硬质合金球齿优化

硬质合金球齿优化

梯度结构的优化：梯度结构硬质合金的制备原理是采用含碳量较低的硬质合金，通过真空烧结获得η相硬质合金，并在渗碳气氛中处理以改变Co粘结相的分布情况，使硬质合金球齿不同部位分布不同含量的Co。这就是所谓的梯度分布，硬质合金球齿最外层Co含量较低的贫Co层，中间层为Co含量较高的富Co层，而最内层为WC、Co、η三相显微组织。梯度结构硬质合金最外层WC含量较高，具有较高的耐磨性，而中间层Co含量较高，具有较高的韧性，所以在凿岩或是挖掘钻孔使用时该类的硬质合金球齿所对应的破坏载荷更高，使用寿命更长。例如，在石灰石隧道钻孔中所采用的带DP55圆锥形球齿的φ45mm冲击钻头，在钻进速度1.96m/min下所有的平均使用寿命为3121m，而常规的硬质合金球齿钻头在1.48m/min下使用寿命只能达到1000m。国内外许多相关的研究人员做了一些关于梯度结构硬质合金球齿方面的研究，主要针对的是烧结体的尺寸、烧结体的碳含量、渗碳气氛、渗碳温度、渗碳时间等因素对硬质合金梯度的影响。实践研究表明，要形成梯度结构硬质合金，烧结体所含的碳量需比理论值低0.1%-0.4%，适当提高渗碳温度有利于液相Co向烧结体内部迁移。此外，对于不同粒度的烧结体，应相应选择不同的渗碳时间。

微量元素的优化：现如今，国内外的一些厂家在硬质合金球齿的制作过程中添加了微量的TaC，其作用是改善合金粘结相成分及晶界微观结构，以在一定程度上提高硬质合金的耐磨性、抗热冲击性和抗热塑变性。但是加入TaC会在一定程度上增加制造的成本费用，并且如果加入量过大会使得硬质合金球齿的强度降低。而有实验表明，将Ta和Mo作为添加剂适量地加入到WC-Co硬质合金中，能得到断裂韧性极高且硬度未降低的硬质合金。这是由于Ta和Mo分布于WC颗粒之间形成了一层复杂的碳化物，且部分Mo进入Co粘结相，从而在磨损时起到了晶界强化的作用，断裂韧性也随之提高，在高硬度钻岩掘进的过程中表现出良好的冲击韧性和高耐磨性。此外，在WC-Co硬质合金中加入Ni、P元素之后，可形成Ni-Co-P合金、Ni-P合金以及Co-P合金。其中Co-P合金的共晶温度为1020摄氏度，Ni-P合金的共晶温度为880摄氏度，分别比Co的熔点的1495摄氏度和WC-Co的1340摄氏度低。其主要原因P原子吸附和偏析于Ni、Co颗粒的表面，从而降低的Ni、Co颗粒的表面能。因此，该类合金在相对较低的温度下呈液相，液相的提前出现使得固相颗粒的溶解与析出以及骨架的形成也提前发生，使烧结过程更为充分，从而有效提高了硬质合金球齿的致密化速度和使用性能。

齿形的优化：随着深孔凿岩和油田掘进的流行，相关的机器设备对硬质合金球齿的性能要求也日益升高。硬质合金球齿的齿形多为圆头形和弹头形。在日常的生产应用中发现常规的圆头硬质合金球齿易发生钝化，而弹头形硬质合金球齿由于齿冠尖细且半径小，在承受较大冲击力做功条件下，容易因基体的强度不足而破碎。相关学者和研究者根据球形压模破岩的有效机理和弯曲应力曲线等理论，设计了耐钝硬质合金球齿。它综合了圆头齿和弹头齿的优点，齿头由球冠形体和近似圆锥体两部分组成。根据球形与楔形应力分布规律，将球冠形体主要运用于进行球形压模破岩，而近似圆锥体进行楔形压模破岩，形成良好高效的破岩效果。

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