邱智海

（株洲硬質(zhì)合金集團有限公司，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[1]報道，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?；谶@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。

硬巖條件下的掘進機用截齒使用的硬質(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，目前國外大型采煤機所配套的重載采煤機截齒及硬巖掘進機均采用晶粒度大于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，同一臺掘進機，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顆粒碳化鎢粉。通過原始粗顆粒和細顆粒粉末選擇、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告，其鉆進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[2]報道了一種通過顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計使合金性能最佳化的新方法。這種新方法的實質(zhì)是通過顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計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)合金的性能能夠達到其預(yù)先的設(shè)計。

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)合金整體得到強化的一種處理手段！是提高硬質(zhì)合金性能的有效途徑。基本原理是：

（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，通過真空熱處理方法來提高合金的韌性和抗彎強度。

（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)生固溶強化，這些溶質(zhì)原子的溶入造成的點陣畸變，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度的提高。

YKH60和YG15C熱處理前后物理機械性能的變化見表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度、韌性等力學(xué)性能指標情況下，明顯提高耐磨性和使用壽命。

硬質(zhì)合金耐磨試驗表明，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，強化粘結(jié)相，提高合金齒表層的耐磨性。目前報道的硬質(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90年代世界硬質(zhì)合金材料技術(shù)進展[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)合金研究的新進展[J].鑿巖機械氣動工具，2004（2）：30.