周建華 ，寇筱堂

（1.中南大學(xué)；2.長(zhǎng)沙中南凱大粉末冶金有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410083；3.天水風(fēng)動(dòng)機(jī)械股份有限公司，甘肅 天水 741020）

0 前言

近年來，由于世界范圍內(nèi)礦產(chǎn)、能源開采以及重大基礎(chǔ)工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)外礦用硬質(zhì)合金球齒、截齒、盾構(gòu)刀頭、銑刨齒等鑿巖產(chǎn)品和配套工具的廣泛使用與發(fā)展，目前世界市場(chǎng)需求量超過100 億美元[1]，其中我國(guó)“十一五”期間，礦用硬質(zhì)合金增長(zhǎng)為77.6%[2]，隨著近期國(guó)家對(duì)高鐵建設(shè)、城市軌道交通、西部鐵路、公路的投入增加，將進(jìn)一步促進(jìn)礦用硬質(zhì)合金的產(chǎn)量增加和產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

1 礦用硬質(zhì)合金的應(yīng)用領(lǐng)域

礦用硬質(zhì)合金伴隨我國(guó)的釬鋼釬具工業(yè)的發(fā)展，發(fā)生了巨大變化。目前我國(guó)的基本建設(shè)、資源開發(fā)和發(fā)展中西部都離不開礦用硬質(zhì)合金[3]。

1.1 城市基礎(chǔ)建設(shè)

我國(guó)大、中、小城市都在搞城市建設(shè)，要消耗大量鋼材和水泥， 其中2013 年我國(guó)鋼產(chǎn)量為19189 萬噸，水泥產(chǎn)量為21.8 萬噸，鋼鐵和水泥需要開采石灰石和鐵礦石，開采和生產(chǎn)過程就需要大量礦用硬質(zhì)合金。

1.2 鐵路和公路建設(shè)方興未艾

高速、四縱四橫、區(qū)域城際、各省、市原有鐵路的改造都會(huì)加大投入。 村村通公路，城市之間通高速， 我國(guó)當(dāng)前公路通車?yán)锍桃堰_(dá)世界第一。這些工程都需要大量礦用硬質(zhì)合金。

1.3 城市軌道交通建設(shè)和隧道開挖

預(yù)計(jì)到2020 年，國(guó)內(nèi)將有約40 多個(gè)城市有軌道交通，總里程達(dá)7000 多公里。我國(guó)已成為世界上最大的軌道建設(shè)市場(chǎng)。開挖機(jī)械采用的是盾構(gòu)機(jī)（TBM），目前國(guó)外有德國(guó)海瑞克、美國(guó)羅賓斯、加拿大羅浮特、日本三菱重工等18 家。 國(guó)內(nèi)有上海、長(zhǎng)沙、鄭州、沈陽等地生產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)。 最大尺寸為φ15.4 m，地鐵常用φ16-8 m。 盾構(gòu)機(jī)刀具用硬質(zhì)合金分兩類：盾構(gòu)機(jī)用刮刀、中心刀、先行刀、仿形刀和保護(hù)刀等，以及鑲硬質(zhì)合金齒的滾刀。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)有400 多臺(tái)盾構(gòu)機(jī)在服役，刀具的市場(chǎng)年容量約5.5-6 億元，其中一半為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)。

1.4 各種截齒

1.4.1 煤用截齒

我國(guó)2012 年原煤產(chǎn)量為36.5 萬噸。 國(guó)家重點(diǎn)煤礦、大型礦山及煤層較厚的多為機(jī)采，每年約需要600 多萬把截齒。 按每把截齒120 克/把硬質(zhì)合金計(jì)算，煤用截齒需硬質(zhì)合金約為750 噸左右。

1.4.2 工程用截齒

公路銑刨機(jī)用截齒， 每個(gè)圓桶有百把錐齒。公路的修復(fù)、白改黑都要用銑刨機(jī)，目前全球范圍銑刨機(jī)年產(chǎn)量約2500 多臺(tái)， 預(yù)計(jì)近幾年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求量700 臺(tái)左右。 旋挖鉆機(jī)有施工速度快，成孔質(zhì)量好，操作靈活方便，安全性能高等優(yōu)勢(shì)。 該機(jī)也要鑲有多把截齒刀具。

