随着深孔凿岩和油田掘进的流行，相关的机器设备对硬质合金球齿的性能要求也日益升高。硬质合金球齿的齿形多为圆头形和弹头形。在日常的生产应用中发现常规的圆头硬质合金球齿易发生钝化，而弹头形硬质合金球齿由于齿冠尖细且半径小，在承受较大冲击力做功条件下，容易因基体的强度不足而破碎。相关学者和研究者根据球形压模破岩的有效机理和弯曲应力曲线等理论，设计了耐钝硬质合金球齿。它综合了圆头齿和弹头齿的优点，齿头由球冠形体和近似圆锥体两部分组成。根据球形与楔形应力分布规律，将球冠形体主要运用于进行球形压模破岩，而近似圆锥体进行楔形压模破岩，形成良好高效的破岩效果。

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时效处理的基本定义是淬火合金的强度和硬度随时间而发生显著变化的现象。室温下进行的时效叫自然时效，在一定温度下进行的时效叫人工时效。 时效处理是把材料有意识地在室温或较高温度存放较长时间，使之产生时效工艺。而硬质合金淬火-时效的主要原理是：通过淬火加热破坏原有塑性较差的结构，转化为高塑性的结构，提高硬质合金球齿的韧性和强度。再通过时效处理，将硬质合金的过饱和空位移到晶界、位错等处而消失，从而减少点阵变形，松弛高应力区，使硬质合金的抗弯强度得到提升。国内将这项技术投入生产的具体实例有真空油淬-自然时效法处理部分牌号的硬质合金球齿，以及采用真空气淬-回火法处理Yj2,1R等牌号的硬质合金球齿等。

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现如今，国内外的一些厂家在硬质合金球齿的制作过程中添加了微量的TaC，其作用是改善合金粘结相成分及晶界微观结构，以在一定程度上提高硬质合金的耐磨性、抗热冲击性和抗热塑变性。但是加入TaC会在一定程度上增加制造的成本费用，并且如果加入量过大会使得硬质合金球齿的强度降低。而有实验表明，将Ta和Mo作为添加剂适量地加入到WC-Co硬质合金中，能得到断裂韧性极高且硬度未降低的硬质合金。这是由于Ta和Mo分布于WC颗粒之间形成了一层复杂的碳化物，且部分Mo进入Co粘结相，从而在磨损时起到了晶界强化的作用，断裂韧性也随之提高，在高硬度钻岩掘进的过程中表现出良好的冲击韧性和高耐磨性。

此外，在WC-Co硬质合金中加入Ni、P元素之后，可形成Ni-Co-P合金、Ni-P合金以及Co-P合金。其中Co-P合金的共晶温度为1020摄氏度，Ni-P合金的共晶温度为880摄氏度，分别比Co的熔点的1495摄氏度和WC-Co的1340摄氏度低。其主要原因P原子吸附和偏析于Ni、Co颗粒的表面，从而降低的Ni、Co颗粒的表面能。因此，该类合金在相对较低的温度下呈液相，液相的提前出现使得固相颗粒的溶解与析出以及骨架的形成也提前发生，使烧结过程更为充分，从而有效提高了硬质合金球齿的致密化速度和使用性能。

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低压热等静压技术，是在克服传统真空烧结时会留下一定数量的孔隙和内部缺陷，降低硬质合金球齿性能的缺点，并将生产设备昂贵且产率低热等静压技术加以改进所形成的新型烧结技术。它能最大限度地消除硬质合金内部的残余孔隙，并细化晶粒，消除其工艺造成的粗晶、钴池及表面成分改变等缺陷，从而提高硬质合金球齿的整体致密度，改善其各项性能，现如今已有不少厂商开始采用这项烧结技术，为市场提供了大量优质的硬质合金球齿。

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梯度结构硬质合金的制备原理是采用含碳量较低的硬质合金，通过真空烧结获得η相硬质合金，并在渗碳气氛中处理以改变Co粘结相的分布情况，使硬质合金球齿不同部位分布不同含量的Co。这就是所谓的梯度分布，硬质合金球齿最外层Co含量较低的贫Co层，中间层为Co含量较高的富Co层，而最内层为WC、Co、η三相显微组织。

