梯度结构硬质合金球齿

梯度结构硬质合金球齿，也被称为多结构或多相硬质合金球齿。硬质合金的硬度与其WC粒度和Co密切相关。通常WC含量越高，晶粒越细，硬度也相应越高；Co含量越高，硬度则相应越低。梯度结构硬质合金材料由于组织不均匀，其硬度分布也不一致。而梯度结构的硬质合金球齿三层显微组织结构也有明显的差异：表层由于WC颗粒富集，因而具有较高硬度；中间层则Co相分布较多，硬度相对较低；内部又含有大量W相，硬度也相对升高。在整个渗碳过程中，随着渗碳时间的增加，合金表面的Co相不断地向合金中间层迁移，所以合金中间层Co相含量随渗碳时间的增加而增加。与此同时，合金表层WC晶粒发生长大，合金内部由于渗碳烧结时溶解-析出机制的作用，WC晶粒也出现轻微长大的趋势。这样的三明治结构能够同时改善材料的表面硬度和内部韧性，能够较为有效地调和硬质合金球齿耐磨性和韧性之间的矛盾。

梯度结构硬质合金的实质是在制取缺碳即含η-相的硬质合金的基础上通过渗碳处理来改变合金中粘结相的分布，使其呈低度结构，也使得不同部位的材料获得不同的使用性能。目前，梯度结构硬质合金球齿的主要工艺方法包括复合硬质合金法、粉末分层（粘结剂含量不同）压制法、金属溶体浸渍法等等。相比于这些方法，缺碳硬质合金渗碳处理法具有许多优势，如耐磨性以及韧性更为优良；可根据不同的使用需求在不同部位加以不同组合，工艺灵活性和应用广泛性都得到极大的提升；设备简单、操作方便、成本相对较低。复合硬质合金法采用具有不同粒度的硬质合金粉末或者利用分割成具有不同粒度分布区域的硬质合金，该方法能够在硬质合金烧结体内部获得不同的粘结相含量。然而，这样细晶粒部分具有比粗晶粒部分的粘结相含量较高，但是二者在不同部位的耐磨性和韧性却差别并不大；采用粉末分层压制法（粘结剂含量不同），则需要使用集中不同粘结剂含量的硬质合金粉末逐层进行压制。这样一来，不仅工艺操作复杂，而且在烧结过程中压坯不同粘结剂含量的各层间容易产生均质化，使得合金不同部位间的耐磨性和韧性的差异也在逐步缩小；而金属溶体浸渍法需要专门装置制备金属溶体并需浸渍，从而使得所制取的梯度结构近局限于表面区域，应用范围极大受限。

缺碳硬质合金渗碳处理法，是在硬质合金混料含碳量低于化学计量值情况下（低碳或缺碳），烧结后会在硬质合金结构中生成缺碳相—η相。无论是游离碳相还是缺碳相都会对硬质合金制品产生不利的影响。因为η相太脆，容易在表面形成微裂纹，从而导致硬质合金在使用过程中发生断裂。对于带硬质合金球齿的钻头，耐磨性是选择的首要因素。而Co含量较低的硬质合金难以进行焊接，因为焊接时所产生的焊接应力有可能导致合金的断裂。在硬质合金球齿镶焊固定于钢体时，在球齿与钢体接触表面的上方常常会在钻进时产生间隙，并在钻进过程中逐渐扩大，最终球齿发生断裂，一般发生于球齿的底面部位。