礦用硬質(zhì)合金及其典型產(chǎn)品質(zhì)量特性分析

單水桃，張 立

（1.湖南世紀特種合金有限公司，湖南 衡東 421400；2.中南大學(xué) 粉末冶金國家重點實驗室，湖南長沙 410083）

礦用硬質(zhì)合金及其典型產(chǎn)品質(zhì)量特性分析

單水桃1，張 立2

（1.湖南世紀特種合金有限公司，湖南 衡東 421400；2.中南大學(xué) 粉末冶金國家重點實驗室，湖南長沙 410083）

簡要介紹了我國礦用硬質(zhì)合金生產(chǎn)骨干企業(yè)、礦用硬質(zhì)合金材料設(shè)計要素以及非均勻結(jié)構(gòu)礦用硬質(zhì)合金的基本特性，分析了國內(nèi)三種典型WC-6Co礦用硬質(zhì)合金的微觀組織結(jié)構(gòu)與物理性能特性以及典型WC-6Co礦用硬質(zhì)合金的鑿巖磨損特性，提出了非均勻結(jié)構(gòu)WC-6Co礦用硬質(zhì)合金的質(zhì)量控制要素。

礦用硬質(zhì)合金；非均勻結(jié)構(gòu)；質(zhì)量特性；質(zhì)量控制

1 我國礦用硬質(zhì)合金生產(chǎn)骨干企業(yè)簡介

根據(jù)中國鎢業(yè)協(xié)會硬質(zhì)合金分會提供的2010年全國硬質(zhì)合金行業(yè)統(tǒng)計年鑒中41家企業(yè)提供的數(shù)據(jù)，2010年41家企業(yè)硬質(zhì)合金的統(tǒng)計產(chǎn)量為18073.6噸，同比增長27.59%。據(jù)30家企業(yè)提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2010年30家企業(yè)共生產(chǎn)礦用合金5758.48噸，同比增長19.66%，占統(tǒng)計總量的31.86%。表1列出了2010年度礦用硬質(zhì)合金年產(chǎn)量超過200噸的硬質(zhì)合金企業(yè)生產(chǎn)情況。表1中納入統(tǒng)計的13家企業(yè)生產(chǎn)的硬質(zhì)合金總量（13609.16噸）占41家企業(yè)統(tǒng)計產(chǎn)量（18073.6噸）的75.3%，納入統(tǒng)計的13家企業(yè)生產(chǎn)的礦用硬質(zhì)合金總量 （5033.2噸）占30家企業(yè)統(tǒng)計產(chǎn)量（5758.48噸）的87.41%。湖南世紀特種合金有限公司硬質(zhì)合金生產(chǎn)線于2005年正式投產(chǎn)。按硬質(zhì)合金總產(chǎn)量排序，投產(chǎn)5年后，即2010年度，公司硬質(zhì)合金總產(chǎn)量位于表1中所列企業(yè)的第10位。公司已迅速成長為以中、高檔礦用硬質(zhì)合金為產(chǎn)業(yè)特色的生產(chǎn)企業(yè)。

2 礦用硬質(zhì)合金材料設(shè)計要素

在幾種常見的過渡族金屬碳化物中，WC具有最大的彈性模量、最大的熱導(dǎo)率與最小的熱膨脹系數(shù)。因巖石的破碎效果與鑿巖工具的彈性模量成正比，合金的抗熱沖擊與抗熱疲勞性能隨熱導(dǎo)率增加而提高，隨熱膨脹系數(shù)降低而提高，因此礦用硬質(zhì)合金的基本成分通常為WC-Co。在硬質(zhì)合金中添加TaC可以改善合金組織結(jié)構(gòu)的均勻性，改善合金的高溫強度與硬度，改善合金的抗熱沖擊、抗熱疲勞性能以及抗塑性變形的能力。因此某些沖擊鑿巖硬質(zhì)合金中添加0.5%TaC。

盡管礦用硬質(zhì)合金的成份簡單，但是通過對合金中粘結(jié)相含量、粘結(jié)相中固溶度、粘結(jié)相的微觀組織結(jié)構(gòu)，合金中WC的晶粒度、晶粒分布特性、晶粒結(jié)晶的完整性，合金中粘結(jié)相的平均自由程、WC晶粒的鄰接度，合金中WC/WC晶界、WC/Co相界特性等參數(shù)的調(diào)控，可以對合金的物理力學(xué)性能與使用性能進行有效控制，以滿足不同的使用需求。

在礦用硬質(zhì)合金中，WC-6Co中等晶粒度合金主要用作沖擊和潛孔鉆頭球齒，適合于鑿進中硬巖層，是非常重要的一類合金。

表1 2010年度礦用硬質(zhì)合金年產(chǎn)量超過200噸的企業(yè)生產(chǎn)情況

3 非均勻結(jié)構(gòu)礦用硬質(zhì)合金的基本特性

圖1為日本三菱公司非均勻結(jié)構(gòu)WC-6Co礦用硬質(zhì)合金的金相組織照片。通過WC原料與合金制備工藝的調(diào)控，可實現(xiàn)合金中WC晶粒粗細度有序匹配，形成WC晶粒的非均勻結(jié)構(gòu)，從而改善合金中粘結(jié)相分布的均勻性、增加合金中WC晶粒的鄰接度，改善合金中應(yīng)力分布的均勻性與合金的熱導(dǎo)率，進而改善合金的抗熱疲勞性能，同時實現(xiàn)合金斷裂韌性與耐磨性的最佳匹配。