梯度结构硬质合金最外层WC含量较高，具有较高的耐磨性，而中间层Co含量较高，具有较高的韧性，所以在凿岩或是挖掘钻孔使用时该类的硬质合金球齿所对应的破坏载荷更高，使用寿命更长。例如，在石灰石隧道钻孔中所采用的带DP55圆锥形球齿的φ45mm冲击钻头，在钻进速度1.96m/min下所有的平均使用寿命为3121m，而常规的硬质合金球齿钻头在1.48m/min下使用寿命只能达到1000m。

国内外许多相关的研究人员做了一些关于梯度结构硬质合金球齿方面的研究，主要针对的是烧结体的尺寸、烧结体的碳含量、渗碳气氛、渗碳温度、渗碳时间等因素对硬质合金梯度的影响。实践研究表明，要形成梯度结构硬质合金，烧结体所含的碳量需比理论值低0.1%-0.4%，适当提高渗碳温度有利于液相Co向烧结体内部迁移。此外，对于不同粒度的烧结体，应相应选择不同的渗碳时间。

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硬质合金球齿在凿岩使用的钻具方面的要求越来越高，既要求其有较好的韧性以防止脆性的断裂，且需要其具有极高的硬度和高耐磨性，而利用超细晶结构可 显著提高硬质合金球齿的使用性能。有研究数据表明，在硬质合金粘结相含量不变的情况下，当WC晶粒度小于1μm时，合金的硬度和强度都会得到显著地提升， 与此同时，随着WC晶粒度的进一步减小，硬质合金球齿的性能提高的幅度将更加显著。

由于纳米晶粒本身颗粒度较小，表面积较大，表面 所具有的反应活性较强，这也使得它的某些特异的性能将能同时提高硬质合金球齿的强度和硬度。所以，许多的有关学者或研究者将研究目标和方向放在了细化硬质 合金晶粒至纳米级,使其达到硬度和强度双双增强的效果。经过多组相关实验表明将纳米材料应用到硬质合金球齿的烧结配方上，其所需烧结温度有了明显的降低， 而相应的强度、硬度以及单齿耐磨性和冲击韧性有着不同程度的提高，从而使得相应的使用寿命延长，生产成本降低。

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以下为稀土掺杂钨酸钙Zn_0.1Ca_0.9WO₄：Ho³⁺/Yb³⁺多晶的上转换稳态光谱。

在980nm二极管激光器的激发下，对Zn_0.1Ca_0.9WO₄：Ho³⁺/Yb³⁺样品进行上转换稳态光谱测试，测试范围450~700nm，测试结果如图 7所示。 

Zn_0.1Ca_0.9WO₄：Ho³⁺/Yb³⁺多晶在475nm处有明显的蓝光发射峰，这个波长的蓝光发射对应Tm³⁺离子的¹G₄→³H₆能级跃迁。在650nm处出现了微弱的红光发射峰，这个波长的红光发射峰对应于Tm³⁺离子的¹G₄→³F₄能级跃迁。

由于Tm³⁺离子同样不能直接吸收980nm激发波长传递的能量，需要通过Yb³⁺离子的敏化作用实现能级跃迁，因此固定Tm³⁺离子浓度为2mol%时，Yb³⁺离子浓度的改变直接影响上转换发光强度。由图中可以看出，当Yb³⁺离子浓度小于6mol%时，随着Yb³⁺离子浓度不断提高，上转换蓝光和红光发光强度逐渐增强。当Yb³⁺离子浓度大于6mol%时，上转换蓝光发光强度反而减弱，红光发光强度基本不变。说明固定Tm³⁺离子浓度为2mol%时，Yb³⁺离子敏化Tm³⁺离子发光的阈值浓度为6mol%。上转换蓝光和红光发光强度出现这种变化趋势的原因如下：当Yb³⁺离子浓度较低时，随着Yb³⁺离子浓度的增大，更多的Yb³⁺离子不断地将能量传递给Tm³⁺离子，能量传递效率增加，因此上转换蓝光和红光发光强度均增强。当Yb³⁺离子浓度较高时，Yb³⁺离子间距离较小，两个相邻的Yb³⁺离子组成一对，发生合作敏化作用，能量传递效率降低，因此上转换蓝光和红光发光强度减弱。 

