介绍
在采矿业中，硬质合金已成为高性能凿岩和切削刀具的首选材料。硬质合金以其卓越的硬度、韧性和耐磨性而闻名，在严苛的地质环境下，在最大限度地提高作业效率和减少停机时间方面发挥着至关重要的作用。
采矿级硬质合金用于凿岩钻头和切削工具，可显著延长工具使用寿命，即使在高冲击载荷、磨蚀性岩石和极端温度下也能保持性能。其独特的成分和结构使采矿作业能够实现更快的穿透速度、更低的维护频率和更高的整体生产力。
本文探讨了采矿硬质合金的成分、微观结构和关键机械性能，帮助您了解为什么它是现代采矿应用中不可或缺的材料。
矿用硬质合金的化学成分
硬质合金在采矿应用中的卓越性能很大程度上归功于其精心设计的化学成分。通过调整关键成分的比例和结构，制造商可以定制硬质合金牌号，以抵御磨损、冲击和高温等特定的地质挑战。
主要部件
- 碳化钨（WC）
采矿硬质合金的主要成分碳化钨是一种极其坚硬的材料。它赋予合金卓越的硬度和耐磨性，使其成为切割和钻穿坚硬、磨蚀性岩层的理想选择。
- 钴（Co）
钴充当金属粘合剂，将碳化钨颗粒粘合在一起。它增强了韧性，提高了抗冲击性，并使材料在冲击钻孔或破碎作业中具有吸收冲击载荷的能力。
可选添加剂
碳化钛（TiC）和碳化钽（TaC）
添加这些碳化物通常是为了提高耐腐蚀性、热稳定性和耐化学磨损性。这在深钻、高温区域或酸性环境中尤其有用，因为在这些环境中，标准的WC-Co成分可能会更快地降解。
晶粒生长抑制剂
可以添加钒 (V) 或铬 (Cr) 等微量元素，以防止烧结过程中晶粒异常生长。这些抑制剂有助于维持细小的微观结构，从而提高机械强度、表面光洁度和刀具使用寿命。
典型成分范围
- 碳化钨（WC）： 85–94%
- 钴（Co）： 6–15%
- 添加剂（TiC、TaC、抑制剂）： ≤3%（因等级而异）
矿用硬质合金的成分主要取决于牌号设计。牌号设计完成后，Co含量的波动与粉末称量精度、烧结工艺等因素有关。影响硬质合金C含量的因素则更为复杂，是硬质合金生产质量控制的重点和难点。
影响硬质合金碳含量变化的因素
硬质合金中的碳含量对其相稳定性和机械性能起着至关重要的作用。然而，由于多种影响因素，在生产过程中保持一致的碳含量可能颇具挑战性：
1. WC粉末碳测试不准确
偏差通常始于原材料阶段。如果碳化钨 (WC) 粉末的碳含量没有得到精确测量或控制，就会导致最终产品的不一致。
2. 混合粉末中的氧含量波动
混合物中的氧气含量可能会发生很大变化，受以下因素影响：
- 原始 WC 和钴粉中的氧含量
- 储存方法和环境条件（例如湿度、暴露时间）
- 铣削过程，包括介质类型和铣削持续时间
- 烧结前生坯的干燥技术和储存时间
3. 烧结工艺变量
烧结阶段对最终碳含量有直接影响。影响因素包括：
- 烧结方法（例如真空、HIP）
- 脱脂工艺质量和一致性
- 富碳气氛的使用和控制（正碳法）
- 真空度和整体炉内气氛稳定性
有效控制这些变量对于防止碳缺乏或过量至关重要，这两者都会导致不良相（例如，η相，游离石墨），从而损害硬度，韧性和结构完整性。
矿用硬质合金的微观结构特征
矿用硬质合金是一种双相复合材料，由嵌入钴 (Co) 粘合剂基体的碳化钨 (WC) 颗粒组成。其机械性能高度依赖于多个微观结构参数，包括：
平均碳化钨晶粒尺寸
这是衡量机械性能的关键指标。钴含量一定时，较细的WC晶粒会提高硬度，但会降低断裂韧性。相反，较粗的晶粒会提高韧性，但会降低耐磨性。
共粘合剂相分布
钴相的均匀性和平均间距会影响碳化物吸收应力的能力。分布不均匀可能会导致出现薄弱点，从而降低材料的抗开裂和抗疲劳性能。
WC 晶粒邻接和堆积
WC 颗粒的堆积和相互作用方式会影响载荷传递和抗裂纹扩展能力。
晶粒尺寸分布：均匀结构与非均匀结构
均匀的晶粒结构（具有正态分布）可提供一致的硬度，并且在生产中更易于控制。
不均匀的晶粒结构可能呈现双峰分布，即细晶粒和粗晶粒同时存在。一些研究表明，只要避免粗大晶粒，这种结构就能提供优异的耐磨性和抗断裂性。然而，工艺控制不佳可能会导致晶粒过大，降低韧性，并增加灾难性失效的可能性。
通过原材料质量、铣削技术和烧结曲线保持对微观结构的精确控制对于生产在极端操作条件下可靠运行的采矿级碳化物至关重要。
采矿应用中的性能特征
矿用硬质合金专为应对各种严苛的操作条件而设计，这些条件通常伴随着高冲击、极强的磨损和热应力。其独特的硬度、韧性和热稳定性使其成为制造凿岩钻头、截齿和破碎部件等采矿工具的关键材料。
1. 在磨蚀性岩层中具有高耐磨性
硬质合金拥有极高的硬度，能够承受与花岗岩、玄武岩或富含石英的矿石等磨蚀性材料的持续接触。这显著减少了钻孔或挖掘过程中的材料损失，即使在恶劣环境下也能确保更长的刀具使用寿命。
2. 出色的抗冲击性能，适用于冲击和破碎工具
在潜孔 (DTH) 钻进或旋转冲击钻进等应用中，钻具会承受反复的冲击和振动。这些钻具中使用的硬质合金材质具有卓越的断裂韧性，能够抵抗高冲击载荷下的崩刃和断裂，尤其是在破碎或坚硬的岩层中。
3.深层或高温环境下性能稳定
采矿作业通常涉及深钻或连续高负荷循环，这两者都会产生大量热量。采矿级硬质合金在高温下仍能保持结构完整性和机械性能，确保可靠的性能和尺寸稳定性。
4.延长刀具使用寿命，降低更换频率
硬质合金刀具耐磨损、抗断裂，因此更换次数更少，维护频率也更低。这意味着：
- 减少换刀停机时间
- 降低总体模具成本
- 提高运营效率
结论
硬质合金在采矿业的卓越性能并非偶然——它源于其精准的成分和微观结构，平衡了硬度、韧性和热稳定性。这些特性对于承受钻孔、切割和破碎作业中常见的磨蚀性、高冲击性和高温条件至关重要。
为了最大限度地提高生产效率并最大程度地减少刀具磨损或故障，必须根据具体的地质条件和操作要求选择合适的矿用硬质合金牌号。岩石硬度、钻孔方法和设备冲击能量等因素都应作为硬质合金选择的指导因素。
