專利名稱：合成金剛石復(fù)合片用硬質(zhì)合金頂錘及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于人造金剛石行業(yè)用硬質(zhì)合金頂錘，特別是合成金剛石復(fù)合片用的硬質(zhì)合金頂錘。
背景技術(shù)：
硬質(zhì)合金頂錘是靜壓超高壓法合成人造金剛石、立方氮化硼及其燒結(jié)體的超高壓裝置的關(guān)鍵部件和消耗性材料。合成一次，頂錘需經(jīng)升壓、升溫、保壓、保溫、降溫、降壓(卸壓)等程序，時間一般為20 40分鐘，在合成過程中，頂錘頂面承受5. 5Gpa左右的超高壓和幾百度高溫(合成溫度1500°C左右)，整個頂錘受到接近甚至超出材質(zhì)極限的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力、剪切應(yīng)力、熱應(yīng)力的低周期疲勞應(yīng)力作用。在硬質(zhì)合金產(chǎn)品中，頂錘的使用環(huán)境是最惡劣的，對于材質(zhì)綜合性能、組織結(jié)構(gòu)要求高，對這類大尺寸實心產(chǎn)品更是要求孔隙低，缺陷少，因此，頂錘的質(zhì)量往往代表了硬質(zhì)合金企業(yè)的生產(chǎn)控制水平；而對于超高壓高溫合成來說，與其他原輔材料一次性消耗的成本相比，頂錘的錘耗(使用壽命)為可變成本，對人造金剛石行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和勞動生產(chǎn)率的影響更大。頂錘在工作中的應(yīng)力狀況決定了制造它的材料必須具有非常高的抗壓強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度、硬度、彈性模數(shù)、耐熱性及較好的抗拉強(qiáng)度、抗沖擊性等良好的物理機(jī)械性能。據(jù) 《頂錘的材質(zhì)、檢驗與應(yīng)用試驗研究》(趙云良，“硬質(zhì)合金頂錘使用技術(shù)研討會”，湖南省超硬材料協(xié)會舉辦，1995年)中提到，頂錘一般的鈷含量為4% 8%，選用中顆粒WC，合金晶粒度為1.2μπι 1.6μπι。國標(biāo)《硬質(zhì)合金頂錘與壓缸》(GB/T 3456-1982)也顯示頂錘材質(zhì)為0)8^^0)6%，合金的WC晶粒度彡1. 6 μ m，允許有顯微脫碳。其性能如表1
表1
隨著我國機(jī)械加工、汽車制造、地質(zhì)和石油鉆探、石材加工等支柱產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和新需求，具有高硬度、高耐磨性、高彈性模量、各向同性和相對高的熱導(dǎo)率等顯著優(yōu)點(diǎn)的金剛石/硬質(zhì)合金復(fù)合片作為各類工具替代金剛石或硬質(zhì)合金的方向日益明朗，近年來已成為高檔機(jī)械加工刀具、地質(zhì)及石油鉆頭、陶瓷磨具、石材加工工具、混凝土工具和閥座閥芯等高耐磨設(shè)備的首選材料，也成為高科技新材料領(lǐng)域中最有生命力的支柱產(chǎn)品之一。所謂金剛石/硬質(zhì)合金復(fù)合片工具，就是用靜壓超高壓直接合成法，將人造金剛石與硬質(zhì)合金基體在超高溫超高壓和粘結(jié)劑條件下燒結(jié)一次制成，然后將硬質(zhì)燒結(jié)復(fù)合體切割成所需形狀，焊接在工具基體上，研磨加工后進(jìn)行使用。與合成金剛石相比，合成金剛石復(fù)合片的環(huán)境更加惡劣，頂錘頂面所受合成壓力高7% 10%，合成腔內(nèi)溫度、壓力不均勻性大，合成時容易引起塌錘和放炮，這就要求硬質(zhì)合金頂錘抗壓強(qiáng)度更高，抗沖擊性也更好。 目前，行業(yè)內(nèi)還沒有專門針對合成復(fù)合片開發(fā)新的頂錘材質(zhì)，一般來說，同種規(guī)格、材質(zhì)的頂錘，合成復(fù)合片的使用壽命為合成金剛石的1/3左右，即若用于合成金剛石的頂錘壽命平均在8000次以上，則同樣材質(zhì)的頂錘，用于合成金剛石復(fù)合片，一般平均使用壽命不到 3000 次。為進(jìn)一步提高頂錘的抗壓強(qiáng)度，同時又兼顧其抗彎強(qiáng)度，提高用于合成復(fù)合片頂錘的使用壽命，行業(yè)內(nèi)一直在研究適應(yīng)的材質(zhì)，但工業(yè)化生產(chǎn)的難度大，沒有推廣。