矿用硬质合金及其典型产品质量特性分析

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４２ｌ枷；

２．中南大学粉末冶金国家重点实验室，湖南长沙４１００８３）

摘要：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一６Ｃｏ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一６ｃＤ矿用硬质合金的凿岩磨损特性。提出了非均匀结构ＷＣ一６Ｃｏ矿用硬质合金的质量控制要素。

关■词：矿用硬质合金：非均匀结构；质量特性；质量控制中圈分类号：１ｒＩ）４２１．２．５

文献标识码：Ｂ

ｌ我国矿用硬质合金生产骨干

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忧。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

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

４ｌ家企业提供的数据。２０ｌＯ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％ｉ占统计总量的３１．８６％。表ｌ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

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Ｏ．５％，ｒａＣ。

尽管矿用硬质合金的成份简单．但是通

生产情况。表Ｉ中纳入统计的１３家企业生产的硬质合金总量（１３６０９．１６吨）占４ｌ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

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一６Ｃｏ中等晶粒

式投产。按硬质合金总产量排序。投产５年后，即２０ｌＯ年度，公司硬质合金总产量位

于表ｌ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。

１２

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。

凿岩机械气动工具，２０１２（３）

裹１

２０１０年度矿用硬质合金年产量超过２００吨的企业生产情况

硬质合金

序号

生产企业

总产量。吨

矿用合金产量，吨

１０４２．２４５ｌ４３３．６２４２８３８３３８１３５８３０ｌ２７９２５７．４２２５３２３６．９６２２９５０３３．２

矿用合金占硬质合金

总产量份额．％

１９．４７２５．０７５７．２５５１．０７２０．８２７０．９５５５．６８６１．４３８６．６５１００．００１００．００８２．６２９８．０３３６．９８

ｌ２３４５６７８９ｌＯｌｌ１２１３

株洲硬质合金集团有限公司厦门金鹭特种合金有限公司崇义章源钨业股份有限公司济南市冶金科学研究所自贡硬质合金有限责任公司苏州江钻新锐硬质合金有限公司浙江天石粉末冶金有限公司南昌硬质合金有限责任公司河北六隆硬质合金集团有限公司长沙华信合金机电有限公司长沙中南凯大粉末冶金有限公司湖南世纪特种合金有限公司临胸县卧龙硬质合金有限公司

总产量

５３５１．９１７９９７５７．４５８３８１８４０５３７６４３４９０３２２２５７．４２２５３２８６．７９２３３．６１３６０９．１６

３非均匀结构矿用硬质合金的

性与合金的热导率，进而改善合金的抗热

基本特性

图ｌ为日本三菱公司非均匀结构ＷＣ一６Ｃｏ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ｒ１Ｉ啦力分布的均台Ｊ

疲劳性能，同时实现合金断裂韧性与耐磨

性的最佳匹配。

４

国内三种典型ＷＣ一６Ｃｏ矿用

硬质合金的微观组织结构与

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、１ｋ的三种典型ＷＣ一６Ｃｏ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

裹２国内三种典型Ｗ『ｃ．６Ｃｏ矿用硬质合金的

一

矫顽磁力

隹产企业世纪

１２．９１

—９４．０

９０．５

１４．９２

ｋＡ，ｍ

物理性能

相对磁饱和

％

硬度

ＨＲＡ

密度

ｇ，ｃｍ３

ⅣＳ０６）

Ｇ

１０．９１１．３

～９６．８—９３．３

９０．０９０＿３

１４．９２１４．９４

图１日本三菱公司非均匀结构ＷＣ一６Ｃｏ矿用

Ｚ

硬质合金金相组织照片

凿岩机械气动工具，２０１２（３）

１３

裹３国内三种典型ＷＣ一６Ｃｏ矿用硬质合金金相组织的特征参数未浸蚀：放大１００倍结果

２５—ｌｏ

２５√ｌｏ

浸蚀；放大１５００倍结果

ＷＣ相平

生产企业孔隙度

斗ｍ

ｍｎ孔数

００

（）

非化合碳

１１相

均晶粒度

斗ｍ

Ｃｏ相分布，“ｍ

显微

显微石墨

机相无

无无

尢

Ａ类

世纪

Ｇ

Ｚ

Ｂ类

００００００

Ｃ类

００００（）０

孔数

Ｏ０

０

０２０２（）２

无无

元

无无

尢

１．８２１．８１２．０９

０．３一１．５ｏ．３一１．５０．３～１．５

无

无

世纪公司ＹＳ０６

世纪公司ＹＳ０６

Ｇ公司产品

Ｇ公司产品

Ｚ公司产品

Ｚ公司产品

圈２国内三种典型ＷＣ—６Ｃｏ矿用硬质合金的

金相组织。４００×

圈３目内三种典型ＷＣ一６ｃｏ矿用硬质合金

的金相组织．１５∞×

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

凿岩机械气动工具，２０１２（３）

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

１４

５０

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颗粒粒径颗粒粒径

世纪公司ＹＳ０６

６０５０４０

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颗粒粒径

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颗粒粒径

Ｚ公司产品

图４国内三种典型ＷＣ一６Ｃｏ矿用硬质合金的ＷＣ量粒分布

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

凿岩机械气动工具，２０１２（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

１５

双蜂分布态势；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。

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。

５典型ＷＣ一６Ｃｏ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一６Ｃｏ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

Ｇ公司产品

Ｚ公司产晶

圈５国内二种典型ＷＣ一Ⅸ沁矿用硬质合金凿岩实验后台金裹面的ＳＥＭ形魏照片

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

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

失效形武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。

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

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凿岩机械气动工具，２０１２（３）

矿用硬质合金及其典型产品质量特性分析

作者：

作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

单水桃， 张立

单水桃(湖南世纪特种合金有限公司,湖南衡东,421400)， 张立(中南大学粉末冶金国家重点实验室,湖南长沙,410083)凿岩机械气动工具

ZHAOYAN JIXIE QIDONG GONGJU2012(3)

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