等领域中得到广泛应用。本文对WC-Co 硬质合金全球专利的申请趋势、技术热点、技术流向和创新主体进行了分析。研究发现：WC-Co 硬质合金领域的技术创新和专利申请正经历阶段性调整期；中国已成为全球最具吸引力的市场之一，国外创新主体在刀钻具和合金基体改进两大技术分支的在华专利布局上表现积极；全球创新主体重点关注的技术分支是合金基体改进；国外创新主体更加注重刀钻具相关技术的研发和专利申请，而中国创新主体更侧重于合金基体改进、粉体制备和合金制备等技术的研发和专利申请，在刀钻具方面的专利申请与国外存在较大差距；日美欧企业，如三菱公司、山特维克和肯纳金属等仍然保持行业领先地位；与国外龙头企业相比，国内创新主体的海外专利布局相对薄弱，缺乏足够的海外市场竞争力，协同创新水平有待提高。关键词：WC-Co 硬质合金；专利分析；技术热点；技术流向 中图分类号：G306；TG135.5 文献标识码：A 0 引 言 WC-Co 硬质合金具有高硬度和耐磨等优异性能，被广泛应用于航空航天、新能源和半导体等产业，是美、日、欧等全球制造业强国的关注重点1-4。自 1923 年成功研制以来，距今已有整整 100 年的历史。近 20 年来，中国硬质合金产业蓬勃发展，企业的技术研发能力和综合实力不断提升，新材料和新工艺层出不穷，产量已跃居世界首位。然而，与国外卓越的硬质合金企业相比，中国硬质合金产业的整体创新能力仍相对薄弱，存在资源过度消耗、刀具集成制造和智能制造能力不足以及高端切削工具依赖进口等问题5，自主创新创造刻不容缓。因此，对当前硬质合金专利技术现状及发展趋势的研究尤为重要。专利分析是评估科技创新现状与发展趋势研究的重要方法。张立和李仲泽等6-8的研究表明，硬质合金企事业单位对专利的重视程度逐渐提高，专利已成为评价企业核心竞争力的重要指标。曹万里等9研究了中国硬质合金企业的专利发展情况，研究发现中国的硬质合金企业存在着专利意识薄弱、技术创新能力不足和专利管理能力不强等问题。鄢春根等10-12则分别对株洲硬质合金集团有限公司（简称“株硬集团”）、厦门钨业股份有限公司（简称“厦门钨业”）和伊斯卡公司（简称“伊斯卡”）等硬质合金领域的主要创新主体的专利申请进行了分析。余姣姣等13在 2017 年对全球 WC-Co 硬质合金专利进行了分析，研究发现该领域专利申请正处于高速增长阶段，代表性企业为日本的三菱、瑞典的山特维克和中国的株硬集团，研究重点为烧结工艺、硬质相和晶粒度。现有研究缺少对于 WC-Co 硬质合金领域的技术流向、创新主体和研究热点的深入分析，因此持续深入研究其发展至关重要。本文建立了 WC-Co硬质合金专利检索式，利用 incoPat 数据库检索得到全球申请的发明专利数据，经过人工去除无关数据，获得可用于后续研究分析的样本数据，并分别从专利申请趋势、技术热点、技术流向和创新主体四个角度开展了专利信息分析，旨在为该领域高质量发展提供有益的参考。第 5 期 成 飞，等：全球 WC-Co 硬质合金专利技术发展态势研究 63 1 专利申请趋势分析 发明专利需经过国家知识产权局的实质审查方可获得授权，能够充分反映硬质合金专利领域的技术创新情况14-16。鉴于此，本文建立了 WC-Co 硬质合金专利检索式，选择使用 incoPat 专利数据库完成专利检索，经过人工降噪处理，最终共获得 5 868 件全球发明专利，合并简单同族后为 3 145 项。WC-Co硬质合金领域的全球专利申请趋势和专利创新主体国别分布如图 1 所示。图 1 专利申请趋势和专利创新主体国别 Fig.1 Patent application trend and country distribution of innovation subjects 从专利申请趋势来看，自 Osram 公司于 1923年申请全球首项WC-Co硬质合金专利“Gesinterte harte Metallegierung und Verfahren zu ihrer Herstellung”（DE420689C）后，一直到 1972 年，本领域专利申请一直维持在较低水平，历年专利申请量均未超过20 项。1985 年之前，由于中国还未建立专利制度，国外专利申请趋势与全球专利申请趋势完全一致。中国在该领域的专利申请始于1985年4月1日中南大学申请的“双晶优化比为 2.2 的碳化钨-钴合金的制法”（CN85100348A）专利。