硬巖掘進用混晶結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金制備新工藝及應(yīng)用研究

梁 瑜，陳玉柏，湯昌仁，歐立明，徐 偉

（江西江鎢硬質(zhì)合金有限公司，江西 靖安 330699）

在礦用硬質(zhì)合金的使用過程中，普遍關(guān)注的是其耐磨性和韌性，但硬質(zhì)合金的韌性與耐磨性是一對矛盾體，即隨著碳化鎢晶粒細化，硬質(zhì)合金的耐磨性提高，但韌性降低；反之隨著碳化鎢晶粒的粗化，硬質(zhì)合金的韌性增加，但其耐磨性下降[1-4]。使用鉆巖工具時，要求在不碎齒的前提下提高其耐磨性，采用普通的生產(chǎn)工藝，礦用合金可以消除造成碎齒的孔隙或夾雜等缺陷，目前韌性低是造成球齒沖擊斷裂的主要原因，因而如何同時提高韌性和耐磨性已成為地礦硬質(zhì)合金重要的研發(fā)方向。

在使用硬質(zhì)合金對高硬巖層進行挖掘時，由于高硬巖層硬度較大，針對韌性好的硬質(zhì)合金，因其硬度低，耐磨性較差，在開鑿硬巖時導(dǎo)致礦用合金易磨損，使用壽命短。而針對韌性偏低的硬質(zhì)合金在開鑿硬巖時易出現(xiàn)碎齒現(xiàn)象，因此擁有韌性好、高耐磨性的地礦合金能夠更好地適用于高硬巖層的挖掘?；炀ЫY(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金可以在韌性好的基體上加上硬質(zhì)的耐磨的硬質(zhì)合金在保證韌性的前提下來提高其耐磨性[5-8]。

目前非均勻硬質(zhì)合金的研究主要體現(xiàn)在性能研究上。蒙世合等[9]研究了WC晶粒離散度對WC-Co硬質(zhì)合金斷裂韌性的影響。白英龍等[10]研究了粗細晶WC基體對WC-Co非均勻結(jié)構(gòu)顯微組織形成的影響。這兩篇論文重點強調(diào)非均勻，而本研究主要強調(diào)均勻的混晶結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，保證了合金結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性。研究采用兩種不同混合料A、B為原料進行混合、壓制和燒結(jié)，制備出的混晶結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金在微觀結(jié)構(gòu)上具有有序的非均勻結(jié)構(gòu)，而非傳統(tǒng)雜亂無序的非均勻結(jié)構(gòu)，合金性能兼具良好的韌性和耐磨性。用此合金制備的球齒應(yīng)用于高硬巖層（如花崗巖、大理石等）的掘進，使用壽命優(yōu)于普通的礦用硬質(zhì)合金。通過研究非均勻結(jié)構(gòu)制備新工藝與合金的性能影響關(guān)系，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用測試，形成最佳非均勻結(jié)構(gòu)制備新工藝。

1 試驗方案

通過選用WC粒度分布更窄，碳化更完全的WC原料，生產(chǎn)出的合金晶粒均勻、缺陷少、性能更穩(wěn)定，具有很好的綜合性能[7]。針對高硬巖層，礦用合金斷裂韌性要求更高，但合金耐磨性會下降，而加入細晶?；旌狭夏芴嵘V用合金耐磨性，延長其使用壽命。本研究采用中粗顆?；旌狭现屑尤雭單㈩w粒混合料制備混晶結(jié)構(gòu)礦用硬質(zhì)合金，獲得了較好的綜合性能。原料檢測結(jié)果見表1。

使用中粗晶WC原料制備混合料A，其中鈷含量6%，混合料制備球磨時間20 h；使用亞微晶WC原料制備混合料B，其中鈷含量10%，Cr2C3含量0.5%，混合料制備球磨時間60 h?；旌狭螦、B制備合金的物理性能如表2所示，在中粗晶混合料A中分別摻入10%，20%，30%的亞微晶混合料B混合制備成混晶結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，如表3所示。研究球磨時間與摻入亞微晶混合料含量對合金性能的影響，以及制備的合金在硬巖鑿進中的使用壽命，將干燥、擦篩后的混合料在125 MPa壓制壓力下模壓成形，得到長24.3 mm、寬6.6 mm、高為8.1 mm的B試樣壓坯，并且將混晶混合料壓制成合金產(chǎn)品，最后將試樣壓坯以石墨舟裝載，在脫蠟-加壓一體燒結(jié)爐內(nèi)進行燒結(jié)，燒結(jié)工藝為1450℃下保溫60min。

表2 混合料A、B制備合金的物理性能Tab.2 Physical properties of alloys prepared by mixtures A and B