1.4.3 礦用截齒

主要是淺層鐵礦表面剝離用，使用的低鈷粗晶礦用硬質(zhì)合金，全年需此合金近1000 噸左右。

礦用三牙輪鉆頭（國(guó)內(nèi)年需要約2 萬只），地質(zhì)鉆具（復(fù)合金剛石硬質(zhì)合金），高爐出鐵口、鋼包除渣、水利、水電工程和市政建設(shè)、建筑拆除等領(lǐng)域也需要使用大量地礦用硬質(zhì)合金。

2 近年礦用硬質(zhì)合金的生產(chǎn)

近年來， 國(guó)家非常重視硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展，通過自主創(chuàng)新和引進(jìn)、吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，我國(guó)硬質(zhì)合金企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)與工藝設(shè)備水平向前跨越了一大步，行業(yè)創(chuàng)新能力有所增強(qiáng)，大大縮短了與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。 硬質(zhì)合金產(chǎn)量2013年達(dá)到了2.6 萬噸，特別是礦用硬質(zhì)合金產(chǎn)量保持了較高增長(zhǎng)[4]（見圖 1，圖 2，圖 3 和表 1）。

圖1 近五年來全國(guó)硬質(zhì)合金總產(chǎn)量（噸）

圖2 近五年來我國(guó)硬質(zhì)合金出口量（噸）

圖3 近五年來我國(guó)礦用硬質(zhì)合金產(chǎn)量（噸）

表1 近五年礦用硬質(zhì)合金主要廠家的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)，噸

3 國(guó)內(nèi)硬質(zhì)合金的工藝與技術(shù)進(jìn)步

3.1 超粗晶礦用硬質(zhì)合金[5]

特粗晶礦用硬質(zhì)合金是近幾年發(fā)展的一個(gè)重要方向。 由于WC 晶粒度較粗，提高了合金的韌性和抗熱疲勞性能，它廣泛用于制造軟巖礦用工具（截齒、挖路齒）、金屬冷熱成型工具（軋輥、模具材料）以及盾構(gòu)刀頭等，我國(guó)在特粗晶硬質(zhì)合金的研究及應(yīng)用取得了很大的進(jìn)步，產(chǎn)品除滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求外，在國(guó)際市場(chǎng)也具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

3.1.1 國(guó)外特粗晶礦用硬質(zhì)合金的分級(jí)

國(guó)外在特粗晶粒合金研究方面已由WC 晶粒度3 μm 向5 μm 以上的特粗晶粒硬質(zhì)合金方向發(fā)展。 特粗晶粒硬質(zhì)合金的研究已在瑞典、美國(guó)、德國(guó)等硬質(zhì)合金強(qiáng)國(guó)成為硬質(zhì)合金領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并已經(jīng)有大量的商業(yè)化產(chǎn)品應(yīng)用。 瑞典Sandvik 公司根據(jù)晶粒度的大小， 把晶粒度0.2～14 μm 的硬質(zhì)合金共分為 9 個(gè)級(jí)別。 其中 WC 晶粒度大于3.5 μm 的超粗晶硬質(zhì)合金已形成系列化，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于礦山鑿巖工具、石油勘探工具、軋輥等領(lǐng)域，產(chǎn)品壽命比粗晶粒牌號(hào)顯著提升。 德國(guó)某公司90 年代后期研制出的G1、N68、G3、G2 等超粗晶硬質(zhì)合金鉆探工具，其平均晶粒度在 4 μm 以上。

目前國(guó)產(chǎn)硬質(zhì)合金晶粒度在0.4～3.5 μm 范圍內(nèi)， 對(duì)晶粒度在3.5 μm 以上的超粗晶硬質(zhì)合金雖然進(jìn)行了多年的研究， 但在合金晶粒度大小、晶粒發(fā)育完整性、均勻性以及合金性能、使用壽命等方面與國(guó)外產(chǎn)品相比仍有較大差距，難以滿足相關(guān)行業(yè)對(duì)高壽命產(chǎn)品需求。

