基于專利分析的熱作模具鋼技術研發態勢研究

孫艷姣，趙陽

（1.遼寧省重要技術創新與研發基地建設工程中心，遼寧沈陽 110168；2.東北大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽 110819）

1 引言

熱作模具鋼是用來制造使加熱到再結晶溫度以上的金屬或液態金屬獲得所需要形狀的模具的一種工具鋼[1]。由于熱作模具的服役工況和使用環境較為復雜，因此對熱作模具鋼的性能要求較高。如何提升熱作模具鋼的高溫熱穩定性、抗熱疲勞性、淬透性、沖擊韌性、耐磨性等性能，一直是相關科研工作者的關注重點，如，項少松等研究了鎢對DIEVAR熱作模具鋼熱穩定性的影響，認為含0.6%W的DIEVAR鋼的碳化物最細小均勻，熱穩定性最佳[2]；周青春等研究了馬氏體熱作模具鋼（SDH3）的回火過程，認為Si、Mn的加入增加了鋼的回火穩定性和高溫性能[3]；吳曉春等研究了新型奧氏體熱作模具鋼6Mn14Cr3Mo2V2的強韌化機制，認為6Mn14Cr3Mo2V2鋼在經過1,170℃固溶，720℃時效2h后，獲得良好的強韌性，可以達到熱作模具鋼的使用要求[4]；王維寧等研究了H13鋼鍛后熱處理工藝，認為良好的球化退火組織是獲得H13鋼高韌性的必備條件[5]。

本研究以國家知識產權局知識產權出版社中國專利數據庫為數據源，對1985～2021年期間的熱作模具鋼技術領域專利進行了檢索，通過清洗、篩選得到245件相關專利作為本次研究的樣本數據，從專利申請總體態勢、地域分布、技術領域分布、主要申請人等方面對熱作模具鋼技術研發態勢進行了深入分析，以期為相關政府部門、企業、學校和科研院所進一步發展熱作模具鋼技術提供情報支撐。

2 熱作模具鋼專利技術整體發展趨勢分析

2.1 專利申請時間趨勢分析

圖1所示揭示了熱作模具鋼技術領域專利申請時間趨勢，可以看出該技術領域的專利申請數量整體呈現波動增長趨勢。1985～2007年期間，該技術領域的專利申請數量較少，每年的專利申請數量僅0～3件；2008年，該技術領域的專利申請數量出現第一個小高峰，達到12件；2009～2016年期間，該技術領域的專利申請數量波動增長，并于2006年達到20件，之后幾年該技術領域的專利年均申請數量都在20件以上；該技術領域的專利申請數量在2017年和2019年達到新的高峰。這與近來年我國傳統制造業的不斷改造升級給模具行業帶來的巨大發展機遇有很大關系。由于專利公開有18個月的滯后期，因此2020年和2021年的數據不完整，僅供參考。

2.2 專利技術生命周期分析

通過對熱作模具鋼技術領域的專利分析發現，熱作模具鋼技術整體上處于技術成長期。1985～2007年期間，該技術領域的專利申請數量和專利申請人數量增長緩慢，且總體數量較少，熱作模具鋼技術處于導入期。2008年起，該技術領域的專利申請數量和專利申請人數量雖然有大幅度波動，但整體呈現上升趨勢，且增速較快，熱作模具鋼技術處于成長期。預計未來一段時間內，該技術領域的專利申請數量和申請人數量仍會保持快速增長趨勢。圖2所示為熱作模具鋼專利技術生命周期。

圖1 熱作模具鋼專利申請時間趨勢

3 熱作模具鋼技術專利申請地域分析

3.1 專利申請地域分布分析

在檢索到的245件熱作模具鋼專利中，僅1件外國申請專利，申請人為日本大同特殊鋼株式會社，其余244件均為國內申請專利。如圖3所示，國內熱作模具鋼技術領域約70%專利申請集中在江蘇、上海、湖北、北京、遼寧、廣東等6省市，其中，江蘇、廣東是我國的主要模具市場，擁有較多的模具生產企業；上海、湖北、北京、遼寧擁有我國較大的鋼鐵生產企業，且科教資源較為豐富。專利申請數量排名首位的是江蘇，共申請62件專利，占該技術領域專利申請總量的25.30%；其次為上海、湖北、北京、遼寧、廣東，專利申請數量分別為27件、22件、20件、19件、16件，占該技術領域專利申請總量比例分別為11.02%、8.98%、8.16%、7.76%、6.53%；其他省市在該技術領域的專利申請數量較少，多數未超過10件，合計占比為32.25%。