細(xì)化WC 晶粒是行業(yè)內(nèi)研究的一個方向。細(xì)顆粒頂錘除了要提高抗壓強(qiáng)度以外，生產(chǎn)工藝控制難度也必須解決，主要問題是壓制易分層、裂紋，燒結(jié)碳氧控制不穩(wěn)定，合金孔隙高，抑制劑分散不均勻、頂錘結(jié)構(gòu)不均勻，合金性能、頂錘的使用壽命難保證，因此細(xì)顆粒頂錘合金生產(chǎn)控制難度大，質(zhì)量不佳，難推廣?！俄斿N的材質(zhì)、檢驗與應(yīng)用試驗研究》中還提到，曾經(jīng)在0)6^^0)8%的頂錘牌號生產(chǎn)中，采用傳統(tǒng)的氫氣燒結(jié)工藝制備，加入碳化鈮、碳化鉭、碳化鈦等晶粒抑制劑，細(xì)化合金中的晶粒度，改變合金的物理機(jī)械性能，但其使用壽命都不令人滿意。主要問題是添加劑分散不均勻，合金孔隙增高，抗彎強(qiáng)度低，壓制性能差，碳氧控制難度大，使得材質(zhì)性能下降， 生產(chǎn)難度增加，不能滿足使用要求和批量控制穩(wěn)定性要求?！禞N10硬質(zhì)合金頂錘的研制》(高新亮，山東大學(xué)碩士學(xué)位論文)中有一種ColO%、WC 晶粒度0. 6 0. 8 μ m的亞微細(xì)頂錘生產(chǎn)技術(shù)，采用主要原料為亞微細(xì)WC、亞微細(xì)Co粉，其中亞微細(xì)WC原料本身生產(chǎn)中，是以金屬鹽的形式將抑制劑Cr3C2加入到氧化鎢中(液+固)， 抑制劑加量為粘結(jié)劑加量的wt5%，采用1400°C 1420°C的燒結(jié)溫度、低壓5Mpa的工藝參數(shù)進(jìn)行燒結(jié)。其工藝流程基本采用傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金生產(chǎn)流程，生產(chǎn)工序長。其主要問題如下
①.雖然以金屬鹽的形式加人到氧化鎢中，這種形式抑制劑分散最均勻，但生產(chǎn)成本高，加入量的精確性不易控制；
②.后續(xù)采用傳統(tǒng)的濕磨料+摻入SBP成型劑混合制粒，壓制、脫蠟，低壓燒結(jié)的工藝流程，生產(chǎn)工序長，成型劑與濕磨料的短時混合存在滲透不均勻，料粒不均勻，導(dǎo)致頂錘碳量不均勻，密度不均勻；
③.亞微細(xì)混合料因粒度偏細(xì)，壓制時易出現(xiàn)分層、裂紋；燒結(jié)活性大，燒結(jié)溫度低且范圍窄；
④.由于其SBP成型劑不能在一體式脫蠟燒結(jié)爐中脫除收集，只能先在脫蠟爐中低溫脫蠟，再進(jìn)行低壓燒結(jié)，對于亞微細(xì)混合料生產(chǎn)的半成品來說，分段式脫蠟、燒結(jié)過程中增氧導(dǎo)致碳量控制不穩(wěn)定，尤其是對于大尺寸頂錘，長時間脫除表面碳量損失大，過程增氧則又加大了頂錘的碳梯度，從而影響頂錘質(zhì)量，降低使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種材質(zhì)抗壓強(qiáng)度更高、 抗彎強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)細(xì)而均勻，工藝流程短，批量控制穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低的用于合成金剛石復(fù)合片的硬質(zhì)合金頂錘，能提高頂錘在惡劣使用環(huán)境下的使用壽命。
本發(fā)明的用于合成金剛石復(fù)合片的硬質(zhì)合金頂錘，粘結(jié)相鈷的質(zhì)量百分比為 6 % 9 %，添加劑為Cr或Ta的碳化物，其質(zhì)量百分比為粘接相的2. 0 % 8. 5 %，余量為 WC,其特征在于所述硬質(zhì)合金頂錘中WC平均晶粒度為0. 8 1. 2 μ m，且WC最大晶粒度 (10 μ m。作為改進(jìn)，添加劑為粘接相的2. 4% 8. 0% ；硬質(zhì)合金頂錘中WC平均晶粒度為 0. 8 1. 0 μ m，且WC最大晶粒度彡5 μ m。本發(fā)明的用于合成金剛石復(fù)合片的硬質(zhì)合金頂錘的制備方法，依次包括
(1)將WC原料粉末進(jìn)行分級篩選；
(2)添加劑預(yù)磨后，與分級篩選的WC原料粉末、粘結(jié)相和成型劑一起碾磨，獲得濕磨混合料；所述成型劑能溶于濕磨介質(zhì)；
(3)濕磨混合料噴霧干燥、冷等靜壓壓制、一體式脫蠟低壓燒結(jié)，獲得所述硬質(zhì)合金頂
