截齿合金的失效形式及对策

程在望，刘华平

（苏州新锐合金工具股份有限公司，湖北 潜江 433124）

0 引言

根据Sandvik的硬质合金晶粒度分级标准，WC平均晶粒度在3.5～4.9μm的合金为粗晶硬质合金，WC平均晶粒度在5.0～7.9μm的硬质合金为超粗晶硬质合金[1]。相同Co含量下，与传统的中、细晶粒硬质合金相比，超粗晶硬质合金具有良好的断裂韧性和抗热疲劳性能，因而广泛地应用于制造工况条件恶劣的截齿和挖路齿。目前国内市场上高端截齿合金 （主要用于恶劣条件）的需求量为300-350吨/年，但大部分市场被瑞典Sandvik公司和美国Kennametal公司占有。因此有必要提升截齿合金的性能，提高国产截齿合金市场占有率，实现高端截齿合金的国产化。1 截齿的失效形式

在采煤过程中，截齿合金在综采机的巨大推进力作用下以回转方式割煤，除了受到高的周期性的压应力和剪切弯曲应力外，还经常由于煤层中存在坚硬的夹矸而受到突发性的冲击应力。此外，由于截齿在生产过程中处于半程工作、半程空转的状态，工作时截齿合金表面与煤层严重摩擦而剧烈发热，表面温度瞬间可达600℃～800℃。空转时则由于空气和冷却水作用，合金表面温度急剧下降，处于一种激冷激热状态，在截齿合金内部产生较大的温度梯度。由于Co相和WC相的热膨胀系数相差很大，造成合金内部形成巨大的热应力，这种情况在合金表面尤其严重，最终在合金表面形成热疲劳龟裂或掉块，造成截齿失效。

表1是蔡和平统计的神府煤田 （普氏硬度f＝6～8）的截齿合金失效情况。从表中可以看出，煤层截齿合金的主要失效原因是合金抗热疲劳性不够。因此，通过提高硬质合金的抗热疲劳性从而提高使用寿命就很有意义。由于合金的抗热疲劳性能和抗热冲击性能TFR与合金的韧性和热导率有关。因此，提高合金热导率、断裂韧性，降低合金热膨胀系数、弹性模量均可以提高合金的抗热疲劳性能。

表1 截齿损坏方式[3]

硬质合金的韧性主要取决于合金的Co含量和WC晶粒度，此外碳含量对其也有一定影响。WC晶粒度相同时，提高合金的Co含量可以增加合金的韧性和热膨胀系数，降低合金热导率、耐磨性。Co含量相同时，增加合金WC晶粒度，可以增大合金Co相平均自由程，减小界面热阻[4]，从而提高合金的韧性和热导率。根据“热塑变效应”理论[5]，在高温条件下合金表面会发生一定的塑性流动，易造成WC晶粒从Co相中拔出，加速合金的磨损。超粗合金由于WC晶粒粗大，在一定程度抑制了这一现象，比相同硬度细晶合金具有更好的耐磨性。碳含量对硬质合金韧性的影响主要通过影响W在Co中的固溶度实现，对WCCo硬质合金而言，两相区高碳侧的合金韧性比低碳侧好。但也有资料认为[6]，对超粗、特粗晶硬质合金，应使合金的碳含量控制在两相区的下限，提高合金的耐磨性，但并未得到实际使用的有效验证。综上所述，提高截齿合金使用性能的措施为：适当降低Co含量，提高合金的WC晶粒度。

2 国内截齿合金现状

根据收集的样品统计，国产截齿合金Co含量为10%～13%，晶粒度约5～6μm。国外Sandvik/Kennametal公司截齿合金主要有两类：Co含量10%，晶粒度6～7μm和Co含量7%，晶粒度12～13μm。表2是收集分析的客户反映使用效果较好的截齿合金理化性能，图1是其对应的金相组织图片。

结合表2和图1可知，与Sandvik Co含量10%、晶粒度6～7μm的超粗合金相比，大部分国产截齿合金的晶粒偏细且均匀性较差，晶粒外形不圆滑。在实际作用中则表现为韧性或耐磨性匹配较差，易出现碎齿或不耐磨现象。

表2 使用效果较好的截齿合金理化性能

图1 国内截齿合金金相组织图

作为国内最早生产截齿合金的厂家之一，新锐公司在2009年就已开发出晶粒度5～6μm，使用情况良好的JZ10CC和XR12CC超粗合金，得到客户的认可和大批量订货。针对客户反映的Sandvik10%Co、晶粒度6～7μm截齿合金使用效果较好的情况，新锐公司通过先进的WC粗粉和球磨工艺，成功开发出Co相分布均匀，晶粒大小和均匀性与Sandvik相当，综合性能较好的截齿合金牌号——XR10CC，金相组织如图1a所示。

3 截齿合金改进方向

低钴超粗是目前截齿合金的主要发展趋势。但由于受于WC粗粉质量和生产工艺限制，即使采用Fsss粒度超过20μm的WC粗粉，也难以制得晶粒度超过4.5μm以上的超粗硬质合金。本文根据文献和专利资料，提出了两种适合工业化生产的超粗合金的制备方法。

