含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利技术分析

董晓蓉,郑志斌,龙骏,刘天龙,郑开宏

（广东省科学院新材料研究所/国家钛及稀有金属粉末冶金工程技术研究中心/广东省金属强韧化技术与应用重点实验室/广东省钢铁基复合材料工程研究中心，广东 广州 510650）

钒是一种重要的战略资源，被广泛用于冶金、国防、化工、机械、电子、汽车、铁路、船舶及轻工等领域中［6］。我国钒矿禀赋高，钒矿储量占全球储量的45%。钒作为微合金化元素，添加到铸造钢铁材料中可以改善钢材的组织和性能［1-5］。当前国内外已经开展了含钒耐磨钢铁材料的研究工作，但在推广应用方面仍有待进一步地推动［7-9］。

本文对含钒铸造耐磨钢铁材料的国内专利技术做深入分析，希望能够为我国含钒铸造耐磨钢铁材料产业的发展定位及识别未来市场需求提供有用的分析信息，助力中国钒资源高效利用技术的研发和推广应用。

1 数据来源

本文中专利数据来源于中国国家知识产权局专利检索数据库，检索式为“钒 铸铁 钢”，检索时间段为1900年1月1日至2021年9月27日，有效数据的统计方法在检索式检索的基础上，进行人工筛选，去除申请号重复及与技术内容无关的专利［10］。

2 国内专利概况

2.1 专利类别分析

经检索统计，国内含钒铸造耐磨钢铁材料的相关专利共514件（见图1），其中发明专利501件占总量的97.47%、实用新型专利13件占总量的2.53%。发明专利占比大的原因：一方面，材料领域需要保护的创新技术一般体现在产品成分设计、制备方法、制造工艺等方面，蕴含着深层次的科学原理和方法，大部分创新技术难以像实用新型专利一样以具体图纸或模型等形式进行描述，而以发明专利形式能更好地表述和阐明所需要保护的技术内容；另一方面，对于具备突出实质性特点和显著进步的技术来说，基于发明专利在进行专利布局、专利群构建、高价值专利培育、专利许可及专利实施转化等方面具有明显优势，尽管审查程序复杂、审批难度大，但该领域的专利申请还是以发明专利为主。

图1 含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利的类别分析图Figure 1 Category analysis diagram of domestic patents for vanadium containing cast wear-resistant steel materials

2.2 法律状态分析

含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利的法律状态情况如图2所示。目前，国内含钒铸造耐磨钢铁材料领域专利的法律状态有专利权有效、驳回、撤回、未决、失效5种状态，其中有效专利占比仅有20.63%，超过七成的专利法律状态为撤回、驳回或失效。由于该领域技术竞争比较激烈，相关技术重合度高，申请人在书写专利文本时很难去规避现有专利内容或申请人未按实审要求修改专利申请书等，导致大部分专利在申请过程中因不符合专利法及细则规定而被驳回或自行撤回，而对于部分已授权的专利，相关专利权人缺少维护和跟进，未及时缴纳年费而导致专利失效。

图2 含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利的法律状态情况Figure 2 The legal status of domestic patents for vanadium-containing cast wearresistant steel materials

有效发明专利的优势可转化为经济发展的优势，该领域相关从业人员需要进一步挖掘相关技术价值，在重视知识产权保护的前提下加强技术创新，由注重专利数量向注重专利质量转变，并加强创新技术开发的落地能力，实现科学技术市场化，创造经济效益。

2.3 地域分析

专利的地域申请情况与所在地区的政府相关政策导向、经济发展状况、产业布局，以及研发技术力量等因素密切相关［11］。

根据检索数据绘制了国内各省市含钒铸造耐磨钢铁材料领域的专利申请量分布情况（见图3），通过对图3进行分析可知，全国专利申请量占比超过5%的主要省份有5个，分别是山东、江苏、安徽、浙江和四川，并且他们拥有的专利申请总量之和约占到了全国的50%。我国含钒铸造耐磨钢铁材料领域专利申请的地域分布广而不均，主要集中于华东的山东、江苏、安徽、浙江，并向北部的北京、河北，以及华中的河南、湖北，四川等地延伸。据相关分析报告显示［12］，我国钒矿资源主要集中在四川攀枝花和河北承德等地。这些地区钒矿资源丰富、交通便利、区域优势突出，尤其江苏、浙江等地面向海域，有先天的贸易条件，聚集了很多大中型钢铁企业和高等院校，具备高水平理论研究的条件和先进的产业贸易培育土壤，同时也说明这些地方都很注重对含钒铸造耐磨钢铁材料创新技术的研究和知识产权保护。

