硬質合金球齒材料優化

硬質合金球齒以碳化鎢（WC）和鈷（Co）為主要成分，其具有優良的耐磨性及衝擊韌性，與同類產品比具有更高的鑽掘速度。球齒系列釺頭鈍化使用週期長，其不磨壽命約為同直徑刃片頭釺頭磨次壽命的5-6倍，有利於節省輔助工時，減輕工人體力勞動和加快工程速度。硬質合金球齒常被運用於採煤機鑽具，隧道工程，礦山機械工具和道路清掃積雪清除和道路維修工具，要求有極高的硬度以及耐磨性。為了提高硬質合金球齒的整體性能，主要可以從兩個角度出發，其一是對材料本身進行優化，包括晶粒細化、結構優化、微量元素添加等，二是對製備生產工藝進行優化。

晶粒細化也就是對WC顆粒的超細晶化甚至是納米晶化。有研究表明，在硬質合金粘結相含量不變的情況下，WC晶粒度小於1μm時，硬質合金球齒的硬度和強度都有所上升。因此研究人員推測對WC晶粒進一步細化，這樣的效果會更加顯著。納米晶硬質合金晶粒也就應運而生了，其晶粒度小，比表面積大，表面的反應活性很強。有實驗將不同粒度的WC粉末製備的84%WC-15%Co-1%VC硬質合金球齒進行測試，發現納米晶的硬質合金球齒所需的燒結溫度最低，硬度、強度、耐磨性以及耐衝擊韌性最好，有利於提高整體工作效率，延長了使用壽命。

其二是梯度結構的優化，又稱多相硬質合金，其最主要的特點是組織成分呈梯度分佈。原理是通過真空燒結獲得含η相硬質合金，並在滲碳氛圍中改變粘結相Co的分佈情況，使得硬質合金的不同部位分佈含量不同的Co，即最外層Co含量最少，被稱為貧Co層，中間為含量較高的富Co，內層為WC，Co，η相三相顯微組織。這樣一來，當梯度結構硬質合金球齒在採掘或鑽進作業中，外層的WC含量高，硬度較高，耐磨性好，中間層由於Co含量高有很好的韌性，因此對岩層的破壞載荷也相應更高。此外，國內相關的研究人員還對滲碳時間、滲碳溫度以及滲碳氣氛對梯度結構硬質合金球齒的影響進行了探究，認為適當提高滲碳溫度有利於液相Co向燒結體內部遷移，而不同粒度的燒結體，應當選擇不同的滲碳時間。

最後一種通過添加微量元素來改善硬質合金球齒的方法也是在很多生產實踐中相當常見的。添加常用的微量元素有鉭（Ta），鉬（Mo），磷（P），鎳（Ni），碳化鈦（TiC），碳化鉭（TaC）等等。將Ta和Mo作為微量元素添加到WC-Co硬質合金體系中，Ta和Mo分散在WC顆粒間形成一層複雜的碳化物，且部分Mo入Co粘結相，這起到了發生磨損時強化晶界的作用，從而提高了硬質合金球齒的斷裂韌性。而Ni、P元素的加入可以與粘結相Co形成Ni-Co-P合金、Ni-P合金以及Co-P合金。其三者的共晶溫度都大大低於Co自身的共晶溫度，使得燒結所需溫度得到下降，燒結更為充分，緻密化程度得到提高。而TiC和TaC可以在一定程度上改善硬質合金粘結相成分及晶界微觀結構，從而提高硬質合金球齒的抗熱塑性、耐磨性以及抗熱衝擊性，但是也會在一定程度上影響到硬質合金球齒的強度，增加了製造和使用成本。

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