表3 樣品編號Tab.3 Sample number

分別檢測硬質(zhì)合金的平均晶粒度、矯頑磁力、硬度、抗彎強度等性能（見圖1）。采用法國D6025鈷磁測量儀測量合金試樣的鈷磁。在韓國SJ-CM-2000型矯頑磁力上測定合金試樣的矯頑磁力。采用排水法測定合金試樣密度，采用三點彎曲法CMT5105電子萬能試樣機測試試樣的抗彎強度。每個試樣的長20.1±0.1 mm，高度 6.6±0.1 mm，長徑比約為 5.35±0.1 mm。試樣兩端面用300#金剛石砂輪研磨，平行度在0.002 mm以內(nèi)。試樣經(jīng)過鏡面拋光，金相腐蝕制樣，在BX51M金相顯微鏡下觀測合金顯微結(jié)構(gòu)，并按照GB/T6394—2017用直線截點法測量平均截距，同時使用專業(yè)軟件對金相照片進行晶粒尺寸測量統(tǒng)計。最后對試樣切割、鑲嵌、研磨、拋光、將制成鏡面的試樣在WC腐蝕溶液中浸泡3 min10 s，Co相腐蝕液中浸泡30 s，采用德國CARL ZEISS Axiovert 40MAT金相顯微鏡和捷克Inspect F50掃描電鏡觀察合金顯微結(jié)構(gòu)。制好樣使用捷克Inspect F50掃描電鏡觀察試樣的顯微組織與斷裂韌性壓痕的裂紋。硬質(zhì)合金的斷裂韌性KIC在顯微維氏硬度計（FV-700）上采用Palmqvist壓痕法測定，測量時的加載載荷為30 kgf，保壓時間為30 s。維氏硬度直接在顯微維氏硬度計上讀出，壓痕長度為對角線延長方向上四條裂紋長度的平均值。

圖1 粉末掃描電鏡圖片及激光粒度分布Fig.1 Powder SEM image and laser particle size distribution

公式（1）中：∑l=L1+L2+L3+L4（L1，L2，L3，L4，單位為mm）。測量時每個樣品測5次，然后取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 球磨時間對合金金相組織結(jié)構(gòu)的影響

為獲得混晶合金的韌性基體混合料A，在保證Co混合均勻的前提下，盡可能減少混合料A的濕磨時間，若濕磨時間過長，合金中WC晶粒會出現(xiàn)非均勻長大[11]。濕磨時間過短則會出現(xiàn)A類孔隙，如圖2（a）：A08；（b）：A08；（c）：A06，直到球磨時間延長至20 h，合金的孔隙降至圖2（d）：A02。由于合金是針對硬巖進行掘進，需要較好的韌性，所以在保證混合料混合均勻的前提下，盡可能減少WC晶粒的破碎。

圖2 不同球磨時間合金的顯微組織Fig.2 Microstructure of alloy with different ball milling time

2.2 顯微組織與合金性能分析

在中粗晶混合料A中加入亞微晶混合料B，球磨時間20 h，加入不同含量的混晶合金掃描電鏡背散射成像顯微結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖3（a）是混合料A制備合金，圖3（b）是混合料A+10%混合料B制備混晶合金，圖3（c）是混合料A+20%混合料B制備混晶合金，圖3（d）是混合料A+30%混合料B制備混晶合金。圖3（e）是混合料A制備合金的晶粒分布圖，圖3（f）是混合料A+30%混合料B制備混晶合金的晶粒分布圖，混晶的粗顆粒WC粒度主要集中在1.6μm左右，而傳統(tǒng)合金WC粒度集中在2.2 μm左右，相同球磨工藝晶粒度差別如此大不是因為破碎效果不同，而是因為細粉的加入使合金的粒度分布向左偏移。從掃描電鏡圖3（d）和圖3（f）粒度分布可以看出，本研究制備出具有雙峰結(jié)構(gòu)的混晶合金。從表4的檢測結(jié)果可以看出，細粉混合料B加入過量會降低合金的斷裂韌性，考慮合金的使用工況，混合料A+10%混合料B制備出的混晶合金性能最好。均勻結(jié)構(gòu)依然是非均勻化的基礎(chǔ)[12]。非均勻結(jié)構(gòu)可以理解為由均勻結(jié)構(gòu)加入更細的晶粒而來。但不能理解為隨意的粗細混合，本研究采用創(chuàng)新的混合工藝，得到了細顆?；旌狭显谥写诸w?；旌狭现芯鶆蚍植嫉幕炀Ш辖鹑鐖D4所示，硬質(zhì)合金的結(jié)構(gòu)為混合料A和混合料B之間呈一個混勻的狀態(tài)，混合料A和混合料B之間形成有明顯的邊界，來實現(xiàn)彌散強化，從而達到兼具韌性和耐磨性能，各項性能指標如表4所示，保證了合金結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性。