圖2 熱作模具鋼專利技術生命周期

圖3 熱作模具鋼技術專利申請地域分布

3.2 主要專利申請地域趨勢分析

從熱作模具鋼技術領域6個主要申請地域的申請趨勢來看，湖北在該技術領域的專利申請時間最早，為1985年申請2件專利；之后20余年的專利申請數量都比較少，共5件；自2016年起專利申請數量迅速增長，于2018年、2019年達到峰值，專利申請數量均為5件，如圖4所示。其次為北京、上海、廣東，北京在該技術領域的專利申請主要集中在最近10余年，且年均申請數量較低；上海在該技術領域的專利申請主要集中在2007～2010年期間，其峰值為2008年申請5件專利，近年的專利申請數量較低；廣東在該技術領域的專利申請起始時間為2000年，之后十幾年內幾乎沒有申請專利，直到2014年開始有專利申請，其峰值為2020年申請7件專利。遼寧、江蘇在該技術領域的專利申請時間較晚，與湖北有20余年的時間差，遼寧在該技術領域的專利申請主要集中在2015～2019年期間，其峰值為2016年申請7件專利；江蘇在該技術領域的專利申請起始時間為2010年，且年均申請數量較高，2017年專利申請數量大幅增長，達到峰值為13件，之后幾年專利申請數量有所回落，但仍保持在年均5件以上。

圖4 熱作模具鋼主要專利申請地域趨勢

4 熱作模具鋼專利重點技術領域分析

4.1 專利技術構成分析

熱作模具鋼技術可分為化學成分設計和制備工藝兩個一級分支，其中，制備工藝方面又分為冶煉工藝、成型工藝、熱處理工藝、表面處理工藝等多個二級分支。通過對檢索到的245件熱作模具鋼專利進行分類整理，發現熱作模具鋼技術領域專利申請主要集中在化學成分設計、熱處理工藝、冶煉工藝3個技術分支中，如圖5所示。其中，涉及化學成分設計的專利申請數量為147件，占熱作模具鋼技術領域專利總量的60.00%；涉及熱處理工藝的專利申請數量為143件，占熱作模具鋼技術領域專利總量的58.37%；涉及冶煉工藝的專利申請數量為103件，占熱作模具鋼技術領域專利總量的42.04%。由于熱作模具鋼技術領域的一件專利可能涉及多個技術分支，因此各技術分支專利申請數量之和要高于該技術領域檢索到的專利總量。

圖5 熱作模具鋼技專利技術構成

4.2 專利技術發展趨勢分析

從熱作模具鋼專利技術發展趨勢可以看出，化學成分設計、熱處理工藝、冶煉工藝是近幾年較為活躍的技術分支?；瘜W成分設計技術分支的專利申請起步較早，最早為1985年申請2件專利；2008年該技術分支專利申請數量達到小高峰，為11件；2009～2015年期間，該技術分支專利申請數量有所回落，年均專利申請量不足10件；2016年起，該技術分支的專利申請數量迅速增長，于2017年突破20件；2019年該技術分支的專利申請數量達到新的高峰，為24件。如圖6所示，表面處理工藝技術分支的專利申請始于1996年，2013年之前該技術分支的專利申請數量較少；2014年起，該技術分支的專利申請數量開始波動增長，漲幅不大，于2020年達到峰值為7件。熱處理工藝技術分支的專利申請始于2001年，該技術分支的專利申請數量波動較大，但整體呈增長趨勢；尤其2016年之后增速較快，2018年該技術分支的專利申請數量短暫回落后，于2019年達到高峰，為28件。冶煉工藝和成型工藝這兩個技術分支的專利申請均起步于2005年，冶煉工藝技術分支的專利申請態勢與熱處理工藝技術分支相似，呈現出波動較大但整體增長的發展趨勢，于2019年達到高峰，為24件；成型工藝技術分支的專利申請數量較少，發展趨勢曲線起伏較小。燒結工藝技術分支僅在2017年有5件專利申請。