3.1.2 產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域與技術(shù)水平

長(zhǎng)沙中南凱大粉末冶金有限公司研發(fā)的產(chǎn)品為采掘類工具用高強(qiáng)韌性特粗晶硬質(zhì)合金，主要應(yīng)用于輥環(huán)、礦山工具、沖壓模具、盾構(gòu)機(jī)刀頭等采掘類工具，具有極高的熱導(dǎo)率，較高的斷裂韌性與紅硬性， 較好的抗熱疲勞與抗熱沖擊性能，適合于極端工況條件下軟巖的連續(xù)開采（如采煤、挖掘隧道、地鐵建設(shè))與現(xiàn)代化公路、橋梁的連續(xù)作業(yè)（如挖路、鋪路），也可用于對(duì)韌性與抗熱疲勞、 抗熱沖擊性能要求較高的沖壓模、冷鐓模、軋輥等。 主要產(chǎn)品性能指標(biāo)如表2 所示。

以WC-7%Co 為例，國(guó)外的硬質(zhì)合金與我們的硬質(zhì)合金金相對(duì)比如圖4、圖5 所示，兩者的金相檢測(cè)結(jié)果及物理性能結(jié)果如表3， 表4 所示。

本項(xiàng)目產(chǎn)品WC 鄰接度要比國(guó)外同類產(chǎn)品大，晶粒的分布也更為均勻，并且我們?cè)嚇拥目紫抖刃∮贏02， 在使用過程中更難產(chǎn)生破壞源，使用性能要比國(guó)外高，從物理性能上來看，抗彎強(qiáng)度比國(guó)外大，硬度比國(guó)外大，試樣的抗裂性能和耐磨性在使用過程中要優(yōu)于國(guó)外合金。

表2

圖4 國(guó)外WC-7%Co 合金 1500X

圖5 本公司W(wǎng)C-7%Co 合金

表3 本公司與國(guó)外同鈷含量試樣的金相檢測(cè)結(jié)果

表4 本公司與國(guó)外同鈷含量試樣的物理性能結(jié)果

3.1.3 特粗晶礦用硬質(zhì)合金的研究成果

3.1.3.1 采用高溫還原碳化的工藝生產(chǎn)特粗晶粒碳化鎢粉末

目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)特粗WC 粉的主要工藝為，WOx(氧化鎢)摻雜堿金屬后，在低于1000℃的溫度下還原制備出超粗W 粉，而后在1980℃下高溫碳化制備超粗WC 粉。

此種工藝生產(chǎn)的WC 粉末的聚集程度高，粉末粒度不夠粗大，晶粒不均勻，粒度分布區(qū)寬，同時(shí)，W 粉粒度越大，若要保證碳化完全，WC 粉會(huì)炸裂，形成許多細(xì)小WC 顆粒。

我們采用高溫還原高溫碳化的工藝，保證晶粒發(fā)育完整促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大，增大碳化鎢化合碳含量，保證碳化完全，同時(shí)縮短碳化時(shí)間，降低碳化溫度，圖6、圖7 是本項(xiàng)目工藝生產(chǎn)的特粗W 粉電鏡形貌照片，圖8、圖9 是本項(xiàng)目工藝生產(chǎn)的特粗WC 粉電鏡形貌，圖 10、圖 11 是采取國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)工藝制作的特粗WC 粉電鏡形貌照片。

從WC 電鏡形貌照片上看，采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的碳化鎢粉，碳化不完全，聚集程度高，晶粒棱角多，不夠圓潤(rùn)，晶粒發(fā)育不完整，我們的自產(chǎn)碳化鎢晶粒表面呈現(xiàn)明顯的生長(zhǎng)臺(tái)階與生長(zhǎng)平面，其結(jié)晶完整性好，碳化完全，碳化鎢晶粒粗大，粒度分布均勻。