圖1 日本三菱公司非均勻結(jié)構(gòu)WC-6Co礦用硬質(zhì)合金金相組織照片

4 國內(nèi)三種典型WC-6Co礦用硬質(zhì)合金的微觀組織結(jié)構(gòu)與物理性能

表2 國內(nèi)三種典型WC-6Co礦用硬質(zhì)合金的物理性能

表2與表3分別列出了來自本公司（YS06）以及國內(nèi)二家礦用硬質(zhì)合金王牌企業(yè)的三種典型WC-6Co礦用硬質(zhì)合金的物理性能與金相組織特征參數(shù)。圖2與圖3分別為放大倍數(shù)400倍、1500倍的三種合金的金相組織照片。圖4為三種合金金相組織中WC晶粒的分布圖。由表2可以看出，三種合金的磁性能與合金硬度之間具有較好的一致性，本公司產(chǎn)品硬度與Z公司產(chǎn)品的硬度之差在測量誤差之內(nèi)，G公司產(chǎn)品硬度偏低與其相對磁飽和及其所反映的碳含量偏高有關(guān)。由于合金中Co含量較低，合金兩相區(qū)控碳范圍較窄，合金的控碳均選擇在高碳側(cè)。由金相組織照片可以看出，三種合金的微觀組織結(jié)構(gòu)均具有非均勻結(jié)構(gòu)的特點。由表3以及圖2、圖3、圖4可以看出，本公司產(chǎn)品與G公司產(chǎn)品的微觀組織結(jié)構(gòu)特征非常類似，均具有粒度分布相對較窄的特點；相對Z公司產(chǎn)品，本公司產(chǎn)品與G公司產(chǎn)品中粗大晶粒平均粒度與細小晶粒平均粒度之間的極差明顯減小；Z公司產(chǎn)品中WC晶粒分布呈現(xiàn)雙峰分布態(tài)勢；相對G公司與Z公司產(chǎn)品，本公司產(chǎn)品具有細小WC晶粒數(shù)量較多的特點。

表3 國內(nèi)三種典型WC-6Co礦用硬質(zhì)合金金相組織的特征參數(shù)

圖2 國內(nèi)三種典型WC-6Co礦用硬質(zhì)合金的金相組織，400×

圖3 國內(nèi)三種典型WC-6Co礦用硬質(zhì)合金的金相組織，1500×

5 典型WC-6Co礦用硬質(zhì)合金的鑿巖磨損特性分析

圖5為國內(nèi)二種典型WC-6Co礦用硬質(zhì)合金鑿巖實驗后合金表面的掃描電鏡（SEM）形貌照片。由圖5可知，兩種合金的磨損形式主要有大顆粒的脫落或拔出與常見的磨粒磨損。由于受大沖擊力作用，兩種合金中均出現(xiàn)了大量的WC晶粒開裂現(xiàn)象。顯然，WC晶粒開裂現(xiàn)象會加速WC晶粒的磨損。由圖5可知，非均勻結(jié)構(gòu)礦用硬質(zhì)合金中粗大晶粒WC的粒徑不宜太大，在合金中的分布應(yīng)該均勻，否則會出現(xiàn)因應(yīng)力集中而導(dǎo)致的WC晶粒整體脫落或拔出現(xiàn)象。此外，WC晶粒結(jié)晶的完整性會影響WC晶粒的抗沖擊強度，因此必須嚴格控制原料WC粉末的質(zhì)量與合金的燒結(jié)溫度。合金燒結(jié)溫度的適當(dāng)提高，可促進WC晶粒結(jié)晶完整性的改善。因此，制備非均勻結(jié)構(gòu)礦用硬質(zhì)合金的燒結(jié)溫度不宜控制在低溫側(cè)。

圖5 國內(nèi)二種典型WC-6Co礦用硬質(zhì)合金鑿巖實驗后合金表面的SEM形貌照片

6 結(jié)語

鎢是一種稀缺的重要戰(zhàn)略資源，實現(xiàn)鎢資源的高效與高值化利用是我國鎢工業(yè)，尤其是硬質(zhì)合金工業(yè)任重道遠的戰(zhàn)略目標。對于礦用硬質(zhì)合金生產(chǎn)及其鉆具制造與鉆具使用企業(yè)，三方信息反饋與溝通是硬質(zhì)合金質(zhì)量改進及其裝配與使用技術(shù)改進的重要途徑。建立硬質(zhì)合金微觀組織結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性能、鉆具設(shè)計、鉆機工作參數(shù)、巖層特性以及硬質(zhì)合金使用性能與失效形式數(shù)據(jù)庫對上述礦用硬質(zhì)合金相關(guān)企業(yè)意義重大，應(yīng)該引起各方的足夠重視。

TD421.2+5 文獻標識碼：B