图3 含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利地域分布图Figure 3 Regional distribution map of domestic patents for vanadium-containing cast wearresistant steel materials

2.4 整体趋势分析

2.4.1 年代申请趋势分析

图4为国内含钒铸造耐磨钢铁材料专利的年代申请量、授权量及授权率的综合趋势分析图。从图4可以看出：我国从1985年开始申请含钒铸造耐磨钢铁材料的专利，但在起初长达20年（1985—2005）的时间里，每年的申请量都不超过10件，数量极少，而且基本没有专利授权；在2006—2017年时期，申请量开始大幅增加，并于2017年达到顶峰值，2017年申请量55件是2005年7件的近8倍，此阶段专利授权从无到有呈逐渐增长趋势，专利的年授权率基本均远高于平均年授权率；而在2018年，申请量却出现了断崖式跌落，并于此后逐年减少，在此后短短3年时间里减少了72.7%，授权量和授权率更是早在2015年便开始减少，2020年专利授权量仅为1件，年授权率跌落至授权率平均线之下。

图4 含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利的年代申请和授权趋势分析图Figure 4 Trend analysis of domestic patent applications and grants for vanadiumcontaining cast wear-resistant steel materials

结合钢铁工业发展的时代背景分析，我国20世纪80年代初开始步入改革开放和社会主义市场经济初期，这期间为尽快扩大生产，促进技术结构变化，缩小与世界先进水平的差距，我国钢铁工业技术绝大部分是从国外引进，自主知识产权极少。国内含钒铸造耐磨钢铁材料领域的自主创新技术以钒钛铸铁成分设计及合金化熔炼铸造为主，但仍处于起步阶段，专利技术新颖性、实用性等方面还有所欠缺，授权率不高。从2001年开始的大约15年时间，随着国家深化改革的要求，加上前期对国外引进技术消化吸收再创新的能力加强，我国钢铁工业技术装备国产化、现代化取得重大进展，品种质量得到优化、自主研发投入和产出能力得到加强，科技创新成果不断涌现，为获得国际竞争优势，相关技术和装备的自主知识产权也得以挖掘开发和申请保护。该时期我国含钒钢铁制品产业发展迅速，尤其是高速钢轧辊、挤压辊、复合锤头、双金属复合鄂板、铸铁制动鼓等产品的开发，相关专利技术主要是通过优化多元合金成分设计、改进冶炼铸造方法和热处理方式等来改善普通铸铁铸钢材料的组织，以提升材料的性能和使用寿命。部分专利技术价值较高，实施了许可备案，还有一些专利至今仍处于有效授权状态，维护效果很好。而2017年之后，受周期及去产能政策影响，中国限制钒渣的进口及部分在产和待建项目受环保因素停产或搁置使整个钢铁行业面对要实现快速转型升级的发展要求，然而创新技术的开发和应用需要比较漫长的时间，相关技术的瓶颈在短期内很难突破，所以此时专利申请数量出现骤降。此阶段能获得授权的专利，基本均是有明确的应用场景和鲜明的技术新颖性。

钒在钢铁工业中主要用作合金添加剂，钢中的含钒量（质量分数），除高速工具钢外，一般均不大于0.5%［13］。钢铁工业的发展变化对预测钒的需求至关重要，也就是说钢铁领域对钒的需求趋势决定了钒工业的命运，也间接决定了含钒铸造钢铁技术的创新发展进程。