圖6 特粗W 粉電鏡形貌照片 100X

圖7 特粗W 粉電鏡形貌照片 1000X

圖8 特粗WC 粉電鏡形貌照片 100X

圖9 特粗WC 粉電鏡形貌照片 1000X

圖10 傳統(tǒng)工藝WC 粉電鏡形貌圖片 100X

圖11 傳統(tǒng)工藝WC 粉電鏡形貌圖片 1000X

3.1.3.2 通過特殊研磨混合工藝獲得連續(xù)的高強(qiáng)度的WC 骨架結(jié)構(gòu)

目前，傳統(tǒng)的濕磨工藝為用高球料比對(duì)碳化鎢粉預(yù)磨，然后添加鈷粉，繼續(xù)球磨至碳化鎢粉與鈷粉混合均勻， 這樣生產(chǎn)出來的WC-Co 混合料，碳化鎢破碎嚴(yán)重，燒結(jié)后難以獲得晶粒粗大均勻的硬質(zhì)合金。

美國(guó)專利5505902 和5529804 公開了制備超粗晶粒硬質(zhì)合金的方法，將粗顆粒的WC 粉通過噴射研磨分散和分級(jí)篩分， 去除細(xì)的WC 顆粒， 只選用粗粒度的部分WC， 然后對(duì)這些WC進(jìn)行Co 涂覆。專利5505902 采用的方法是熔膠-凝膠法.將WC、甲醇和三乙胺在反應(yīng)器中混合，當(dāng)加熱時(shí)甲醇會(huì)蒸發(fā)，Co 在WC 晶粒上沉淀形成熔膠凝膠。專利5529804 采用的方法是多元醇法， 將Co 的醋酸鹽+水+WC 混合后進(jìn)行噴霧干燥，并對(duì)混合工序工藝進(jìn)行了改進(jìn)。 以避免粗顆粒WC 的破碎。用以上專利方法生產(chǎn)的混合料再采用常規(guī)的壓制成型和燒結(jié)方法即可制備鈷含量為6%、 平均晶粒度在13-14μm 的硬質(zhì)合金，并且很容易將孔隙控制在A02～B02 之間。

以上兩種美國(guó)專利雖然能制備晶粒均勻的特粗WC 粉，但三乙胺有劇毒，不適合安全生產(chǎn)，水劑噴霧在國(guó)內(nèi)也剛剛開始起步，需要高純的去離子水，不適合回收循環(huán)利用。

參考國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)工藝及國(guó)外新工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，我們?cè)诨旌狭涎心ミ^程中球磨程度、總碳及組分均勻混合工藝方面做了研究， 分析物理性能結(jié)果，少球混合工藝制備的合金抗彎強(qiáng)度提高了很多，提高了其斷裂韌性，適于高強(qiáng)度連續(xù)作業(yè)。

3.1.3.3 多元?dú)夥粘尚蝿┟摮に嚕?實(shí)現(xiàn)整爐產(chǎn)品精準(zhǔn)控碳

成形劑作為中間輔助原料，在脫膠階段中必須能完全脫去，任何殘留都會(huì)給產(chǎn)品帶來質(zhì)量隱患。 因?yàn)樯a(chǎn)高質(zhì)量硬質(zhì)合金制品，必須嚴(yán)格控制合金中的總碳。雖然影響硬質(zhì)合金制品總碳的因素很多， 但在碳化鎢原材料品質(zhì)穩(wěn)定的情況下，成形劑的應(yīng)用對(duì)產(chǎn)品總碳的影響是一個(gè)非常重要的方面。

國(guó)外硬質(zhì)合金生產(chǎn)廠家成形劑基本上是石蠟和PEG，由于具有先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備，采用多氣氛壓力脫膠燒結(jié)一體爐進(jìn)行成形劑脫除。

