硬质合金球齿是由硬质相WC与粘结相Co组成的具有高硬度、高强度、高耐磨性以及冲击韧性的凿岩工具。相比于其他材料的同类产品其具有更高的钻掘速度，使用寿命延长了5-6倍，既节省了工时、提高了效率，又减少了换齿频率、减轻了体力劳动。随着工况环境的日趋复杂，凿岩对钻具性能的要求也越来越高，尤其是高风压钻具所使用的硬质合金球齿不仅需要极高的硬度和耐磨性，同时还需要良好的韧性以防止脆性断裂。而细晶结构就能有效地提高合金的使用性能，有研究表明，超细晶及纳米结构的硬质合金球齿在粘结相含量不变的情况下，当WC晶粒度小于1μm时，球齿的硬度和强度都能得到大幅的提升，并且随着WC晶粒度的进一步减小，球齿性能的提高幅度更为显著。由于纳米晶粒度小，而比表面积大、表面活性强，所以具备纳米结构的一些优异性能，如降低烧结所需温度、硬度、强度、耐磨性以及单齿冲击韧性的提高、使用寿命的延长等，是目前硬质合金材料的研究热点之一。

梯度结构硬质合金是在上世纪80年后末期研发出的一种多相结构硬质合金，其主要特点是成分和组织呈梯度分布。梯度结构硬质合金的制备原理是采用低碳硬质合金通过真空烧结获得含η相的硬质合金，并在渗碳气氛中处理以改变Co粘结相的分布使球齿的不同部位分布不同的Co含量。这样一来硬质合金球齿组织结构上呈现出Co的梯度分布，即最外层 — 贫Co层、中间层 — 富Co层、内层 — WC、Co、η三相显微组织。外层由于WC含量较高，具有较好的耐磨性；而中间层Co含量高，具有较好的韧性。因此在凿岩过程中具有更高的破坏载荷。

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在钨电极中加入不同含量的稀土元素对电极的加工性能会产生不同的影响。稀土粒子能够阻碍钨晶粒变形，因此在钨电极中添加稀土元素，材料的变形抗力会增加，在加工的过程中需要降低道次加工量。另外，稀土钨电极相较于纯钨电极的结晶温度更高，在加工时也要适度提高加工温度。

在稀土钨电极中，稀土相得粒子尺寸大约为1~2um，而钨晶粒约为10~20um。在加工过程中钨晶粒先变形，钨晶粒呈现扁平组织。随着加工的深入，钨晶粒继续扁平化，呈现纤维状组织，稀土粒子也发生变形，组织沿着变形方向延伸。其中较大的稀土粒子开始脆断为小粒子，平行于变形方向分布。到了拉丝阶段，稀土粒子脆裂为1um左右的小粒子。稀土粒子的这种变化使得钨电极材料的组织更加均匀，在加工过程中，可以协调形变，承受更大的变形量。

为了了解稀土粒子对钨电极硬度的影响，采用纳米硬度计进行测试发现机械的压头压在钨基体上时，硬度曲线值达到峰值约为6.4GPa，然后呈下降趋势。随着压下量的增加，曲线下降，说明稀土颗粒的力学特征所占比例越来越大，压入深度在900um左右，显示出的稀土硬度值为5.4GPa，表面稀土粒子的硬度小于钨粒子。因此在相同的条件下，稀土粒子更容易变形，相较于钨晶粒，随着加工的深入，稀土晶粒更容易脆裂为小粒子，而细化的晶粒有利于后续的加工。

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