此后一直到 2002年，中国专利申请一直处于较低水平，历年专利申请量不超过 5 项，对全球专利申请的贡献率仅为2.50%左右。国外专利申请趋势与全球专利申请趋势基本保持一致，呈现波动增长趋势。1997 年，国外专利申请达到最高的 68 项，但之后五年申请量基本保持在 45 项/年左右。2003 年，中国的硬质合金产量占到了世界产量的 1/3，国内创新主体对专利申请的重视程度有所提升，相关专利申请量达到 26项，其中株硬集团申请量为 15 项。此后，中国创新主体的专利申请量稳步提升，从 2002 年的 3 项增长到 2017 年的 111 项，对全球专利申请的贡献率也持续增长，从 5.88%增长到 75.00%。2018 年后，全球专利申请回落并趋于平稳，全球、国外和中国专利申请量分别维持在 100 项、30 项和 70 项左右，中国对全球专利申请的贡献率保持在 70%左右。值得注意的是，由于发明专利是在申请后的 318 个月内公开，2022 年和 2023 年专利数据尚未全部公开，导致本文统计的专利申请数量连续下降。从创新主体国别来看，本领域的专利创新主体主要分布在日本、中国、美国、瑞典、德国和韩国，其专利申请量分别是 1 118 项、1 006 项、301 项、260 项、101 项和 84 项，占全球专利总申请量的比例分别是 35.55%、31.99%、9.57%、8.27%、3.21%和 2.67%。相较于其他国家，日本和中国在本领域的专利申请和技术研发具有明显优势，二者所申请专利的数量达到全球总申请量的 67.54%。2 技术热点分析 WC-Co 硬质合金领域的主要专利技术涵盖合金基体改进、刀钻具、粉体制备、合金制备以及表面处理等方面。这些技术分支的专利技术演化如图2 所示。由图 2 可以看出，19231942 年的 20 年间，WC-Co 硬质合金领域的专利申请主要集中在硬质 64 第 38 卷 图中外圈的大小代表全球的发明专利申请总量，而内圈的大小则代表中国创新主体的专利申请量，单位为项。图 2 专利技术热点演化 Fig.2 Evolution of patented technology hotspots 合金基体改进和制备方法工艺两个方面。直到 20 世纪 20 年代初期，各技术分支的专利申请相差并不明显，整体增长缓慢。在 19631972 年间，WC-Co硬质合金粉体制备的方法工艺专利申请量增长较为明显，而其他技术分支的专利申请量增长相对较慢。19731982 年间，除了 WC-Co 硬质合金刀钻具外，其他技术分支专利申请量都有较大幅度的增长，与前一阶段相比，增长率都超过了 100%。19831992年间，WC-Co 硬质合金领域的各技术分支专利申请量都得到快速增长，硬质合金基体改进、刀钻具、合金制备和表面处理这四个技术分支的增长率都超过了 200%，其中刀钻具的增长率更是达到了415.38%。19932002 年期间，除了 WC-Co 硬质合金刀钻具专利申请量有明显增长外，其他技术分支的发展趋势相对平稳，没有明显变化。20032012年期间，各技术分支的专利申请持续增长，合金基体改进和合金制备方法工艺成为各国关注的重点，其专利申请增长率都超过了 100%。20132022 年间，合金基体改进、合金制备和粉体制备专利申请仍然保持增长态势，增长率均超过 50%，而表面处理和刀钻具专利申请则呈下降趋势。进一步分析中国创新主体的专利申请，可以发现，从 1985 年一直到 2002 年，中国创新主体的创新意愿和创新活力都相对较低，各技术分支的专利申请都未超过 15 项；而在 2003 年之后，除了刀钻具领域外，其他技术分支都呈现快速增长的趋势。在 20132022 年这十年间，中国创新主体申请的合金基体改进、粉体制备、合金制备和表面处理相关专利分别达到了 438 项、119 项、120 项和 34 项，占全球专利申请量的比例分别达到了 76.17%、68.00%、87.59%和 60.71%。这表明，经过三十多年的发展，WC-Co 硬质合金领域中国创新主体的创新能力和创新意愿都取得了显著的提升。3 技术流向分析 WC-Co 硬质合金领域的全球专利申请流向如图 3 所示。从图中可以看出，本领域主要的专利来源国家（地区）包括日本、瑞典、美国、中国、德国、英国和韩国等，主要专利布局国家（地区）包括日本、中国、美国、欧专局、韩国、德国、英国和瑞典等。