新技術(shù)在礦用硬質(zhì)合金中的應(yīng)用

邱智海

（株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司，湖南株洲412000）

1 前言

硬質(zhì)合金材料從其誕生以來，就是工程材料的重要組成部分，也是加工其他各種工程材料和采掘各種自然資源的重要工具材料。在硬質(zhì)合金的使用領(lǐng)域中，用于采掘的礦用硬質(zhì)合金是非常重要的一個部分。近年來，為了滿足油田、礦山、建筑施工、道路、隧道工程等相關(guān)行業(yè)向高效、高速發(fā)展，對硬質(zhì)合金提出了更高的要求。

2 超粗晶粒硬質(zhì)合金

文獻(xiàn)[1]報(bào)道，利用高溫還原和高溫碳化新工藝制取的WC粉末具有純度高、晶格完整、顆粒幾何形狀好、顆粒內(nèi)儲存較高的內(nèi)能和表面能等特點(diǎn)。基于這種“高溫粉末”制取的WC-Co硬質(zhì)合金顯示出優(yōu)異的綜合性能，尤其是合金的塑性性能得到明顯改善。用這種“高溫”硬質(zhì)合金鑲嵌的礦山鑿巖工具，在使用中顯示出良好的效果，其使用壽命和工作效率明顯高于常規(guī)硬質(zhì)合金。

硬巖條件下的掘進(jìn)機(jī)用截齒使用的硬質(zhì)合金主要采用降低鈷含量，提高晶粒度從而使合金的綜合性能得到較大提高。此合金適用于中硬以上的煤層及硬巖掘進(jìn)，目前國外大型采煤機(jī)所配套的重載采煤機(jī)截齒及硬巖掘進(jìn)機(jī)均采用晶粒度大于4μm的硬質(zhì)合金。圖1所示為國外某公司截齒的金相照片，圖2為株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司截齒硬質(zhì)合金的金相照片。

圖1 國外截齒硬質(zhì)合金金相照片

圖2 株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司截齒硬質(zhì)合金的金相照片

圖3為以上兩公司的硬質(zhì)合金截齒使用后的照片。

從圖3的對比可以看出，同一臺掘進(jìn)機(jī)，同樣的巖石狀況下，經(jīng)過相同的使用時間，從使用效果上看，株洲硬質(zhì)合金截齒比國外的截齒要好。再結(jié)合金相照片，株洲硬質(zhì)合金公司的合金晶粒相對來說，比較粗而均勻，因而其使用效果較好。

圖3 硬質(zhì)合金截齒使用后的照片

3 雙峰結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金

燒結(jié)過程中，粗晶粒碳化鎢能保證塑性和韌性，而細(xì)晶粒碳化鎢則提供高的耐磨性。

要制造這種合金，需要先制取粒度分布窄的粗顆粒和細(xì)顆粒碳化鎢粉。通過原始粗顆粒和細(xì)顆粒粉末選擇、球磨和燒結(jié)制造出具有碳化鎢雙峰分布的硬質(zhì)合金。雙峰結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的特點(diǎn)是碳化鎢相晶粒分布具有兩個峰值，表明合金結(jié)構(gòu)中具有兩種平均尺寸截然不同的粒級。

株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司的雙峰結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金牌號YKH20、YKH50、YKH60性能見表1。

表1 雙峰結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的物理機(jī)械性能

由于上面這幾種雙峰結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金結(jié)合了粗晶粒硬質(zhì)合金的塑性和韌性、細(xì)晶粒合金的耐磨性，因而其綜合使用性能較好。根據(jù)鑲有這幾種雙峰結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的鉆頭在某油田的使用報(bào)告，其鉆進(jìn)時間比普通合金縮短50%以上。

4 “蜂窩結(jié)構(gòu)”硬質(zhì)合金

文獻(xiàn)[2]報(bào)道了一種通過顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使合金性能最佳化的新方法。這種新方法的實(shí)質(zhì)是通過顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使鈷的平均自由程最大化來提高合金的斷裂韌性，同時使完全致密的大的WC-Wo球粒鑲嵌在鈷金屬基體中的方法來保持基體與普通硬質(zhì)合金相似的耐磨性。這種新型復(fù)合材料被稱為雙粘結(jié)或雙燒結(jié)硬質(zhì)合金。由于其金相結(jié)構(gòu)看起來好像蜂窩一樣，也有人稱這種結(jié)構(gòu)或類似結(jié)構(gòu)為“蜂窩結(jié)構(gòu)”。

“蜂窩結(jié)構(gòu)”硬質(zhì)合金與普通硬質(zhì)合金相比，其突出的特點(diǎn)是硬質(zhì)相球粒不是由硬質(zhì)化合物（如WC）而是燒結(jié)或未燒結(jié)的合金（如WC-Co合金）組成的。其“粘結(jié)相”可以是某種粘結(jié)金屬或其合金，也可以是另外一種硬質(zhì)合金。

