焊接球齒釬頭用硬質(zhì)合金KK30牌號的研制

吳建國

（株洲肯特硬質(zhì)合金有限公司，湖南株洲412000）

1 前言

由于球齒釬頭具有鑿巖速度快、在使用過程中不需要修磨以及釬頭的直徑不受限制等優(yōu)點，在許多使用場合球齒釬頭正逐步替代原來的一字型釬頭。根據(jù)球齒釬頭上合金齒的固齒工藝的不同，一般可分為釬焊、冷壓和熱嵌。由于釬焊固齒工藝對球齒和齒孔的加工精度要求不高，機加工成本低，勞動生產(chǎn)率高，在制造小直徑球齒釬頭上應用比較普遍[1]。但固齒工藝的不同，對合金齒的材質(zhì)要求也有所區(qū)別，如同樣規(guī)格和使用場合的球齒釬頭，采用冷壓固齒工藝的球齒一般采用鈷含量為6%的合金，而釬焊固齒工藝所用球齒一般采用鈷含量為8%左右的中粗顆粒WC-Co合金，這主要是因為焊接固齒時會產(chǎn)生焊接應力，為了保證合金齒焊接及使用過程中不出現(xiàn)碎裂，許多硬質(zhì)合金生產(chǎn)企業(yè)不得不以犧牲部分耐磨性為代價來提高合金的韌性。

本試驗的目的是通過采用非均勻結(jié)構(gòu)并采用先進的加壓燒結(jié)和快冷工藝，使合金的耐磨性和韌性達到良好的匹配，在保持合金耐磨性的同時，通過提高其韌性以適應焊接球齒釬頭的應用。

2 實驗過程

采用粗細兩種粒度的WC按一定的比例進行搭配，配以重量為8%的鈷，通過濕磨、壓制、壓力燒結(jié)和快冷工藝制成PS21試樣條，檢測其物理機械性能，并與國內(nèi)常用的某焊接球齒牌號（以下簡稱Y牌號）性能進行對比，同時將新材質(zhì)（以下簡稱KK30）制成φ9×13mm錐形齒，以焊接固齒工藝制成φ40 mm球齒釬頭，與Y牌號合金制成的同一規(guī)格釬頭進行對比試驗。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 不同材質(zhì)的物理機械性能

表1列出了KK30新材質(zhì)與Y牌號的物理機械性能，從表1中可以看出，KK30材質(zhì)的Y牌號強度差不多，但KK30材質(zhì)的硬度要明顯高于Y牌號。

表1

圖1列出了KK30材質(zhì)與Y牌號的金相照片，從照片上可以看出，Y牌號為均勻結(jié)構(gòu)，WC晶粒較粗，平均晶粒尺寸約為2.4μm；而KK30合金中的WC晶粒為非均勻結(jié)構(gòu)，在粗晶粒的中間均勻地分布著許多細晶粒，其中粗晶粒尺寸約為4-5μm，而細晶粒尺寸小于1μm。

3.2 不同材質(zhì)使用結(jié)果

圖1 不同牌號金相照片

將兩種材質(zhì)的合金齒采用焊接固齒工藝制成φ42mm球齒釬頭后，在云南楚雄某硫化銅礦9474采分區(qū)進行對比試驗，每種牌號試驗5個鉆頭，該礦巖石硬度f≈14-16，所用鑿巖機型號為YT28，具體使用情況如表2所示。

兩種釬頭的合金齒在使用過程中均無碎齒斷齒現(xiàn)象，失效形式均為正常磨損（見圖2）。從表2可以看出，KK30牌號使用壽命比Y牌號平均壽命提高30%左右。

3.3 KK30耐磨性和韌性增強機理

眾所周知，WC-Co硬質(zhì)合金的硬度與合金中的WC晶粒度及鈷相平均自由程有關(guān)，在鈷含量相同的情況下，WC晶粒越細，鈷相平均自由程越小，合金的硬度越高。從圖1可以看出，與Y牌號相比，KK30牌號由于為非均勻結(jié)構(gòu)，在粗晶粒之間分布著許多細晶粒，其平均晶粒度要比Y牌號小，鈷相平均自由程也比Y牌號小，故KK30的硬度比Y牌號要高，其耐磨性也會相應提高。

表2 不同牌號球齒釬頭鑿巖深度

圖2 釬頭中合金齒的磨損失效形式

一般情況下，合金中的WC晶粒度減小時，合金的韌性會下降，但與一般單純通過減少WC晶粒度提高合金硬度的方式不同，通過采用非均勻結(jié)構(gòu)組織及燒結(jié)后期的快冷工藝使合金的韌性得以保持。

硬質(zhì)合金中鈷池容易成為合金的裂紋源，由于KK30材質(zhì)采用非均勻結(jié)構(gòu)，細晶粒均勻分布在粗晶粒之間，晶粒之間的鈷層厚度明顯減少（見圖1），從而相應地減少了合金中鈷池缺陷產(chǎn)生的機率。另外，當合金在外力作用下產(chǎn)生裂紋后，裂紋會沿著相對薄弱的WC/Co界面或Co相擴展，在非均勻結(jié)構(gòu)中，當裂紋沿著細晶粒間的WC/Co界面或Co相擴展遇到粗晶粒時，需要繞過前方粗大WC晶粒并導致裂紋行程增加或穿過WC晶粒（如圖3），無論是裂紋行程增加還是穿過WC晶粒，都會使裂紋擴展所需的功增加[2]，亦即裂紋擴展的阻力增加，因此非均勻結(jié)構(gòu)組織的韌性也會增加。

圖3 非均勻結(jié)構(gòu)合金中裂紋擴展穿過粗晶粒WC（圖中黑色粗晶粒WC發(fā)生穿晶斷裂）

此外，當硬質(zhì)合金從燒結(jié)溫度冷卻到室溫的過程中，合金中的γ相會通過擴散方式發(fā)生fcc→hcp型轉(zhuǎn)變，室溫下燒結(jié)態(tài)的硬質(zhì)合金的γ相都是fcc和hcp型的混合物，兩種類型的γ相的比例與合金中的鈷含量有關(guān)，一般情況下，鈷含量越低，hcp型的比例越高[3]。由于KK30在燒結(jié)后采用快冷工藝，在冷卻過程中γ相通過擴散方式發(fā)生相變受到抵制，使高溫下韌性更好的fcc型γ相能更多地得以保留到室溫，從而合金的韌性也得到提高。

4 結(jié)論

（1）KK30牌號由于采用非均勻結(jié)構(gòu)，平均晶粒度較小，在鈷含量相同的情況下，其硬度和耐磨性更高；

（2）通過采用非均勻結(jié)構(gòu)，KK30牌號減少了合金中出現(xiàn)鈷池等裂紋源的機率，同時非均勻結(jié)構(gòu)使裂紋擴展的阻力增加，從而提高了合金的韌性；

（3）通過采用快冷工藝，KK30牌號中的γ相更多地以韌性好的fcc型存在，從而提高了合金的韌性。

[1]符夷堅.兩種固齒方法在球齒釬頭的應用效果[J].鑿巖機械氣動工具，1991，（2）.

[2]周書助.非均勻硬質(zhì)合金的研究及在硬巖掘進中的應用[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，1998，（12）.

[3]劉壽榮.WC-Co硬質(zhì)合金γ相相變[J].稀有金屬，2000，（2）.