图中气泡大小代表发明专利总申请量，单位为件 图 3 全球专利申请流向 Fig.3 Global patent application flow direction 日本总共申请了1 506件WC-Co硬质合金相关发明专利，是全球最大的技术来源国。日本创新主体十分重视国外市场，专利布局遍及中国、美国、欧专局、韩国和德国等国家和地区，其中在美国申请专利数量最多，为 102 件，在中国和欧专局专利申请量也超过 50 件，分别是 53 件和 59 件。瑞典的国外专利布局数量远远超过其他国家和地区，是全球最大的技术输出国，其国外专利布局与日本类似，主要在美国、欧专局和中国进行专利申请，专利申请量分别是 189 件、164 件和 109 件。而美国创新主体则更注重日本和欧洲市场，分别在日本、欧专局和德国申请了 85 件、79 件和 74 件相关专利。中国创新主体的专利布局主要集中在国内，仅在美国、欧洲和韩国进行了少量的国外专利布局。与上述四国相比，德国、英国和韩国的专利申请和布局数量较为有限。在专利申请较少的这些国家中，德国创新主体更注重海外市场，首选美国和欧洲市场，英国创新主体注重美国和日本市场，而韩国创新主体则更加关注本国市场。第 5 期 成 飞，等：全球 WC-Co 硬质合金专利技术发展态势研究 65 进一步分析 20032022 年全球专利技术流向，如图 4 所示，图中气泡大小代表发明专利申请量（单位：件），饼图显示 5 个主要技术分支的占比。图4 显示，20032022 年间，日本创新主体侧重在华进行专利布局，在中国共申请 45 件专利，超过在美国和欧专局申请的 42 件和 34 件，技术主要涉及合金基体改进、刀钻具和粉体制备。瑞典创新主体优先在欧专局申请专利，共申请 98 件专利，在中国、美国和韩国分别申请了 76 件、73 件和 68 件相关专利，在不同市场的专利布局侧重点各有差异，在欧洲和韩国市场注重合金基体改进和表面处理的专利布局，在中美市场则侧重合金基体改进、刀钻具和粉体制备的专利布局，而在日本市场更注重刀钻具的专利布局。美国创新主体也注重在华申请专利，共申请 27 件，超过在欧专局和日本申请的 23 件和18 件，布局技术以刀钻具和合金基体改进为主。中国创新主体主要在华进行合金基体改进、合金制备和粉体制备的专利布局，少量海外专利布局以合金基体改进为主。不难看出，2003 年后，各主要技术来源国家/地区都注重在华专利布局，技术侧重于刀钻具和合金基体改进两大分支，而瑞典创新主体在表面处理方面具有更明显的优势。图 4 20032022 年全球专利技术流向 Fig.4 Global patented technology flow direction in 20032022 4 创新主体分析 WC-Co 硬质合金领域全球专利申请前二十名创新主体如表 1 所示。该领域的创新主体主要集中在中国、日本、美国、瑞典、韩国和英国，这与前文提到的主要技术来源地相一致。其中，中国占据最多的位置，共有 7 家，占比为 35%；其次是日本，有 6 家，占比为 30%；美国、瑞典、韩国和英国的创新主体分别为 3 家、2 家、1 家和 1 家。但在前十名的创新主体中，有 5 家来自日本，而中国和美国各有 2 家，瑞典有 1 家。这再次说明，与其他国家相比，日本在 WC-Co 硬质合金领域的技术研发方面具有明显的优势。从专利数量的角度来看，三菱公司、山特维克、住友公司、日立公司和株硬集团（包括株洲钻石切削刀具股份有限公司）这 5 家企业的专利申请量超过 100 项，远远超过其他创新主体，显示出它们在技术研发方面具有雄厚的实力。而在中国创新主体中，除了株硬集团以外，其他创新主体的专利申请量与行业代表性企业存在相当大的差距，这反映了中国创新主体的技术实力仍有很大的提升空间。从活跃度（近五年发明专利申请量与发明专利申请总量之比）的角度来看，中国创新主体在专利申请方面表现最为活跃，除了四川大学之外，其他中国创新主体的专利申请活跃度都超过 40%；而在日本创新主体中，三菱公司和住友公司的专利申请相对较为活跃；其他国家（地区）的创新主体则普遍表现出较低的专利申请活跃度。