硬质合金球齿制备工艺优化

硬质合金球齿的组要组成成分为碳化钨WC+钴Co，WC为硬质相，Co为软质粘结相。二者相辅相成，使得硬质合金球齿相比于普通材料球齿有更高的硬度、耐磨性以及冲击韧性，从而极大地提升了钻掘速度，提高了整体的工作效率，也延长了工具的使用寿命。为了更好地改善硬质合金球齿的综合性能，主要可以通过两个方面进行优化，其一是对硬质合金原材料本身的优化（晶粒细化、结构优化、微量元素添加），另一个是最制备生产工艺的优化，主要包括低压热等静压、淬火-时效处理以及对齿形的优化等几个方面。

硬质合金球齿烧结后会存在一定的孔隙和内部缺陷，从而使得球齿的韧性和强度下降。相关研究人员经过大量的实验研究，将热等静压技术成功地运用于硬质合金球齿的生产中。热等静压技术（Hot Isostatic Pressing，简称HIP）指的是将制品放置于密闭的容器中，向制品施加各向同等的压力，同时施以高温,在高温高压的作用下，使制品烧结致密化。此外，热等静压还可以直接参与粉末成型，粉末装入包套中（模具），包套可以采用金属或陶瓷制作（低碳钢、Ni、Mo、玻璃等），然后使用氮气N₂、氩气Ar氛围，使粉末直接加热加压烧结成型的粉末冶金工艺。但是热等静压所需设备成本较高、生产率也相对较低，因此又出现了低压热等静压技术（LP-HIP）。其将除蜡和烧结致密化在炉内一次性完成，结合真空烧结在较低温度和压力下，以氩气Ar作为介质进行热等静压。该方法简化了工序，节约了能耗，避免了工件在生产终于空气直接接触而发生难以控制的碳含量变化，极大地消除了硬质合金球齿内部的残余孔隙，细化了晶粒，有效消除了热等静压下出现粗晶、钴池等缺陷，显著提高了硬质合金球齿的力学性能。

而淬火-时效处理的主要原理是粘结相的Co在一定条件下能够发生同素异构的转变，常温下其呈密排六方结构ε-Co，可塑性较差，而当温度上升其可转变为面心立方结构α-Co，具有很好的可塑性。在淬火加热的过程中，Co粘结相发生溶解转变后快速冷却至室温，使α-Co得以保留。在经过时效处理，可使得硬质合金球齿中的过饱和空位移至晶界或位错等处而消失，从而减少了点阵畸变，松弛了高应力区域，使得整体的抗弯强度得到显著的提升。目前较为常见的并已投入生产的几种淬火-时效处理技术有真空油淬-自然时效、真空气淬-回火法，其能在维持硬质合金球齿其他性能的基础上，提高球齿的硬度和冲击韧性。

常见的硬质合金球齿多为圆头形和弹头形。圆头形的球齿在钻掘的过程中容易发生钝化，而弹头形的齿冠较为尖细，在一些冲击载荷较高或者破碎较硬岩层的情况下，容易由于基体强度不足而发生破碎。因此，改进硬质合金球齿的齿形也成为了相关研究人员和学者的研究方向之一。硬质合金耐钝球齿的由球冠形体和近似圆锥体两部分组成。在破岩的过程中球冠形体进行球形压模破碎，近似圆锥体则进行楔形压模破碎，二者相辅相成得到了良好的破岩效果。其具有较快的钻速、抗冲击、不易钝化，在一些钻进深度或长度较大的情况下，它拥有良好的自锐性，不需提钻对钻头进行处理，提高了整体的破岩和挖掘效率。

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