硬质合金球齿材料优化

硬质合金球齿以碳化钨（WC）和钴（Co）为主要成分，其具有优良的耐磨性及冲击韧性，与同类产品比具有更高的钻掘速度。球齿系列钎头钝化使用周期长，其不磨寿命约为同直径刃片头钎头磨次寿命的5-6倍，有利于节省辅助工时，减轻工人体力劳动和加快工程速度。硬质合金球齿常被运用于采煤机钻具，隧道工程，矿山机械工具和道路清扫积雪清除和道路维修工具，要求有极高的硬度以及耐磨性。为了提高硬质合金球齿的整体性能，主要可以从两个角度出发，其一是对材料本身进行优化，包括晶粒细化、结构优化、微量元素添加等，二是对制备生产工艺进行优化。

晶粒细化也就是对WC颗粒的超细晶化甚至是纳米晶化。有研究表明，在硬质合金粘结相含量不变的情况下，WC晶粒度小于1μm时，硬质合金球齿的硬度和强度都有所上升。因此研究人员推测对WC晶粒进一步细化，这样的效果会更加显著。纳米晶硬质合金晶粒也就应运而生了，其晶粒度小，比表面积大，表面的反应活性很强。有实验将不同粒度的WC粉末制备的84%WC-15%Co-1%VC硬质合金球齿进行测试，发现纳米晶的硬质合金球齿所需的烧结温度最低，硬度、强度、耐磨性以及耐冲击韧性最好，有利于提高整体工作效率，延长了使用寿命。

其二是梯度结构的优化，又称多相硬质合金，其最主要的特点是组织成分呈梯度分布。原理是通过真空烧结获得含η相硬质合金，并在渗碳氛围中改变粘结相Co的分布情况，使得硬质合金的不同部位分布含量不同的Co，即最外层Co含量最少，被称为贫Co层，中间为含量较高的富Co，内层为WC，Co，η相三相显微组织。这样一来，当梯度结构硬质合金球齿在采掘或钻进作业中，外层的WC含量高，硬度较高，耐磨性好，中间层由于Co含量高有很好的韧性，因此对岩层的破坏载荷也相应更高。此外，国内相关的研究人员还对渗碳时间、渗碳温度以及渗碳气氛对梯度结构硬质合金球齿的影响进行了探究，认为适当提高渗碳温度有利于液相Co向烧结体内部迁移，而不同粒度的烧结体，应当选择不同的渗碳时间。

最后一种通过添加微量元素来改善硬质合金球齿的方法也是在很多生产实践中相当常见的。添加常用的微量元素有钽（Ta），钼（Mo），磷（P），镍（Ni），碳化钛（TiC），碳化钽（TaC）等等。将Ta和Mo作为微量元素添加到WC-Co硬质合金体系中，Ta和Mo分散在WC颗粒间形成一层复杂的碳化物，且部分Mo入Co粘结相，这起到了发生磨损时强化晶界的作用，从而提高了硬质合金球齿的断裂韧性。而Ni、P元素的加入可以与粘结相Co形成Ni-Co-P合金、Ni-P合金以及Co-P合金。其三者的共晶温度都大大低于Co自身的共晶温度，使得烧结所需温度得到下降，烧结更为充分，致密化程度得到提高。而TiC和TaC可以在一定程度上改善硬质合金粘结相成分及晶界微观结构，从而提高硬质合金球齿的抗热塑性、耐磨性以及抗热冲击性，但是也会在一定程度上影响到硬质合金球齿的强度，增加了制造和使用成本。