固定Tm³⁺离子浓度为2mol%时，Yb³⁺离子浓度的改变同时影响蓝光和红光的比例。分别对蓝光和红光的发射峰面积进行积分，得到蓝光和红光比例如图 8所示。 

Zn_0.1Ca_0.9WO₄：Ho³⁺/Yb³⁺多晶上转换蓝光和红光发光强度比例很大，红光强度远远小于蓝光。当Yb³⁺离子浓度低于5mol%时，随着Yb³⁺离子浓度的增加，蓝红光强度比随之增加。当Yb³⁺离子浓度为5mol%时，蓝红光比值最大。当Ho³⁺离子浓度大于5mol%时，蓝红光比例显著下降。这说明Yb³⁺离子浓度不但对上转换发光强度有影响，还对蓝红光的比例影响显著。

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影响钨触点腐蚀的腐蚀速度主要因素有：空气中的杂质、湿度和金属表面的状态。如果空气中湿度越大，金属表面上凝结的水膜会越厚，则水膜的电阻越小，腐蚀速度也越快。

钨触点腐蚀过程的化学反应式如下所示
W + O₂ = W - 4e + O₂ = WO₂
2WO₂ + H₂O – e = W₂O₅ + 2H
W₂O₅ + H₂O - e = 2WO₃ + 2H
WO₃ + H₂O = H₂WO₄（黑色胶状物）
H₂WO₄ – H₂O = WO₃（脱水→黄褐色硬膜）
从上述式子可以看出，电化学腐蚀的本质是，金属原子失去电子被氧化的过程。
电化学腐蚀是金属和电解液之间发生电化学反应使得金属被破坏的过程。
金属发生电化学腐蚀的条件：
1.金属间有电位差
2.在电解液中进行等

钨触点在潮湿中会受到腐蚀（通常情况下，发生在空气湿度大于60％时），称为大气腐蚀，是电化学腐蚀的一种。大气腐蚀的发生是在金属上一层电解薄膜（溶有各种盐类和腐蚀性气体杂质）内进行的，该层膜的形成是因为大气中水汽凝聚或吸附在金属表面上。

 

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钨触点的主要成分是钨（W），即钨触点表面的膜的电极电位分析可从钨下手。
标准电极电位是平衡电极电位的一种，每一种物质都拥有这一特性。
标准电极电位指的是将某种物质放入含有其离子的溶液中，如果溶液中离子浓度为1g/L，则该物质与标准氢电极之间的电位差就是标准电极电位。标准电极电位的负值越大，则金属越活泼；
若正值越大，则金属越不活泼。

在25℃时，几种金属的标准电极电位如下表所示

由上表可知，W和Cu的电极电位差为0.54V，在高温、高湿环境下，容易产生电化腐蚀。而W与Ni的电化腐蚀现象较W与Cu、W与Ag的轻微，因为W与Ni的电极电位差只有0.03V，不容易发生电化学腐蚀。所以，可以往钨触点中添加适量的Ni，以提高它的抗氧化能力，即降低其表面膜的形成的可能性。



 

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钨触点表面上的膜的出现是因为：在使用过程中，尤其是已经将其放置在高温、高湿条件下很长时间后再使用时，其表面生成一层黄褐色的氧化物膜，经过化学分析其成分，该层硬膜为WO₃（不导电），这层硬膜的电阻很高，会导致触点接触不良或不能导通，从而使得设备出现故障。

金属在被氧化或腐蚀后，倘若金属的体积小于氧化物的体积，则金属表面可能会形成致密的、完整的氧化物-膜；倘若金属的体积大于氧化物的体积时，则金属表面形成的氧化膜是疏松的、多孔的不完整的膜。
关系表达式如下：

V_OX=M_OX/D_OX
V=X*M_w/D_w
则：
V_OX / V= M_OX* D_w/ D_OX* X*M_w＜1时，氧化物膜是不完整的；
V_OX / V= M_OX* D_w/ D_OX* X*M_w＞1时，金属氧化物膜可能是完整的、致密的；
由相关文献可知，WO₃的V_OX / V 的值为3.59＞1，所以，钨触点表面上的膜是致密的、完整的。排故方法：滴几滴酒精在钨触点表面上，则该层硬膜会剥落。
其中，
V_OX表示氧化物的体积
M_OX表示氧化物的分子量
D_OX表示氧化物的密度
V表示生成单氧化物分子的金属体积
X 表示在单氧化物分子中金属原子的数量
M_w表示金属的原子量
D_w表示金属的密度



 

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