从同族国家数的角度来看，美国肯纳金属、英国元素六和瑞典山特维克等创新主体在同族国家数 66 第 38 卷 表 1 全球专利申请前二十名创新主体 Tab.1 Top 20 innovative subjects in global patent applications 创新主体 创新主体国家 专利数/项 近五年专利数/项活跃度/%平均同族国家数/个 平均被引次数 三菱公司 日本 288 39 44.32 1.14 5.82 山特维克 瑞典 215 4 3.48 4.62 17.32 住友公司 日本 194 16 24.24 1.99 10.22 日立公司 日本 173 8 11.94 1.08 4.49 株硬集团 中国 105 37 41.57 1.06 7.43 泰珂洛 日本 88 1 6.67 1.18 6.25 肯纳金属 美国 60 1 4.17 6.82 30.34 京瓷公司 日本 57 5 15.63 1.65 7.20 通用电气 美国 46 0 0.00 1.89 12.91 中南大学 中国 41 2 5.13 1.00 5.21 山高刀具 瑞典 33 3 11.11 3.82 13.80 厦门钨业 中国 31 15 48.39 1.23 7.70 北京工业大学 中国 29 6 20.69 1.00 4.35 神户制钢 日本 26 1 33.33 1.15 6.40 韩国冶金 韩国 25 5 20.83 1.44 6.38 自硬公司 中国 24 11 45.83 1.00 11.25 陶氏杜邦 美国 21 0 0.00 4.10 8.93 元素六 英国 19 0 0.00 5.21 14.53 四川大学 中国 18 6 33.33 1.00 7.06 合肥工业大学 中国 18 11 61.11 1.06 6.53 量方面表现出较高水平，其中美国肯纳金属的平均同族国家数量为 6.82 个，这意味着该公司的每项专利申请都至少向 7 个国家（地区）进行了专利布局。而中国创新主体中，仅有厦门钨业平均向 1.23 个国家（地区）进行专利布局，其他创新主体几乎只在国内进行专利布局，显示出国外专利布局在中国创新主体与其他国家/地区创新主体之间存在较大差距，其国外竞争力仍有提升空间。本研究以专利被引次数作为衡量专利技术影响力和水平的指标。从专利被引次数的角度来看，肯纳金属、山特维克和元素六等欧美创新主体具有较高的专利被引次数，显示出较高的技术影响力和水平。相较之下，日本创新主体的专利平均被引次数并不高，仅住友公司的专利平均被引次数达到10.22，而其他公司则低于 8.00。与其他国家（地区）相比，中国创新主体也展现出较高的专利平均被引次数，自硬公司的专利平均被引次数更达到 11.25，说明中国创新主体在技术研发方面具备较高水平，专利技术含量高。此外，与高校相比，企业的专利平均被引次数普遍较高，进一步表明中国企业的专利技术质量优于高校。进一步分析 20032022 年中国创新主体类型分布，如图 5 所示。近二十年来，中国创新主体分布基本保持稳定，其中企业是专利申请和技术研发的主力，历年占比在 60%左右，高校也具有相当的技术实力，历年占比在 35%左右。然而，本领域产学研合作仍处于较低水平，历年产学研合作专利申请占比基本在 5%以下，且并不连续。图 5 20032022 年中国创新主体类型分布 Fig.5 Distribution of innovation subjects types in China（20032022）5 结 论 为了解 WC-Co 硬质合金产业的专利技术发展情况，本研究通过构建专利检索式，获取了硬质合金领域全球发明专利申请的数据，并对其专利申请第 5 期 成 飞，等：全球 WC-Co 硬质合金专利技术发展态势研究 67 趋势、技术热点、技术流向和创新主体进行了分析。（1）WC-Co 硬质合金领域的技术创新和专利申请正经历阶段性调整期。国外创新主体在各技术分支的专利申请量都下降明显，迫切需要技术突破。全球专利数量的增长主要是由于中国创新主体专利申请量的快速增加。随着该领域技术的不断突破和发展，全球专利申请量将继续增长。该领域的主要技术来源地和市场目标地为日本、美国和欧洲，它们在技术水平和市场吸引力方面处于领先地位。中国已成为最具吸引力的市场，各国来华申请专利数量稳步增加，尤其注重刀钻具和合金基体改进两大技术分支的专利布局。（2）合金基体改进是全球关注的重点技术分支。国外创新主体越来越重视硬质合金应用方面的技术研发和专利申请，尤其是在刀钻具领域。中国创新主体更侧重于产业链的前端，包括合金基体改进、粉体制备和合金制备等技术的研发和专利申请，在刀钻具方面的专利申请与国外存在较大差距。