3.1 预混合+柔性球磨

使用Y型混合器或三维混合器对WC粗粉和Co粉进行预混合（干混、不加合金球），可以在WC和Co相分布均匀的前提下缩短球磨时间，降低球磨对WC粗粉的破碎作用，提高合金的晶粒度。但单纯对WC粗粉、Co粉进行预混合并不能得到性能良好的粗晶合金。对WC粉和Co粉进行干混结果表明[7]：干混不会对WC粉末产生破碎作用，WC晶粒度接近原始WC粉料粒度，但压坯易产生大孔洞和未压好缺陷，难以在烧结中消除。此外，市面上销售的Co粉多呈类球状或短棒状，Fsss粒度虽然很小，但球或棒之间存在较多相互粘连象，常规的预混合很难将其分散，导致烧结后合金中存在大量Co湖，因此预混合须与球磨方法结合才能制得性能良好的超粗合金。

预混合和柔性球磨两种方法相结合，可以降低WC受到的球磨强度，减少WC粗粉的破碎，降低WC粉末的表面畸变能，抑制液相烧结过程中WC的溶解—析出，使得WC晶粒外形圆滑化、提高WC晶粒的均匀性，进一步提高合金的抗弯强度和断裂韧性。吴冲浒在专利《柔性球磨技术制备超粗硬质合金的方法》中[8]，使用Y型或双锥形混合器对费氏粒度18～22μm的WC粒和Co粉进行预混合，并使用低球料比、低转速的湿磨方式成功制取了平均晶粒度7～10μm的超粗硬质合金。张博勋在专利《超粗晶硬质合金混合料的制备工艺》中提出[9]：使用小直径合金球可以减小对WC粉末颗粒的破碎，使得烧结后的WC晶粒度接近原始WC粒度。

3.2 纳米粉末溶解—析出

硬质合金中WC晶粒长大主要分为两个阶段：聚集再结晶和液相重结晶 （溶解—析出机理），其中液相重结晶在WC晶粒的长大中起主要作用。在正常烧结温度下，WC在Co中的溶解度能达到35%～37.5%，由于粒径差异导致细颗粒WC的单位面积表面能比粗颗粒WC大很多，造成细颗粒WC在液相Co中优先溶解并析出在表面能低的粗颗粒WC上，使WC颗粒粗化。根据这一原理，白英龙使用纳米粉末溶解法制备超粗WC-Co硬质合金[10]，不仅使合金的平均晶粒尺寸增加1.3μm，而且使WC晶粒尺寸分布的均匀性得到提高，形状复杂晶粒减少，晶粒发育程度得到改善。这一方法也在聂洪波等人的专利CN102808096A和伏坤的专利CN102534344A中得到了验证[11，12]。为进一步提高纳米粉末的溶解—析出效应，可单独对纳米WC粉末进行预球磨，增加其表面活性。

4 结论

本文通过分析截齿合金在硬煤层中的失效形式，对比国产截齿合金与Sandvik、Kennametal合金的性能、组织差异及使用差距，结合理论分析，得出如下结论：

（1）截齿合金的主要失效形式是热疲劳失效。

（2）截齿合金性能提升方向：低Co粗晶。

（3）可以通过预混合+柔性球磨方法和纳米粉末溶解—析出法制取超粗硬质合金。

[1]湘子.硬质合金晶粒度分级标准[J].硬质合金，2006，23（2）：68-68.

[2]Liang DB.Thermal fatigue and shock-resistantmaterial for earth-boring bits：U.S.Patent6，197，084[P].2001-3-6.

[3]蔡和平，姜喜春.硬煤截齿刀头硬质合金的热疲劳失效分析[J].西安交通大学学报，1997，31（3）：12-17.

[4]张立.硬质合金的热物理性能[J].硬质合金，1992，9（2）：96.101.

[5]张国榉，刘荣湘，陈泓.凿岩钎具的设计、制造和选用[J].湖南科学技术出版社，1986，52.

[6]孙廷枢，彭玉干，刘敏锋等.提高矿用硬质合金使用寿命途径的研究[J].钎具简讯，2014，145.

[7]张立，王元杰，余贤旺等.干混合对硬质合金组织结构的影响[J].硬质合金，2007，24（1）：24-27.

[8]吴冲浒，吴其山，孙东平等.柔性球磨技术制备超粗晶硬质合金的方法[P].中国专利：CN 102634684 A，2012-08-15.

[9]张博勋，超粗晶硬质合金混合料的制备工艺[P].中国专利：CN 102773490 A，2012-011-14.

[10]白英龙，吴冲浒，杨霞等.纳米粉末溶解法制备粗晶WC-Co硬质合金[J].粉末冶金材料科学与工程，2012，17（4）：501-507.

[11]聂洪波，吴冲浒，曾琪森等，一种超粗WC-Co硬质合金的制备方法 [P].中国专利：CN 102808096 A，2012-12-05.

[12]伏坤，杨雄文，周建华.一种特粗晶WC-Co硬质合金及其制备工艺[P].中国专利：CN 102534344 A2012-07-04.