新技术在矿用硬质合金中的应用

2010-01-25邱智海

凿岩机械气动工具 2010年4期

邱智海

（株洲硬质合金集团有限公司，湖南株洲412000）

1 前言

硬质合金材料从其诞生以来，就是工程材料的重要组成部分，也是加工其他各种工程材料和采掘各种自然资源的重要工具材料。在硬质合金的使用领域中，用于采掘的矿用硬质合金是非常重要的一个部分。近年来，为了满足油田、矿山、建筑施工、道路、隧道工程等相关行业向高效、高速发展，对硬质合金提出了更高的要求。

2 超粗晶粒硬质合金

文献[1]报道，利用高温还原和高温碳化新工艺制取的WC粉末具有纯度高、晶格完整、颗粒几何形状好、颗粒内储存较高的内能和表面能等特点。基于这种“高温粉末”制取的WC-Co硬质合金显示出优异的综合性能，尤其是合金的塑性性能得到明显改善。用这种“高温”硬质合金镶嵌的矿山凿岩工具，在使用中显示出良好的效果，其使用寿命和工作效率明显高于常规硬质合金。

硬岩条件下的掘进机用截齿使用的硬质合金主要采用降低钴含量，提高晶粒度从而使合金的综合性能得到较大提高。此合金适用于中硬以上的煤层及硬岩掘进，目前国外大型采煤机所配套的重载采煤机截齿及硬岩掘进机均采用晶粒度大于4μm的硬质合金。图1所示为国外某公司截齿的金相照片，图2为株洲硬质合金集团有限公司截齿硬质合金的金相照片。

图1 国外截齿硬质合金金相照片

图2 株洲硬质合金集团有限公司截齿硬质合金的金相照片

图3为以上两公司的硬质合金截齿使用后的照片。

从图3的对比可以看出，同一台掘进机，同样的岩石状况下，经过相同的使用时间，从使用效果上看，株洲硬质合金截齿比国外的截齿要好。再结合金相照片，株洲硬质合金公司的合金晶粒相对来说，比较粗而均匀，因而其使用效果较好。

图3 硬质合金截齿使用后的照片

3 双峰结构硬质合金

烧结过程中，粗晶粒碳化钨能保证塑性和韧性，而细晶粒碳化钨则提供高的耐磨性。

要制造这种合金，需要先制取粒度分布窄的粗颗粒和细颗粒碳化钨粉。通过原始粗颗粒和细颗粒粉末选择、球磨和烧结制造出具有碳化钨双峰分布的硬质合金。双峰结构硬质合金的特点是碳化钨相晶粒分布具有两个峰值，表明合金结构中具有两种平均尺寸截然不同的粒级。

株洲硬质合金集团有限公司的双峰结构硬质合金牌号YKH20、YKH50、YKH60性能见表1。

表1 双峰结构硬质合金的物理机械性能

由于上面这几种双峰结构硬质合金结合了粗晶粒硬质合金的塑性和韧性、细晶粒合金的耐磨性，因而其综合使用性能较好。根据镶有这几种双峰结构硬质合金的钻头在某油田的使用报告，其钻进时间比普通合金缩短50%以上。

4 “蜂窝结构”硬质合金

文献[2]报道了一种通过显微结构设计使合金性能最佳化的新方法。这种新方法的实质是通过显微结构设计使钴的平均自由程最大化来提高合金的断裂韧性，同时使完全致密的大的WC-Wo球粒镶嵌在钴金属基体中的方法来保持基体与普通硬质合金相似的耐磨性。这种新型复合材料被称为双粘结或双烧结硬质合金。由于其金相结构看起来好像蜂窝一样，也有人称这种结构或类似结构为“蜂窝结构”。

“蜂窝结构”硬质合金与普通硬质合金相比，其突出的特点是硬质相球粒不是由硬质化合物（如WC）而是烧结或未烧结的合金（如WC-Co合金）组成的。其“粘结相”可以是某种粘结金属或其合金，也可以是另外一种硬质合金。

“蜂窝结构”硬质合金的微观结构如图4所示。从反馈的使用结果数据来看，“蜂窝结构”硬质合金的性能能够达到其预先的设计。

5 硬质合金后处理技术

目前应用得比较多的后处理技术有硬质合金的真空热处理及硬质合金渗硼等。

5.1 硬质合金的真空热处理技术

图4 “蜂窝结构”硬质合金的金相结构

硬质合金的真空热处理[3]，是基于改变粘结相成分及粘结相结构以及分布状态，从而使硬质合金整体得到强化的一种处理手段！是提高硬质合金性能的有效途径。基本原理是：

（1）利用硬质合金粘结相钴的同素异型体，面心立方（fcc）结构的高温相α-Co有4个滑移面，12个滑移系{111}×＜100＞，而密排六方（hcp）结构的低温相ε-Co只有一个滑移面，3个滑移系{111}×＜1120＞，并发生多形性转变这一特点，通过真空热处理方法来提高合金的韧性和抗弯强度。

（2）通过钴相在高温下固溶W和C所形成的中间相粒子，快速冷却后，钴相中高温下固溶的一部分WC来不及析出而被保留下来，产生固溶强化，这些溶质原子的溶入造成的点阵畸变，可使得淬火后合金的硬度提高。

（3）硬质合金淬火后再在一定温度下回火，淬火的过饱和空位会移到晶界、位错等处而消失，使得合金的点阵畸变减少，高应力区得到松驰，微观应力的减少伴随着抗弯强度的提高。

YKH60和YG15C热处理前后物理机械性能的变化见表2。

表2 硬质合金热处理前后的物理机械性能

从表2的结果对比来看，普通硬质合金和双峰结构硬质合金的硬度、抗弯强度和韧性都提高了。这些性能的提高可以大幅提高矿用合金的使用性能。

5.2 硬质合金渗硼技术

近年来的研究表明，经过适当渗硼工艺处理后的矿用硬质合金，可在保持原有的合金强度、韧性等力学性能指标情况下，明显提高耐磨性和使用寿命。

硬质合金耐磨试验表明，经渗硼处理后的硬质合金磨耗量可由8.5μm降到1μm。矿用硬质合金主要由WC、Co所组成，WC具有较高耐磨性，Co相的耐磨性相对比较差，通过向Co相中渗硼，强化粘结相，提高合金齿表层的耐磨性。目前报道的硬质合金渗硼方法之一是用硬质合金压制毛坯、借助于渗硼剂通过硼元素的扩散渗硼。硬质合金渗硼，已证明可以大幅度提高硬质合金耐磨性，与涂层相比，渗硼层与基体没有明显的分界面，因而在钻矿钻岩过程中不容易与基体分离。

图5为硬质合金球齿渗硼后的金相照片。渗硼层厚度约为87μm，比已报道的渗硼层厚度2～40μm要厚得多。