圖6 熱作模具鋼專利技術發展趨勢

4.3 IPC小組分析

熱作模具鋼技術領域專利分布在155個IPC小組，該技術領域的專利技術點主要集中在C22C38/04（鐵基合金-含錳的）、C22C38/02（鐵基合金-含硅的），專利申請數量分別為105件、101件，占熱作模具鋼技術領域專利總量的比例分別為42.86%、41.22%，所屬技術分支均為化學成分設計；其次為C21D8/00（通過伴隨有變形的熱處理或變形后再進行熱處理來改變物理性能）、C22C38/24（鐵基合金-含鉻的-含釩的），專利申請數量分別為72件、61件，占熱作模具鋼技術領域專利總量的比例分別為29.39%、24.90%，所屬技術分支分別為熱處理工藝和化學成分設計，如圖7所示。由于熱作模具鋼技術領域的一件專利可能涉及多個IPC小組，所以IPC小組專利申請數量之和要高于該技術領域檢索到的專利總量。

圖7 熱作模具鋼技術專利申請數量排名前十位IPC小組

4.4 IPC小組發展趨勢分析

如圖8所示，從歷年專利申請數量排名前十位的IPC小組變化情況可以看出，2005年之前，熱作模具鋼技術領域專利申請所涉及的IPC小組較少；2006～2015年期間，該技術領域專利申請所涉及的IPC小組較多且較為分散；2016年之后，該技術領域專利申請所涉及的IPC小組較為集中，基本為該技術領域專利申請數量總排名前十位的IPC小組。C22C38/46（鐵基合金-含鉻的-含鎳的-含釩的）、C22C38/24（鐵基合金-含鉻的-含釩的）始終是熱作模具鋼技術領域的重點研發方向，在熱作模具鋼專利技術生命周期的導入期到成長期都有專利申請，且近5年專利申請數量較多；C21D8/00（通過伴隨有變形的熱處理或變形后再進行熱處理來改變物理性能）、C22C33/04（鐵基合金的制造-用熔煉法）、C21D1/18（熱處理的一般方法或設備-硬化；隨后回火或不回火的淬火）、C21D6/00（鐵基合金的熱處理）、C22C38/22（鐵基合金-含鉻的-含鉬或鎢的）、C22C38/44（鐵基合金-含鉻的-含鎳的-含鉬或鎢的）也是該技術領域較為重要的研發方向，在熱作模具鋼專利技術生命周期即將進入成長期時開始有相關專利申請，且近5年專利申請數量較多；C22C38/04（鐵基合金-含錳的）、C22C38/02（鐵基合金-含硅的）為最近幾年興起的熱門研究方向，且為該技術領域專利申請數量總排名前兩位的IPC小組。部分IPC小組在某個階段有大量專利，但近期沒有專利申請，如C22C38/48（鐵基合金-含鉻的-含鎳的-含鈮或鉭的）、C22C38/12（鐵基合金-含鎢、鉭、鉬、釩或鈮的）在2016年申請數量較多，是當時的研究熱點，近五年內沒有相關專利申請。

5 熱作模具鋼專利申請人分析

5.1 專利申請人類型分析

熱作模具鋼技術領域專利主要由企業申請，專利申請數量為141件，占該技術領域專利總量的57.55%；其次為各類學校，專利申請數量為65件，占該技術領域專利申請總量的26.53%；科研院所和個人的專利申請數量較少，分別為13件、17件，占該技術領域專利申請總量的比例分別為5.30%、6.94%；合作申請專利數量最少，僅為9件，占該技術領域專利申請總量的3.68%，其中，學校與企業合作申請專利6件、科研院所與企業合作申請專利2件、企業與企業合作申請專利1件，如圖9所示。