國(guó)內(nèi)的成形劑脫除和產(chǎn)品燒結(jié)多采取兩個(gè)爐子進(jìn)行，成形劑脫除采取真空脫出工藝或者載氣脫除工藝。 但是真空脫除成形劑的效率不高，少則一晝夜多則數(shù)天才能完成一周期，隨產(chǎn)品大小而定，并且僅適于成形劑為石蠟的工藝。 國(guó)內(nèi)慣用的是載氣脫除工藝， 能加快成形劑脫除速度，并能適用于多種成形劑。 一般通入的氣體是氫氣或者氫氮混合氣，但在400℃以上高溫階段，未排除干凈的石蠟會(huì)裂解， 橡膠在300℃以后就會(huì)開始裂解，使制品內(nèi)殘留碳（CH4→2H2+C）和起皮， 起皮是指制品的棱角處的表面翹起一層殼，殼的外表呈網(wǎng)狀裂紋，殼的層下有粉狀碳的沉積物。另外一個(gè)問題，在氫氣中，由于鈷的催化作用， 從100℃開始WC 就發(fā)生脫碳反應(yīng) （WC+2H2→CH4+W），反應(yīng)隨溫度升高、H2流量加大而加快。

所以控制成形劑脫除氣氛， 隨溫度不同，調(diào)節(jié)各氣氛之間的平衡，保證產(chǎn)品中的成形劑完全脫除，既不會(huì)增碳，又不會(huì)脫碳，對(duì)于控制形狀復(fù)雜的大制品總碳有決定意義。

由于本項(xiàng)目使用順丁橡膠與樹脂的混合成形劑，橡膠在300℃以后就會(huì)開始裂解，其基本反應(yīng)式如下：

CH4（氣）=2H2（氣）+C（固）

控制在各溫度區(qū)CH4與H2之間的平衡態(tài)，其平衡常數(shù)計(jì)算式如下：

其中，XCH4為 CH4與 H2混合氣體中 CH4的摩爾分?jǐn)?shù)，P 為混合氣體壓力與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力的比值，T 為當(dāng)前溫度。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)， 將氫氣與甲烷在不同的脫膠溫度區(qū)按平衡態(tài)比例混合， 脫膠時(shí)間持續(xù)10小時(shí)，最高溫度達(dá)到630℃，產(chǎn)品的總碳能嚴(yán)格控制在工藝參數(shù)內(nèi)， 并且整爐產(chǎn)品各個(gè)位置的總碳結(jié)果偏差控制在±0.025%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）內(nèi)，經(jīng)過燒制后， 整爐各個(gè)位置產(chǎn)品矯頑磁力偏差控制在±0.5 kA/M， 實(shí)現(xiàn)了整爐產(chǎn)品精準(zhǔn)控碳及成形劑脫除均勻性。

3.1.3.4 氣體壓力燒結(jié)技術(shù)除去合金組織內(nèi)部微孔

在燒結(jié)過程中隨著溫度升高， 當(dāng)出現(xiàn)液相時(shí)，由于毛細(xì)管力，使液相向WC 表面移動(dòng)，由于液相對(duì)WC 相有很好的濕潤(rùn)性，使液相很好地附在WC 表面，由于液相的表面張力，驅(qū)使被液相包裹的WC 移動(dòng)，強(qiáng)烈的收縮就此發(fā)生。 在被液相包裹的WC 移動(dòng)、收縮的過程中，存在于壓塊中的氣體被排出，由于液相的流動(dòng)，有一部分燒結(jié)體內(nèi)的孔隙被液相封閉， 隨著收縮的增強(qiáng)，封閉孔隙內(nèi)產(chǎn)生壓力，當(dāng)表面張力等于或小于孔隙內(nèi)的壓力時(shí)， 封閉孔隙在合金中被保存下來，形成顯微孔隙。

采用氫氣燒結(jié)或真空燒結(jié)等常規(guī)燒結(jié)工藝制備的硬質(zhì)合金制品，內(nèi)部都?xì)埩粲胁煌潭鹊目紫兜冉Y(jié)構(gòu)缺陷。 盡管殘留的孔隙度一般只有0.2%（體積）左右，甚至還低一些，但這些殘留的孔隙卻非常嚴(yán)重地影響合金的物理機(jī)械性能，往往成為硬質(zhì)合金的破壞源點(diǎn)，而采用氣體壓力燒結(jié)能有效地消除孔隙。