（3）日美欧企业，如三菱公司、山特维克和肯纳金属等拥有强大的技术研发实力和雄厚的技术储备，处于行业领先地位。中国创新主体以株硬集团、厦门钨业和自硬公司等为代表的企业为主，高校如中南大学和北京工业大学等也有着举足轻重的地位。经过三十多年的发展，国内创新主体的创新能力和创新意愿已经显著提升，通过积极申请专利保护自身的产品和技术，申请的专利技术水平较高。然而，与国外龙头企业相比，国内创新主体的专利申请量仍相对较低，在海外专利的布局方面相对薄弱，缺乏海外市场竞争力，并且产学研合作仍处于较低水平，协同创新水平有待提高。参考文献：1 CAI Chen，HUANG Boyun，LIU Zuming，et al.Additive manufacturing of WC-Co cemented carbides：process，microstructure，and mechanical propertiesJ.Additive Manufacturing，2023（63）：129.2 曾芳芳，邱联昌，吴立颖，等.化学气相沉积制备硬质合金刀具涂层研究进展J.表面技术，2023，52（8）：126，70.ZENG Fangfang，QIU Lianchang，WU Liying，et al.Progress in cemented carbide cutting tools coating by chemical vapor depositionJ.Surface 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most appealing marketplaces,and foreign innovators have been active in the filing of patents in China in the two technical branches of cutting and drilling tools and alloy matrix enhancement.Alloy matrix enhancement is a field of technology that innovation subjects all around the world are interested in.Foreign innovation subjects are more concerned with the research and patent application of technologies related to cutter and drilling tools,whereas Chinese innovation subjects are more concerned with the research and patent application of technologies such as alloy matrix enhancement,powder preparation,and alloy preparation,and there is a big gap between patent application in cutter and drilling tools and that of foreign countries.Japanese,American and European companies such as Mitsubishi Corporation,Sandvik and Kennametal remain industry leaders.In comparison to foreign leading firms,domestic innovation subjects overseas patent layout is comparatively weak,lacking sufficient overseas market competitiveness,and the level of collaborative innovation needs to be increased.Key words:WC-Co cemented carbide;patent analysis;technology hotspot;technology flow direction（编辑：游航英）