2.4.2 技术生命周期分析

专利技术在理论上遵循技术引入期、技术发展期、技术成熟期和技术淘汰期4个阶段的周期性变化。图5为以申请人数量与专利申请量关系构建的国内含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利技术生命周期分析图。从图5可以看出：该领域技术的发展趋势与图4反映的申请趋势基本是一致的，到目前为止已经历了萌芽阶段（1985—2004）、发展成熟阶段（2005—2017）、衰 退 阶 段（2018—2021）；1985—2004年期间，每一年专利申请数量和申请人数量都很少，表明此阶段技术尚处于实验开发阶段，并未商品化；而2005—2014年期间，专利申请数量大幅提升、申请人数亦增加，表明此阶段处于技术发展阶段，第一代商品问世，多为产品导向专利；而在2015—2017短暂的三年时间里，专利数量继续增加，申请人数量维持在30个左右，表明此阶段处于技术成熟阶段，此阶段以占有市场为目的的商品为主，以商品改良设计型专利为主，并且存在同一专利申请人拥有多项专利的情况，这些专利申请人的核心技术已经开始形成专利群，具有比较明显的竞争优势；2017年以后，专利数量和申请人数量都大幅减少，专利申请量的降幅比申请人数量的降幅高很多，说明该阶段经历了市场淘汰，仅有一些优势厂商生存下来，商品型态固定，专利以改良专利为主，技术无进展。今后需要加大技术研发投入，促进技术再发展［14］。

图5 含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利的技术生命周期分析图Figure 5 Technical life cycle analysis diagram of domestic patents for vanadium-containing cast wear-resistant steel materials

2.5 技术领域分析

通过对专利的IPC分类号进行统计分析，可得知含钒铸造耐磨钢铁材料领域的各类专利技术的组成和所占的比重，了解各类技术研发的能力分布和成熟度，进而明确技术的发展趋势。

2.5.1 技术领域构成分析

含钒铸造耐磨钢铁材料的国内专利主要IPC排名情况如表1所示。由表1可以看出，我国含钒铸造钢铁耐磨材料领域的技术方向是相对集中的，专利技术集中在C22、C21、B22和B21这4个大组，钒作为合金元素或孕育剂成分加入到含钒铸造耐磨白口铸铁、灰铸铁、中锰钢等相应耐磨钢铁材料中，其作为合金材料成分之一参与材料及产品的合金成分设计、冶炼铸造过程和相关产品的制备开发，这也说明了在含钒铸造耐磨钢铁材料领域中产品的制备和性能优化是大家致力研究的关键技术。

表1 含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利的主要IPC排名情况表Table 1 Main IPC rankings of domestic patents for vanadium-containing cast wear-resistant steel materials

2.5.2 重点技术领域申请趋势分析

图6为含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利重点技术领域趋势图。从图6可见：在含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利的重点技术领域中，C22占很大比例，是最早出现的，几乎每年都有人申请；而在2007年以前，专利申请类型较为单一，多以单个技术主题出现，主要集中在C22；此后呈现多样化趋势，尤其是C21、B22的数量相对明显增多，B21和B02也开始频繁出现；另外，虽然每年的情况各不一样，但都有C22类项目，由此可见该项目在该领域中较多方向仍有发展空间。

图6 含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利重点技术领域趋势图Figure 6 Trend chart of key technical fields of domestic patents for vanadium-containing cast wear-resistant steel materials

2.5.3 重点领域专利技术分析

通过对含钒铸造耐磨钢铁材料有效授权专利的技术说明和权利要求进行分析可知，钒作为微量合金元素，主要以金属钒或钒铁的形式添加到熔炼炉料中，参与耐磨钢铁材料及产品的冶炼和铸造过程，并形成镶嵌在钢铁材料中高熔点、高硬度、高强度的化合物质点，在不同程度上改善钢铁材料的耐磨性、抗拉强度、热导率、减震性及韧性等性能［15-16］。

涉及冶炼领域的专利技术中，钒作为主要合金元素或孕育剂成分参与熔炼，以获得满足成分设计要求的合金化钢铁原料。例如：ZL201310613932.9所述的是一种以转炉钢渣、炼钢除尘灰、煤粉和复合渣为原料及V含量（质量分数）为1.8%—2.5%的冶炼高钒高锰铸铁的方法，该方法工艺简单、金属铁、钒收率高；ZL 202010990736.3（一种灰铸铁的孕育剂及其制备方法）所述的孕育剂，其中钒元素以块状金属钒的形式加入，含量为0.1%以下，通过其与其他元素的协同作用，减少渣眼、缩松、缩孔和气孔等缺陷，促进石墨化而形成细小的A型石墨，从而促使组织均匀、消除白口的倾向、提高铸件的敏感性，以及使孕育效果延长，同时削弱片状石墨对基体的割裂作用，减少共晶凝固期的膨胀。

