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硬質合金球齒優化

梯度結構的優化：梯度結構硬質合金的製備原理是採用含碳量較低的硬質合金，通過真空燒結獲得η相硬質合金，並在滲碳氣氛中處理以改變Co粘結相的分佈情況，使硬質合金球齒不同部位分佈不同含量的Co。這就是所謂的梯度分佈，硬質合金球齒最外層Co含量較低的貧Co層，中間層為Co含量較高的富Co層，而最內層為WC、Co、η三相顯微組織。梯度結構硬質合金最外層WC含量較高，具有較高的耐磨性，而中間層Co含量較高，具有較高的韌性，所以在鑿岩或是挖掘鑽孔使用時該類的硬質合金球齒所對應的破壞載荷更高，使用壽命更長。例如，在石灰石隧道鑽孔中所採用的帶DP55圓錐形球齒的φ45mm衝擊鑽頭，在鑽進速度1.96m/min下所有的平均使用壽命為3121m，而常規的硬質合金球齒鑽頭在1.48m/min下使用壽命只能達到1000m。國內外許多相關的研究人員做了一些關於梯度結構硬質合金球齒方面的研究，主要針對的是燒結體的尺寸、燒結體的碳含量、滲碳氣氛、滲碳溫度、滲碳時間等因素對硬質合金梯度的影響。實踐研究表明，要形成梯度結構硬質合金，燒結體所含的碳量需比理論值低0.1%-0.4%，適當提高滲碳溫度有利於液相Co向燒結體內部遷移。此外，對於不同粒度的燒結體，應相應選擇不同的滲碳時間。

微量元素的優化：現如今，國內外的一些廠家在硬質合金球齒的製作過程中添加了微量的TaC，其作用是改善合金粘結相成分及晶界微觀結構，以在一定程度上提高硬質合金的耐磨性、抗熱衝擊性和抗熱塑變性。但是加入TaC會在一定程度上增加製造的成本費用，並且如果加入量過大會使得硬質合金球齒的強度降低。而有實驗表明，將Ta和Mo作為添加劑適量地加入到WC-Co硬質合金中，能得到斷裂韌性極高且硬度未降低的硬質合金。這是由於Ta和Mo分佈於WC顆粒之間形成了一層複雜的碳化物，且部分Mo進入Co粘結相，從而在磨損時起到了晶界強化的作用，斷裂韌性也隨之提高，在高硬度鑽岩掘進的過程中表現出良好的衝擊韌性和高耐磨性。此外，在WC-Co硬質合金中加入Ni、P元素之後，可形成Ni-Co-P合金、Ni-P合金以及Co-P合金。其中Co-P合金的共晶溫度為1020攝氏度，Ni-P合金的共晶溫度為880攝氏度，分別比Co的熔點的1495攝氏度和WC-Co的1340攝氏度低。其主要原因P原子吸附和偏析於Ni、Co顆粒的表面，從而降低的Ni、Co顆粒的表面能。因此，該類合金在相對較低的溫度下呈液相，液相的提前出現使得固相顆粒的溶解與析出以及骨架的形成也提前發生，使燒結過程更為充分，從而有效提高了硬質合金球齒的緻密化速度和使用性能。

齒形的優化：隨著深孔鑿岩和油田掘進的流行，相關的機器設備對硬質合金球齒的性能要求也日益升高。硬質合金球齒的齒形多為圓頭形和彈頭形。在日常的生產應用中發現常規的圓頭硬質合金球齒易發生鈍化，而彈頭形硬質合金球齒由於齒冠尖細且半徑小，在承受較大衝擊力做功條件下，容易因基體的強度不足而破碎。相關學者和研究者根據球形壓模破岩的有效機理和彎曲應力曲線等理論，設計了耐鈍硬質合金球齒。它綜合了圓頭齒和彈頭齒的優點，齒頭由球冠形體和近似圓錐體兩部分組成。根據球形與楔形應力分佈規律，將球冠形體主要運用於進行球形壓模破岩，而近似圓錐體進行楔形壓模破岩，形成良好高效的破岩效果。