矿用硬质合金及其典型产品质量特性分析

单水桃，张 立

（1.湖南世纪特种合金有限公司，湖南 衡东 421400；2.中南大学 粉末冶金国家重点实验室，湖南长沙 410083）

矿用硬质合金及其典型产品质量特性分析

单水桃1，张 立2

（1.湖南世纪特种合金有限公司，湖南 衡东 421400；2.中南大学 粉末冶金国家重点实验室，湖南长沙 410083）

简要介绍了我国矿用硬质合金生产骨干企业、矿用硬质合金材料设计要素以及非均匀结构矿用硬质合金的基本特性，分析了国内三种典型WC-6Co矿用硬质合金的微观组织结构与物理性能特性以及典型WC-6Co矿用硬质合金的凿岩磨损特性，提出了非均匀结构WC-6Co矿用硬质合金的质量控制要素。

矿用硬质合金；非均匀结构；质量特性；质量控制

1 我国矿用硬质合金生产骨干企业简介

根据中国钨业协会硬质合金分会提供的2010年全国硬质合金行业统计年鉴中41家企业提供的数据，2010年41家企业硬质合金的统计产量为18073.6吨，同比增长27.59%。据30家企业提供的统计数据，2010年30家企业共生产矿用合金5758.48吨，同比增长19.66%，占统计总量的31.86%。表1列出了2010年度矿用硬质合金年产量超过200吨的硬质合金企业生产情况。表1中纳入统计的13家企业生产的硬质合金总量（13609.16吨）占41家企业统计产量（18073.6吨）的75.3%，纳入统计的13家企业生产的矿用硬质合金总量 （5033.2吨）占30家企业统计产量（5758.48吨）的87.41%。湖南世纪特种合金有限公司硬质合金生产线于2005年正式投产。按硬质合金总产量排序，投产5年后，即2010年度，公司硬质合金总产量位于表1中所列企业的第10位。公司已迅速成长为以中、高档矿用硬质合金为产业特色的生产企业。

2 矿用硬质合金材料设计要素

在几种常见的过渡族金属碳化物中，WC具有最大的弹性模量、最大的热导率与最小的热膨胀系数。因岩石的破碎效果与凿岩工具的弹性模量成正比，合金的抗热冲击与抗热疲劳性能随热导率增加而提高，随热膨胀系数降低而提高，因此矿用硬质合金的基本成分通常为WC-Co。在硬质合金中添加TaC可以改善合金组织结构的均匀性，改善合金的高温强度与硬度，改善合金的抗热冲击、抗热疲劳性能以及抗塑性变形的能力。因此某些冲击凿岩硬质合金中添加0.5%TaC。

尽管矿用硬质合金的成份简单，但是通过对合金中粘结相含量、粘结相中固溶度、粘结相的微观组织结构，合金中WC的晶粒度、晶粒分布特性、晶粒结晶的完整性，合金中粘结相的平均自由程、WC晶粒的邻接度，合金中WC/WC晶界、WC/Co相界特性等参数的调控，可以对合金的物理力学性能与使用性能进行有效控制，以满足不同的使用需求。

在矿用硬质合金中，WC-6Co中等晶粒度合金主要用作冲击和潜孔钻头球齿，适合于凿进中硬岩层，是非常重要的一类合金。

表1 2010年度矿用硬质合金年产量超过200吨的企业生产情况

3 非均匀结构矿用硬质合金的基本特性

图1为日本三菱公司非均匀结构WC-6Co矿用硬质合金的金相组织照片。通过WC原料与合金制备工艺的调控，可实现合金中WC晶粒粗细度有序匹配，形成WC晶粒的非均匀结构，从而改善合金中粘结相分布的均匀性、增加合金中WC晶粒的邻接度，改善合金中应力分布的均匀性与合金的热导率，进而改善合金的抗热疲劳性能，同时实现合金断裂韧性与耐磨性的最佳匹配。

图1 日本三菱公司非均匀结构WC-6Co矿用硬质合金金相组织照片

4 国内三种典型WC-6Co矿用硬质合金的微观组织结构与物理性能

表2 国内三种典型WC-6Co矿用硬质合金的物理性能

表2与表3分别列出了来自本公司（YS06）以及国内二家矿用硬质合金王牌企业的三种典型WC-6Co矿用硬质合金的物理性能与金相组织特征参数。图2与图3分别为放大倍数400倍、1500倍的三种合金的金相组织照片。图4为三种合金金相组织中WC晶粒的分布图。由表2可以看出，三种合金的磁性能与合金硬度之间具有较好的一致性，本公司产品硬度与Z公司产品的硬度之差在测量误差之内，G公司产品硬度偏低与其相对磁饱和及其所反映的碳含量偏高有关。由于合金中Co含量较低，合金两相区控碳范围较窄，合金的控碳均选择在高碳侧。由金相组织照片可以看出，三种合金的微观组织结构均具有非均匀结构的特点。由表3以及图2、图3、图4可以看出，本公司产品与G公司产品的微观组织结构特征非常类似，均具有粒度分布相对较窄的特点；相对Z公司产品，本公司产品与G公司产品中粗大晶粒平均粒度与细小晶粒平均粒度之间的极差明显减小；Z公司产品中WC晶粒分布呈现双峰分布态势；相对G公司与Z公司产品，本公司产品具有细小WC晶粒数量较多的特点。

表3 国内三种典型WC-6Co矿用硬质合金金相组织的特征参数

图2 国内三种典型WC-6Co矿用硬质合金的金相组织，400×

图3 国内三种典型WC-6Co矿用硬质合金的金相组织，1500×

5 典型WC-6Co矿用硬质合金的凿岩磨损特性分析

图5为国内二种典型WC-6Co矿用硬质合金凿岩实验后合金表面的扫描电镜（SEM）形貌照片。由图5可知，两种合金的磨损形式主要有大颗粒的脱落或拔出与常见的磨粒磨损。由于受大冲击力作用，两种合金中均出现了大量的WC晶粒开裂现象。显然，WC晶粒开裂现象会加速WC晶粒的磨损。由图5可知，非均匀结构矿用硬质合金中粗大晶粒WC的粒径不宜太大，在合金中的分布应该均匀，否则会出现因应力集中而导致的WC晶粒整体脱落或拔出现象。此外，WC晶粒结晶的完整性会影响WC晶粒的抗冲击强度，因此必须严格控制原料WC粉末的质量与合金的烧结温度。合金烧结温度的适当提高，可促进WC晶粒结晶完整性的改善。因此，制备非均匀结构矿用硬质合金的烧结温度不宜控制在低温侧。

图5 国内二种典型WC-6Co矿用硬质合金凿岩实验后合金表面的SEM形貌照片

6 结语

钨是一种稀缺的重要战略资源，实现钨资源的高效与高值化利用是我国钨工业，尤其是硬质合金工业任重道远的战略目标。对于矿用硬质合金生产及其钻具制造与钻具使用企业，三方信息反馈与沟通是硬质合金质量改进及其装配与使用技术改进的重要途径。建立硬质合金微观组织结构、物理力学性能、钻具设计、钻机工作参数、岩层特性以及硬质合金使用性能与失效形式数据库对上述矿用硬质合金相关企业意义重大，应该引起各方的足够重视。

TD421.2+5 文献标识码：B