焊接球齿钎头用硬质合金KK30牌号的研制

吴建国

（株洲肯特硬质合金有限公司，湖南株洲412000）

1 前言

由于球齿钎头具有凿岩速度快、在使用过程中不需要修磨以及钎头的直径不受限制等优点，在许多使用场合球齿钎头正逐步替代原来的一字型钎头。根据球齿钎头上合金齿的固齿工艺的不同，一般可分为钎焊、冷压和热嵌。由于钎焊固齿工艺对球齿和齿孔的加工精度要求不高，机加工成本低，劳动生产率高，在制造小直径球齿钎头上应用比较普遍[1]。但固齿工艺的不同，对合金齿的材质要求也有所区别，如同样规格和使用场合的球齿钎头，采用冷压固齿工艺的球齿一般采用钴含量为6%的合金，而钎焊固齿工艺所用球齿一般采用钴含量为8%左右的中粗颗粒WC-Co合金，这主要是因为焊接固齿时会产生焊接应力，为了保证合金齿焊接及使用过程中不出现碎裂，许多硬质合金生产企业不得不以牺牲部分耐磨性为代价来提高合金的韧性。

本试验的目的是通过采用非均匀结构并采用先进的加压烧结和快冷工艺，使合金的耐磨性和韧性达到良好的匹配，在保持合金耐磨性的同时，通过提高其韧性以适应焊接球齿钎头的应用。

2 实验过程

采用粗细两种粒度的WC按一定的比例进行搭配，配以重量为8%的钴，通过湿磨、压制、压力烧结和快冷工艺制成PS21试样条，检测其物理机械性能，并与国内常用的某焊接球齿牌号（以下简称Y牌号）性能进行对比，同时将新材质（以下简称KK30）制成φ9×13mm锥形齿，以焊接固齿工艺制成φ40 mm球齿钎头，与Y牌号合金制成的同一规格钎头进行对比试验。

3 实验结果与分析

3.1 不同材质的物理机械性能

表1列出了KK30新材质与Y牌号的物理机械性能，从表1中可以看出，KK30材质的Y牌号强度差不多，但KK30材质的硬度要明显高于Y牌号。

表1

图1列出了KK30材质与Y牌号的金相照片，从照片上可以看出，Y牌号为均匀结构，WC晶粒较粗，平均晶粒尺寸约为2.4μm；而KK30合金中的WC晶粒为非均匀结构，在粗晶粒的中间均匀地分布着许多细晶粒，其中粗晶粒尺寸约为4-5μm，而细晶粒尺寸小于1μm。

3.2 不同材质使用结果

图1 不同牌号金相照片

将两种材质的合金齿采用焊接固齿工艺制成φ42mm球齿钎头后，在云南楚雄某硫化铜矿9474采分区进行对比试验，每种牌号试验5个钻头，该矿岩石硬度f≈14-16，所用凿岩机型号为YT28，具体使用情况如表2所示。

两种钎头的合金齿在使用过程中均无碎齿断齿现象，失效形式均为正常磨损（见图2）。从表2可以看出，KK30牌号使用寿命比Y牌号平均寿命提高30%左右。

3.3 KK30耐磨性和韧性增强机理

众所周知，WC-Co硬质合金的硬度与合金中的WC晶粒度及钴相平均自由程有关，在钴含量相同的情况下，WC晶粒越细，钴相平均自由程越小，合金的硬度越高。从图1可以看出，与Y牌号相比，KK30牌号由于为非均匀结构，在粗晶粒之间分布着许多细晶粒，其平均晶粒度要比Y牌号小，钴相平均自由程也比Y牌号小，故KK30的硬度比Y牌号要高，其耐磨性也会相应提高。

表2 不同牌号球齿钎头凿岩深度

图2 钎头中合金齿的磨损失效形式

一般情况下，合金中的WC晶粒度减小时，合金的韧性会下降，但与一般单纯通过减少WC晶粒度提高合金硬度的方式不同，通过采用非均匀结构组织及烧结后期的快冷工艺使合金的韧性得以保持。

硬质合金中钴池容易成为合金的裂纹源，由于KK30材质采用非均匀结构，细晶粒均匀分布在粗晶粒之间，晶粒之间的钴层厚度明显减少（见图1），从而相应地减少了合金中钴池缺陷产生的机率。另外，当合金在外力作用下产生裂纹后，裂纹会沿着相对薄弱的WC/Co界面或Co相扩展，在非均匀结构中，当裂纹沿着细晶粒间的WC/Co界面或Co相扩展遇到粗晶粒时，需要绕过前方粗大WC晶粒并导致裂纹行程增加或穿过WC晶粒（如图3），无论是裂纹行程增加还是穿过WC晶粒，都会使裂纹扩展所需的功增加[2]，亦即裂纹扩展的阻力增加，因此非均匀结构组织的韧性也会增加。

图3 非均匀结构合金中裂纹扩展穿过粗晶粒WC（图中黑色粗晶粒WC发生穿晶断裂）

此外，当硬质合金从烧结温度冷却到室温的过程中，合金中的γ相会通过扩散方式发生fcc→hcp型转变，室温下烧结态的硬质合金的γ相都是fcc和hcp型的混合物，两种类型的γ相的比例与合金中的钴含量有关，一般情况下，钴含量越低，hcp型的比例越高[3]。由于KK30在烧结后采用快冷工艺，在冷却过程中γ相通过扩散方式发生相变受到抵制，使高温下韧性更好的fcc型γ相能更多地得以保留到室温，从而合金的韧性也得到提高。

4 结论

（1）KK30牌号由于采用非均匀结构，平均晶粒度较小，在钴含量相同的情况下，其硬度和耐磨性更高；

（2）通过采用非均匀结构，KK30牌号减少了合金中出现钴池等裂纹源的机率，同时非均匀结构使裂纹扩展的阻力增加，从而提高了合金的韧性；

（3）通过采用快冷工艺，KK30牌号中的γ相更多地以韧性好的fcc型存在，从而提高了合金的韧性。

[1]符夷坚.两种固齿方法在球齿钎头的应用效果[J].凿岩机械气动工具，1991，（2）.

[2]周书助.非均匀硬质合金的研究及在硬岩掘进中的应用[J].稀有金属与硬质合金，1998，（12）.

[3]刘寿荣.WC-Co硬质合金γ相相变[J].稀有金属，2000，（2）.