硬质合金球齿发展动向分析

近年来，由于机械化与智能化技术的加入，凿岩用的硬质合金产品发展速度十分迅猛。其主要的发展趋势包括以下几个方面超细及纳米结构硬质合金、高温粉末基硬质合金、功能梯度硬质合金、粘结剂改性硬质合金、双粘结矿用硬质合金、以及WC-Co-金刚石三相复合矿用硬质材料等。

1.超细及纳米结构硬质合金球齿：这一直是近年来研发的一大热点。早在上世纪90年代以来，相关的研究人员就开始围绕细化晶粒以制取亚微、超细以及纳米结构硬质合金展开了研究。这是由于随着晶粒的不断细化，硬质合金材料的致密度、硬度、韧性以及耐磨性都会显著提高。而与此同时凿岩机具对钻具的要求也越来越高，尤其是高风压钻具对硬质合金球齿的耐磨性和韧性都有着严苛的要求，而超细晶硬质合金可完全满足其使用性能。

2.高温粉末基硬质合金球齿：其是利用原料粉末高温还原和高温碳化的新工艺，其所制取的WC粉末具有晶粒完整、强度高、颗粒储能高等特点。与传统的真空热处理工艺相比，硬质合金球齿的平均进尺比提高了50%，凿岩速度提高了近100%，平均耐磨性提高了约100%，产品质量和稳定性以及使用寿命都得到了大幅度的改善。

3.功能梯度硬质合金球齿：在烧结或热处理过程中通入适当的气氛诱发合金中C的扩散，并通过化学反应使其他组员发生重排和分布，从而导致合金成分和结构沿着一定方向发生变化，形成梯度结构，不同部位具有不同的功能。矿用功能梯度硬质合金球齿通常采用低碳合金经渗碳处理（通入CH4、CO等含碳气体）的方法制取，处理后的球齿W与Co沿直径方向分布。这种结构赋予了柱齿极高的耐磨性和韧性，无论是功能梯度结构的硬质合金潜孔钻、牙轮钻或是球齿钎片的寿命都有着显著的提高。

4.新型粘结剂改性硬质合金球齿：用金属熔体法处理（Ni或Si作为合金化添加元素），Ni和Si元素能够显著提高合金抗疲劳裂纹的能力。此外，Ni熔体向烧结合金渗透的过程中WC骨架发生脱结，其在烧结合金中形成发达的WC/Co相界面，减小的晶粒度，从而断裂韧性增大。结果表明，硬质合金锥形回转钎头进行凿岩，工作效率提高了1.8倍。

5.双粘结矿用硬质合金：与普通硬质合金相比，硬质合金相球粒不是由硬质化合物，而是由烧结合金球粒组成，即将烧结球粒与金属粘结剂混合并进行二次烧结，从而在不降低硬度的前提下使断裂韧性大幅度提高。

6.WC-Co-金刚石三相复合矿用硬质材料：采用高温高压合成，将粉末/聚合物混合料挤压制成生压坯，然后用高温高压金刚石合成进行固结。其主要的优点在于减少了热膨胀和弹性不匹配应力，使金刚石脱落性增强；金刚石增强表面，耐磨性提高；WC-Co-金刚石复合表面的断裂韧性优异、耐磨性增强、使用寿命提高。

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