“蜂窩結(jié)構(gòu)”硬質(zhì)合金的微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示。從反饋的使用結(jié)果數(shù)據(jù)來看，“蜂窩結(jié)構(gòu)”硬質(zhì)合金的性能能夠達(dá)到其預(yù)先的設(shè)計(jì)。

5 硬質(zhì)合金后處理技術(shù)

目前應(yīng)用得比較多的后處理技術(shù)有硬質(zhì)合金的真空熱處理及硬質(zhì)合金滲硼等。

5.1 硬質(zhì)合金的真空熱處理技術(shù)

圖4 “蜂窩結(jié)構(gòu)”硬質(zhì)合金的金相結(jié)構(gòu)

硬質(zhì)合金的真空熱處理[3]，是基于改變粘結(jié)相成分及粘結(jié)相結(jié)構(gòu)以及分布狀態(tài)，從而使硬質(zhì)合金整體得到強(qiáng)化的一種處理手段！是提高硬質(zhì)合金性能的有效途徑?；驹硎牵?/p>

（1）利用硬質(zhì)合金粘結(jié)相鈷的同素異型體，面心立方（fcc）結(jié)構(gòu)的高溫相α-Co有4個滑移面，12個滑移系{111}×＜100＞，而密排六方（hcp）結(jié)構(gòu)的低溫相ε-Co只有一個滑移面，3個滑移系{111}×＜1120＞，并發(fā)生多形性轉(zhuǎn)變這一特點(diǎn)，通過真空熱處理方法來提高合金的韌性和抗彎強(qiáng)度。

（2）通過鈷相在高溫下固溶W和C所形成的中間相粒子，快速冷卻后，鈷相中高溫下固溶的一部分WC來不及析出而被保留下來，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，這些溶質(zhì)原子的溶入造成的點(diǎn)陣畸變，可使得淬火后合金的硬度提高。

（3）硬質(zhì)合金淬火后再在一定溫度下回火，淬火的過飽和空位會移到晶界、位錯等處而消失，使得合金的點(diǎn)陣畸變減少，高應(yīng)力區(qū)得到松馳，微觀應(yīng)力的減少伴隨著抗彎強(qiáng)度的提高。

YKH60和YG15C熱處理前后物理機(jī)械性能的變化見表2。

表2 硬質(zhì)合金熱處理前后的物理機(jī)械性能

從表2的結(jié)果對比來看，普通硬質(zhì)合金和雙峰結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的硬度、抗彎強(qiáng)度和韌性都提高了。這些性能的提高可以大幅提高礦用合金的使用性能。

5.2 硬質(zhì)合金滲硼技術(shù)

近年來的研究表明，經(jīng)過適當(dāng)滲硼工藝處理后的礦用硬質(zhì)合金，可在保持原有的合金強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能指標(biāo)情況下，明顯提高耐磨性和使用壽命。

硬質(zhì)合金耐磨試驗(yàn)表明，經(jīng)滲硼處理后的硬質(zhì)合金磨耗量可由8.5μm降到1μm。礦用硬質(zhì)合金主要由WC、Co所組成，WC具有較高耐磨性，Co相的耐磨性相對比較差，通過向Co相中滲硼，強(qiáng)化粘結(jié)相，提高合金齒表層的耐磨性。目前報(bào)道的硬質(zhì)合金滲硼方法之一是用硬質(zhì)合金壓制毛坯、借助于滲硼劑通過硼元素的擴(kuò)散滲硼。硬質(zhì)合金滲硼，已證明可以大幅度提高硬質(zhì)合金耐磨性，與涂層相比，滲硼層與基體沒有明顯的分界面，因而在鉆礦鉆巖過程中不容易與基體分離。

圖5為硬質(zhì)合金球齒滲硼后的金相照片。滲硼層厚度約為87μm，比已報(bào)道的滲硼層厚度2～40μm要厚得多。

6 結(jié)束語

近年來，應(yīng)用在礦用硬質(zhì)合金制造上的新技術(shù)有：

（1）“高溫粉末”及超粗晶粒硬質(zhì)合金。

圖5 硬質(zhì)合金球齒滲硼后的金相照片

（2）雙峰結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金在油田用牙輪鉆頭及其它礦用工具上的應(yīng)用。

（3）“蜂窩結(jié)構(gòu)”硬質(zhì)合金的研究及應(yīng)用。

（4）硬質(zhì)合金的熱處理及硬質(zhì)合金滲硼等硬質(zhì)合金后處理技術(shù)。

[1]李沐山.20世紀(jì)90年代世界硬質(zhì)合金材料技術(shù)進(jìn)展[M].硬質(zhì)合金編輯部，2004.

[2]U.S.Patent[P].No5880382(1999).

[3]張愈福等.國內(nèi)外礦用硬質(zhì)合金研究的新進(jìn)展[J].鑿巖機(jī)械氣動工具，2004（2）：30.