铸造领域的专利技术主要是通过钒添加量的调控，以改善铸铁材料及产品的组织和力学性能。一般含钒铸铁用于制造汽车制动鼓、轮毂、车辆制动盘、气缸套等，加入V元素的优点是使石墨的颗粒细小并促进珠光体的形成，可有效地细化晶粒，改变碳化物形态，但钒元素加入过多会导致白口。例如：ZL 202010191028.3（一种钒钛合金灰铸铁气缸套及其制备方法）所述为合金灰铸铁，其中V+Ti含量为0.3%—0.45%，合金的金相组织包括石墨相和钒钛相，基体组织中珠光体的占比大，特别是细片状珠光体的比例将达到100%，得到的合金灰铸铁气缸套硬度大于等于240 HBW、抗拉强度大于等于320 MPa，产品质量稳定；ZL 201911256111.8（一种高强度和高导热蠕墨铸铁及其制备方法）所述为蠕墨铸铁，其中V元素含量为0.02%—0.05%，所制备的蠕墨铸铁的抗拉强度及疲劳强度比灰铸铁成倍的提高，导热率又远高于球墨铸铁；ZL 201711237146.8（一种提高高铬铸铁合金耐磨性的加工方法）所述为高铬铸铁合金，其中钒元素配比为0.2%—0.6%，在相同的磨损条件下（ML-10两体削盘磨损试验），耐磨高铬铸铁的耐磨性相比现有Cr15Mo3高铬铸铁提高了40%以上。

涉及轧制领域的专利技术，主要是针对于含钒高速钢/冷硬铸铁/半钢等耐磨轧辊材料及部件的成分设计、制造方法或生产工艺等的创新发明。对于含钒铸钢，室温下钢中V主要是以钒的碳化物、氮化物及碳氮化物的形式存在，钒在钢中起到析出强化相和细化晶粒的作用，从而使钢获得良好的综合力学性能［17-18］。例如：ZL 202110761727.1（高速钢立辊环及其制备方法）所述为高速钢立辊环，包括轧制辊环和传动辊环，轧制辊环套设于传动辊环的外部，其中轧制辊环为离心铸造法制备的高速钢，V含量为1.5%—2.0%，而传动辊环为静态铸造法制备的高韧性铁素体球墨铸铁，通过设计轧制辊环和传动辊环的合理组分，使得轧辊表面硬度能够达到80—90 HSD，使其具有较高的冲击韧性，避免轧辊表面发生块状脱落的情况，延长了使用寿命，同时单槽一次过钢量相较于普通轧辊提升了3倍以上；ZL 201910286059.4（一种高钨钒高速钢耐磨轧辊及其制造方法）所述为高钨钒高速钢，其在立式离心机上浇注成轧辊，经热处理后具有良好的强韧性和优异的耐磨性，用于轧制高强度低合金热轧螺纹钢，使用效果优异；ZL 201711403006.3（一种高抗磨圆棒轧制用轧辊及其制造与使用方法）所述为高CrMoV合金，其通过合金元素的合理匹配，使其具有强度高、抗磨、无热裂的特点，以及比传统合金轧辊显微硬度高2—3倍的M 7C3、M 2C、MC型含铬碳化物的特性，硬度达到58—78 HSD，其可应用于精轧成品机架以代替传统的NiCrMo铸铁轧辊，综合使用寿命达到传统球墨铸铁轧辊的2倍以上。

2.6 申请人分析

2.6.1 申请人结构层次分析

从专利申请人方面进行分析，可以得知研发活跃、技术水平领先的专利申请人情况。含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利的申请人机构层次分布情况如图7所示。从图7可以看出，含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利申请人的机构类型以企业为主占比超过75%，其次是大专院校占比约为20%，最少的是科研单位只有不到4%的占比。也就是说，我国含钒铸造耐磨钢铁材料领域的创新技术是以企业为主导的，因为企业数量规模相对较大，技术转化率快、产品市场化程度高，大小企业都根据各自技术活动的产出主动实施专利布局战略、对核心技术谋求产权保护，希望能有效保护发明创造成果，以此提高竞争力、独占市场，换取最大的利益。所以，企业申请人很注重对自主创新技术产权的保护，整体上在技术活动中更活跃。

图7 含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利的申请人机构层次分布图Figure 7 Hierarchical distribution of applicants for domestic patents of vanadiumcontaining cast wear-resistant steel materials

