硬質合金球齒耐磨性能分析

隨著人類科技的進步和探索領域的不斷深入，越來越多的工具、機械都要求在較為嚴苛的環境下工作，像高壓密封、酸堿腐蝕等。硬質合金球齒本身具有極高的硬度、密度、較高的熔點以及良好的化學穩定性，在礦山、油田開採，隧道、岩層掘進等方面有著較為廣泛的應用。

國內學者對此做了大量研究，其採用硬質合金球齒對花崗岩進行磨削實驗。試驗中選用立式車床作為儀器，試驗固定球齒的侵入深度，即作用在硬質合金球齒上的有效應力、磨削的線速度，從而檢測硬質合金球齒的耐磨性。硬質合金球齒雖然具有較高的硬度，但其屬於脆性材料，通過脆性磨損理論的公式計算關係可得出硬質合金球齒的體積磨損量與其單位摩擦功磨損量成正比。單位摩擦功磨損量越小，硬質合金球齒的耐磨性越大，及體積磨損量與耐磨性成反比。以下是該試驗中硬質合金球齒體積磨損量和磨耗比的統計資料：

從上表中我們不難看出硬質合金球齒磨削花崗岩的磨耗比大約都在一千多左右，磨耗比越低與潛孔鑽頭球齒現場工作情況越相吻合。因為在潛孔鑽頭工作時，絕大部分的硬質合金球齒都是因為發生磨損而失效，只有少部分的球齒是因衝擊斷裂而失效，尤其是具有保徑作用的邊齒由於線速度最大磨損也最為嚴重。在一些高風壓潛孔鑽頭作業中對其製作工藝要求也更加嚴格，若球齒磨損失效需要頻繁更換，就會使得人力以及物力成本大大增加。因此相關研究人員分別從碳化鎢（WC）晶粒尺寸、微量元素、粘結劑、化學熱處理等幾個方面研究對硬質合金球齒耐磨性能的影響。這裏我們著重探討微量元素添加對硬質合金球齒耐磨性能的影響。

通常情況下為了細化碳化鎢類硬質合金球齒的晶粒，常常通過添加晶粒長大抑制劑的方法；而提高硬質合金球齒的耐腐蝕性能則通過添加耐腐蝕的成分；對於改變合金性能則可以通過添加稀土元素或者高熔點金屬等方法實現。經過大量的實驗以及統計資料表明，最為有效的對於WC-20Co晶粒長大的抑制劑為碳化釩以及鈮、鉭、鈦、鋯等元素，這些元素的加入有助於晶粒細化並提高耐磨性。而稀土元素的加入可以與氧O、鈣Ca、硫S等雜質發生球狀的複雜化合物，即改變了原有介面雜質的分佈狀態。此外鈷Co元素在碳化鎢WC上的潤濕性也得到了一定的改善，介面的聯結強度得到了提高，因而耐磨性也有所提升。