圖3 傳統(tǒng)合金及混晶合金的掃描電鏡顯微組織圖片F(xiàn)ig.3 SEM microstructure images of traditional alloy and mixed crystal alloy

表4 傳統(tǒng)合金及混晶合金的物理性能Tab.4 Physical properties of traditional alloys and mixed crystal alloys

圖4 混晶硬質(zhì)合金組織結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of microstructure of mixed crystal cemented carbide

如圖5、圖6所示，對比了在不同球磨時間下混合料A制備的傳統(tǒng)合金與混合料A+10%混合料B制備混晶合金的合金性能，增加球磨時間可以提升合金的硬度，但是隨著晶粒度的減小，合金的斷裂韌性下降，從圖5和表4可以看出。另外，觀察圖6（c）、圖6（d）中金相照片可以發(fā)現(xiàn)，部分粗顆粒成板狀，球磨時間過長導(dǎo)致WC晶粒出現(xiàn)不均勻長大。由于超細WC顆?；罨芨?，在燒結(jié)過程中因溶解-析出作用機制，導(dǎo)致這種WC顆粒容易沿某一晶面定向生長形成板狀晶[13]。

圖5 不同球磨時間下傳統(tǒng)合金及混晶合金的斷裂韌性的裂紋Fig.5 Fracture toughness crack of traditional alloy and mixed crystal alloy under different ball milling time

圖6 不同球磨時間傳統(tǒng)合金及混晶合金的掃描電鏡顯微組織圖片F(xiàn)ig.6 SEM microstructure images of traditional alloy and mixed crystal alloy with different ball milling time

如圖6（e）、圖6（f）所示，球磨時間短，晶粒粗的合金裂紋呈鋸齒狀，而球磨時間長晶粒偏細的合金裂紋更直，粗晶增韌的主要原因是因為WC晶體只有4個獨立滑移系，隨WC粒度的增大，其對裂紋的偏轉(zhuǎn)和分叉作用增強，從而導(dǎo)致斷裂面表面積增大而增韌[14]。由于礦用合金是針對硬巖進行掘進，需要較好的韌性，所以在保證混合料混合均勻的前提下，盡可能減少晶粒的破碎。如圖5、圖6所示，延長球磨時間，合金硬度上升不明顯，韌性下降很快，所以球磨時間控制在20 h可以獲得較好的韌性且硬度較高，無須延長球磨時間。

2.3 混晶球齒的現(xiàn)場應(yīng)用測試

采用上述編號工藝制備出硬質(zhì)合金球齒，1#、2#、5#、6#經(jīng)鑲鉆制成4齒40梅花鉆，在某礦山（巖層堅固性系數(shù)f14～f16的花崗巖）進行掘進測試。如圖7、圖8所示，2#樣4齒40梅花鉆在堅固性系數(shù)f16的巖層開孔11個，掘進33 m，正常磨損。從測試結(jié)果分析，產(chǎn)品掘進及磨損情況較好，掘進數(shù)高且磨損形式好，無碎齒現(xiàn)象。該礦洞目前使用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金球齒制成的4齒40梅花鉆，在此中段只能打7～8個孔。2#樣工藝制備的混晶結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金同時兼具韌性和耐磨性能，使用壽命優(yōu)于普通的礦用硬質(zhì)合金（見表5），可應(yīng)用于高硬巖層的掘進。

圖7 傳統(tǒng)合金及混晶合金的使用壽命Fig.7 Service life of the traditional alloys and mixed crystal alloys

圖8 合金球齒在硬巖層使用時的磨損情況Fig.8 Wear of alloy spherical teeth in hard rock

表5 傳統(tǒng)合金及混晶合金的使用壽命Tab.5 Service life of the traditional alloys and mixed crystal alloys

3 結(jié)論

（1）通過創(chuàng)新的混合工藝制備了均勻的混晶結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，保證了合金結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性，合金晶粒分布具有雙峰結(jié)構(gòu)。

（2）由于細粉量加入太多會影響合金的斷裂韌性，考慮合金的硬巖掘進的使用工況，最終決定選擇球磨時間20 h，混合料A+10%混合料B混晶合金配方來制備硬巖掘進混晶硬質(zhì)合金。

（3）采用混合料A的原料、混合料B的原料分別進行混合、壓制和燒結(jié)，制備混晶結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金同時兼具韌性和耐磨性能，使用壽命優(yōu)于普通的礦用硬質(zhì)合金，可應(yīng)用于巖層堅固性系數(shù)為f14～f16高硬巖層的掘進。