氣體壓力燒結(jié)是硬質(zhì)合金制造的一種新工藝技術(shù)。 它是在產(chǎn)品完成脫氣、表面孔隙已經(jīng)封閉、粘結(jié)相仍是液相的情況下，用高壓氣體促進(jìn)產(chǎn)品致密化的燒結(jié)新技術(shù)。

我們采用低壓氣體燒結(jié)爐，在鈷相處于液相狀態(tài)時(shí)，通入氬氣給合金施以5 兆帕壓力，孔隙外的壓力大于孔隙內(nèi)的壓力，液相包裹的WC 沿毛細(xì)管滲入孔隙，孔隙減小，在卸壓階段，氬氣從合金表面逸出，其孔隙被液相填充，使合金內(nèi)部孔隙完全閉合。

3.1.3.5 采用雙室高壓氣淬技術(shù)， 改善合金強(qiáng)韌性

硬質(zhì)合金熱處理的可能性， 早在1946 年就有人提出，因?yàn)楫?dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)鈷固溶體在退火過程中有時(shí)效現(xiàn)象。 近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這個(gè)問題十分重視，俄羅斯、瑞典、德國(guó)、南非等國(guó)家的一些學(xué)者都開展了這方面的研究工作， 尤其是俄羅斯， 對(duì)WC-Co 硬質(zhì)合金的熱處理做了大量的工作，并成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

國(guó)內(nèi)，自貢硬質(zhì)合金有限公司采用雙室真空爐內(nèi)加熱，同時(shí)在氮?dú)獗Ｗo(hù)作用下采用油淬火并在500℃-700℃溫度下回火處理， 使礦用硬質(zhì)合金綜合性能提高。

針對(duì)油淬火溫度較低，效果不理想，舟皿易滲碳和易損壞等不足， 我們采用雙室高壓氣淬爐，對(duì)特粗晶硬質(zhì)合金進(jìn)行高壓氣淬處理，將淬火溫度提高到1300℃左右， 氣淬壓力控制在0.5MPa 左右， 從而使合金淬火加熱溫度提高到出現(xiàn)共晶點(diǎn)的淬火溫度，使呈密排立方晶型的鈷相向具有塑性的面心立方晶型轉(zhuǎn)變，提高硬質(zhì)合金的塑性，即提高合金的抗彎強(qiáng)度，同時(shí)淬火速度加快，舟皿的使用壽命延長(zhǎng)。

3.2 雙粘結(jié)的礦用硬質(zhì)合金

由于WC-Co 硬質(zhì)合金具有高彈性模量，高耐磨性和一定斷裂韌性的良好組合，但在鑿巖工具的實(shí)際應(yīng)用中因其斷裂韌性有限而易產(chǎn)生脆性斷裂。 因此，提高斷裂韌性一直是改善硬質(zhì)合金品質(zhì)的驅(qū)動(dòng)力。

最近美國(guó)一家國(guó)際公司開發(fā)出一種新的工藝方法，這種工藝方法的實(shí)質(zhì)是通過顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使鈷的平均自由程最大化來提高合金的斷裂韌性， 同時(shí)使完全致密的大的WC-Co 球粒鑲嵌在鈷金屬基體中以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，也可以看作是球粒狀金屬基體復(fù)合材料［6］（如圖 12 所示）。

雙粘結(jié)硬質(zhì)合金與普通硬質(zhì)合金相比，其突出的特點(diǎn)是硬質(zhì)合金相球粒不是由硬質(zhì)化合物（如 WC），而是由燒結(jié)合金（如 WC-Co 合金）球粒組成，也就是說其硬質(zhì)相是由難熔化合物與金屬鈷經(jīng)過燒結(jié)而成的成品硬質(zhì)材料球粒，然后將燒結(jié)球粒與金屬粘結(jié)劑混合并進(jìn)行第二次燒結(jié)，從而在不降低硬度的情況下使斷裂韌性大幅度提高。