表2为含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利的不同机构申请人专利申请详情表。由表2可知：虽然大专院校和企业的主要申请人在专利申请总量上基本相等，但有效专利的数量却远不及后者，说明含钒铸造耐磨钢铁材料领域的技术垄断程度较高；研发能力和技术优势集中在湖北金标通用轧辊有限公司、四川省富邦钒钛制动鼓有限公司等企业申请人手中，而且他们更加重视专利有效权的维护；而科研单位整体的申请人数量和专利申请量相比于前两种机构少很多，说明科研单位在该领域的参与活跃度较低，技术优势不明显。因此，在该技术领域的从业人员要高度关注企业申请人的技术储备和技术动向。

表2 含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利的不同机构申请人专利申请详情表Table 2 Patent application details of different institutional applicants for domestic patents of casting wear-resistant steel materials containing vanadium

2.6.2 申请人技术重心分析

图8为含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利的申请人技术重心分布图。从图8可以看出，绝大多数发明人的技术构成主要集中于IPC小类中的C22、C21、B22部分，但小项不尽相同，不同发明人的研究领域亦各有不同。

图8 含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利的申请人技术重心分布图Figure 8 Distribution map of technical gravity center for domestic patent applicants for cast wear-resistant steel materials containing vanadium

表3为含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利的申请人技术重心发明内容概况。由表3分析可知，该领域技术主要集中在铸造钢铁的材料设计及浇铸工艺方面，技术产品主要为制动盘、轧辊、轮毂等耐磨部件或构件，以及还有气缸套、法兰、渣浆泵过流部件、输送管道内衬管、盾构机机体、轴承盖、电机壳、溜槽衬板、减速机箱体等。

表3 含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利的申请人技术重心发明内容概况表Table 3 Overview of the applicants’technical center of gravity for domestic patents of cast wear-resistant steel materials containing vanadium

2.6.3 企业申请人研发能力分析

专利作为企业上市和其他评审中的一项重要指标，是科研成果市场化的桥梁，对企业至关重要。通过对同一申请人的多件专利进行专利处境分析，判断该申请人的相对研发能力［19］。表4为含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利主要申请人的相对研发能力分析表。

表4 含钒铸造耐磨钢铁材料国内专利主要申请人的相对研发能力分析表Table 4 Analysis table of relative research and development capabilities of main applicants for domestic patents of cast wear-resistant steel materials containing vanadium

由表4可以看出：四川省富邦钒钛制动鼓有限公司专利的数量、被引用次数、自我引用次数都是最多的，说明该企业具有高水准的专利活动与高水准的专利质量，属于含钒铸造耐磨钢铁材料领域的技术先锋型和自主开发型企业，相对研发实力较强，专利处境可判定为领先者，其他企业要对他进行密切追踪，防止技术开发时落入其专利陷阱或避免专利侵权等；宁国市开源电力耐磨材料有限公司、湖北金标通用轧辊有限公司、江苏汇诚机械制造有限公司和青岛爱飞客航空科技有限公司的专利数量和被引用次数较多，但没有自我引用次数，说明这几个企业是有高水准的专利活动的，但专利质量偏低，属于技术跟随型企业，专利处境可能为积极者或潜力者；佛山市高明利钢精密铸造有限公司、佛山市高明康得球铁有限公司及其他未列入表中专利申请总量少于3件的企业，呈现出的专利处境不够活跃，从促进企业科技创新能力和提升产品市场竞争力的角度看，这些企业加强该领域专利成果的布局和有效产出是非常必要的。

3 结语

（1）从专利技术的内容和趋势来看，含钒铸造耐磨钢铁材料在汽车和机器制造工业领域中应用最为广泛，仍将有较为长足的发展，具有自主知识产权的创新技术研发和产业应用开发工作在未来仍然需要投入大量精力，而且发明人要及时进行专利布局，提高专利申请质量，重视专利的跟踪和维护，防止因维护不当使专利失效，造成不必要的损失。

（2）目前，我国含钒铸造耐磨钢铁材料领域的专利技术重心受到应用需求的牵引，主要围绕材料及产品的成分设计和铸造工艺开发，而伴随钢铁品种的不断升级换代和消耗，对于含钒制品回收技术的开发与知识产权保护，也是从资源综合利用和环境保护的角度需要关注的问题。

（3）我国含钒铸造耐磨钢铁材料领域主要技术发明人集中在少数有研发和生产实力的大型钢铁企业和研究院手中，这些发明人若能在进行自有技术转化及优秀成果应用的过程中加强技术标准的建设，将对引领和提升行业规范大有益处。