圖8 熱作模具鋼技術歷年專利申請數量排名前十位IPC小組發展趨勢

5.2 專利主要申請人申請數量分析

熱作模具鋼技術領域專利申請人在該技術領域的專利申請數量普遍較少，專利申請較為分散。其中，70.95%的專利申請人在該技術領域的專利申請數量僅有1件，合計專利申請數量占該技術領域專利申請總量的48.86%；25.00%的專利申請人在該技術領域的專利申請數量為2～4件，合計專利申請數量占該技術領域專利申請總量的39.59%；僅有4.05%的專利申請人在該技術領域的專利申請數量超過5件，合計專利申請數量占該技術領域專利申請總量的17.55%。專利申請數量超過5件的專利申請人共6個，分別為上海大學、北京科技大學、鞍鋼股份有限公司、寶鋼集團公司、鋼鐵研究總院、丹陽惠達模具材料科技有限公司，專利申請數量占該技術領域專利申請總量的比例分別4.49%、3.27%、2.85%、2.45%、2.45%、2.04%，其中，僅上海大學專利申請數量超過10件，如圖10所示。

5.3 專利主要申請人申請趨勢分析

從熱作模具鋼技術領域專利申請量排名前6位的申請人發展趨勢可以看出，鞍鋼股份有限公司、北京科技大學是近幾年較為活躍的申請人。寶鋼集團公司進入該技術領域時間較早，為2001年申請1件專利，此時該技術領域整體技術發展尚處于導入期，之后該申請人在2007年、2011～2012年、2015年、2017年都有過熱作模具鋼專利申請，且申請數量均為1件。上海大學于2006年開始在熱作模具鋼技術領域申請專利，其專利申請集中在2006～2012年期間，于2008年到峰值為4件，2013年之后，該申請人在熱作模具鋼技術領域幾乎沒有專利申請，僅在2019年申請1件專利。鋼鐵研究總院于2008年開始在熱作模具鋼技術領域申請專利，專利申請數量為3件，此時該技術領域整體技術所處階段已步入成長期，之后該申請人僅在2014年和2017年有過專利申請，且專利申請數量較少。北京科技大學于2012年開始在熱作模具鋼技術領域申請專利，其專利申請主要集中在2017～2021年期間。鞍鋼股份有限公司于2016年開始在熱作模具鋼技術領域申請專利，其專利申請數量峰值為2019年申請4件專利。丹陽惠達模具材料科技有限公司僅在2017年有過5件專利申請，此時為該技術領域整體專利申請數量高峰期，如圖11所示。

圖9 熱作模具鋼技術專利申請人類型

圖10 熱作模具鋼技術專利主要申請人專利申請數量

圖11 熱作模具鋼專利主要申請人發展趨勢

5.4 專利主要申請人技術構成分析

從熱作模具鋼技術領域專利申請量排名前6位的申請人技術布局情況可以看出，該技術領域的專利主要申請人技術主要分布在化學成分設計、熱處理工藝和冶煉工藝三個技術分支。其中，上海大學的主要技術點集中在熱處理工藝技術分支，其次為化學成分設計、冶煉工藝兩個技術分支，涉及成型工藝技術分支的專利數量較少；北京科技大學的主要技術點集中在冶煉工藝和熱處理工藝兩個技術分支；鞍鋼股份有限公司的專利申請較為均衡地分布在化學成分設計、熱處理工藝、冶煉工藝3個技術分支，在其他技術分支無專利申請；寶鋼集團公司和鋼鐵研究總院的主要技術點均集中在化學成分設計技術分支；丹陽惠達模具材料科技有限公司的專利技術點主要集中在燒結工藝技術分支，在其他技術分支無專利申請，如圖12所示。

圖12 熱作模具鋼專利主要申請人技術布局

6 結論

總體來看，我國熱作模具鋼技術領域專利申請數量呈波動增長趨勢，專利技術生命周期處于成長期。從地域分布情況來看，江蘇在該技術領域研發活動較為活躍，其次為上海、湖北、北京、遼寧、廣東；從重點技術領域分布來看，該技術領域專利主要集中在化學成分設計、熱處理工藝、冶煉工藝3個技術分支，主要技術點為C22C38/04（鐵基合金-含錳的）、C22C38/02（鐵基合金-含硅的）、C21D8/00（通過伴隨有變形的熱處理或變形后再進行熱處理來改變物理性能）、C22C38/24（鐵基合金-含鉻的-含釩的），通過改進化學成分設計來優化熱作模具鋼性能始終是該技術領域的研發重點；從研發主體分布來看，該技術領域的主要研發活動集中在企業和學校展開，研發主體之間合作較少，鞍鋼股份有限公司、北京科技大學是該技術領域近幾年較為活躍的研發主體。