圖12 雙粘結(jié)硬質(zhì)合金

各種不同球粒鈷含量和基體含量的雙粘結(jié)硬質(zhì)合金的力學(xué)性能如表4 所示。

雙粘結(jié)硬質(zhì)合金復(fù)合材料由于具有上述一些優(yōu)異性能，可在諸如采礦、建筑等特別需要高的斷裂韌性、耐磨性和硬度等力學(xué)性能的許多不同應(yīng)用領(lǐng)域中得到應(yīng)用，雙粘結(jié)硬質(zhì)合金制成的牙輪鉆頭、沖擊式鉆頭、刮刀鉆頭等三類工具中，由于其性能優(yōu)異在實(shí)際應(yīng)用中將會(huì)取得很好的效果。

表4 雙粘結(jié)硬質(zhì)合金的力學(xué)性能和使用性能

3.3 梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金

圖13 含η 相的硬質(zhì)合金球齒在1 450 ℃下于滲碳?xì)夥罩刑幚? h 后鈷和鎢沿其直徑的分布

礦用硬質(zhì)合金球齒通過低碳合金經(jīng)滲碳處理制取功能梯度硬質(zhì)合金是目前普遍采用的工藝方法。 通常采用總碳含量比化學(xué)計(jì)量含量低0.1-0.4 wt%的碳化鎢為原料。碳化鎢的粒度一般在2-4 μm 范圍內(nèi)。滲碳處理時(shí)采用含甲烷、一氧化碳等含碳?xì)怏w作為滲碳?xì)夥?、通過此工藝處理后的礦用硬質(zhì)合金球齒的鈷和鎢沿其直徑的分布見圖13。

用這種結(jié)構(gòu)的合金和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的鉆頭在各種鑿巖條件下對(duì)各種不同巖石進(jìn)行鑿孔的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鑲嵌功能梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的鉆頭顯示出極其優(yōu)異的使用性能。 如表5、表 6、表 7 所示。

結(jié)果表明： 功能梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金潛孔鉆頭、牙輪鉆頭和釬片的壽命比常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭的壽命明顯提高。

瑞典山特維克鑿巖工具公司利用這項(xiàng)技術(shù)開發(fā)出的鑿巖工具用功能梯度式雙相（Dual Phase，簡(jiǎn)稱DP）結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，現(xiàn)已開發(fā)出3 個(gè)牌號(hào)：DP55、DP60 和 DP65，其耐磨性和韌性均明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金。

4 結(jié)論

表5 各種硬質(zhì)合金嵌入式鉆頭對(duì)磁鐵礦+矸石進(jìn)行鑿孔的試驗(yàn)結(jié)果（硬質(zhì)合金：WC-11%Co，刀片尺寸：高度＝21 mm，寬度 13 mm，長(zhǎng)度 17 mm）

表6 各種硬質(zhì)合金嵌入式鉆頭對(duì)磁鐵礦+矸石進(jìn)行鑿孔的試驗(yàn)結(jié)果（硬質(zhì)合金：WC-6%Co，球齒尺寸、直徑14 mm、高度24 mm）

表7 各種硬質(zhì)合金牙輪鉆頭對(duì)帶石英礦脈的矸石進(jìn)行露天鑿孔的試驗(yàn)結(jié)果（硬質(zhì)合金：WC-10%Co，球齒尺寸、直徑14mm、高度21mm）

（1）隨國(guó)家基本建設(shè)投入，礦用硬質(zhì)合金近幾年將有良好的發(fā)展空間。

（2）近幾年來，礦用硬質(zhì)合金通過自主創(chuàng)新和引進(jìn)、吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，大大縮短了與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。

（3） 礦用硬質(zhì)合金今后的發(fā)展仍是超粗晶、梯度結(jié)構(gòu)和雙粘結(jié)相結(jié)構(gòu)為主攻方向， 工藝技術(shù)創(chuàng)新也同樣重要。

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