鍾ο所述分級篩選獲得的WC粉為Hcp值為9. 5 11、且馬爾文粒度分布在0 1 μ m 間的比例小于8. 0%、10 15 μ m間的比例小于1. 0%的3 μ m的WC粉。所述預(yù)磨在濕磨機(jī)中進(jìn)行且時間為2 6小時；所述濕磨的時間彡50小時。所述一體式脫蠟低壓燒結(jié)中低壓為6Mpa lOMpa。由于本發(fā)明從原料選擇、抑制劑加入種類和方式、滿足穩(wěn)定控制的混合料制備、燒結(jié)工藝三方面入手，細(xì)化WC晶粒，使抑制劑分散均勻，解決細(xì)顆粒頂錘壓制難度大，碳氧控制不穩(wěn)定，燒結(jié)易產(chǎn)生孔隙問題來實現(xiàn)本發(fā)明的目的。具體如下
①.添加晶粒抑制劑，使中顆粒頂錘的WC晶粒度降低一檔，既由原來的1.2 1.6μπι 降至0. 8 1. 2 μ m，同時采用中顆粒(Fsss粒度2 3 μ m) WC原料通過氣流分級，其Hcp 值、粒度分布得到控制，雙項保證使合金晶粒均勻性得到控制，最大晶粒尺寸< IOym ；
②.晶粒抑制劑在配料時加入，在生產(chǎn)控制中是最為簡單、易控的方式，但均勻性往往達(dá)不到要求。發(fā)明的方法是晶粒抑制劑先在濕磨機(jī)中預(yù)磨2 6小時，使抑制劑磨細(xì)并均勻地分散在研磨體及研磨介質(zhì)中；成型劑溶于濕磨介質(zhì)，加入濕磨機(jī)中與抑制劑充分混合； 通過噴霧干燥，使各種原料及成型劑充分混合均勻，混合料粒度均勻，達(dá)到頂錘碳量均勻， 密度均勻的目的；
③.添加晶粒抑制劑，采用Cr3C2或TaC，添加量為粘結(jié)相質(zhì)量百分比的2.0% 8. 5 %，可使硬度HRA提高0. 5以上，抗彎強(qiáng)度提高最大15 %，從而提高抗壓強(qiáng)度，保證抗沖擊性能；
④.采用氣流分級選取和控制WC原料的粒度及分布，與抑制劑加入方式及加量的合理匹配，使?jié)衲o需長時間的強(qiáng)化球磨，與普通頂錘球磨時間50小時)一致，就能得到所需的合金晶粒度；成型劑粘結(jié)性能好且溶于濕磨介質(zhì)，壓制壓力低，成型性好，因此，與普通頂錘料相比，壓制壓力基本不增加，壓制性能好，混合料增氧也很少，燒結(jié)的活性基本保持不變；
⑤.采用一體式脫蠟低壓燒結(jié)工藝，溫度1440°C 1480°C、壓力為6Mpa IOMpa的燒結(jié)參數(shù)，脫蠟燒結(jié)過程碳氧控制穩(wěn)定，燒結(jié)可控溫度區(qū)間大，合金孔隙低，從而使頂錘質(zhì)量穩(wěn)定，保證材質(zhì)最佳性能；
⑥.生產(chǎn)工藝流程為濕磨+噴霧干燥+壓制+脫蠟低壓燒結(jié)，生產(chǎn)工序簡化，質(zhì)量控制穩(wěn)定，大批生產(chǎn)成本低，利于批量生產(chǎn)組織。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，相同的鈷含量下，制備的頂錘HRA硬度提高0.5以上，抗彎強(qiáng)度最大可提高15%，硬質(zhì)合金頂錘合金致密度高，孔隙接近Α00Β00，晶粒細(xì)而均勻，頂錘中的WC平均晶粒度為0. 8 1. 2 μ m，且WC最大晶粒度彡10 μ m,并進(jìn)一步優(yōu)化，使得頂錘中WC平均晶粒度為0. 8 1. 0 μ m，且WC最大晶粒度彡5 μ m ；添加劑為粘接相的2. 0% 8.5%。本發(fā)明制備的硬質(zhì)合金頂錘使用壽命提高了 1倍多，完全滿足了合成金剛石復(fù)合片的要求。


圖1是本發(fā)明的原料——中顆粒WC粉的掃描電鏡照片(5000X)。 圖2是本發(fā)明的噴霧干燥料的立體顯微鏡照片(16X)。圖3是本發(fā)明的硬質(zhì)合金頂錘的金相顯微鏡照片(1000X )。
具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明選用的WC，經(jīng)過氣流分級處理，篩選出的Hcp值為9. 5 11、且馬爾文粒度分布在0 1 μ m間的比例小于8. 0 %、10 15 μ m間的比例小于1. 0 %的3 μ m的WC粉。 其大小及形貌見圖1。將抑制劑在濕磨機(jī)中預(yù)磨2 6小時后，加入原料WC、Co、成型劑，在濕磨機(jī)中不超過50小時碾磨，使抑制劑充分分散；然后進(jìn)行噴霧干燥，噴霧干燥料的立體顯微鏡照片見圖2 ；噴霧干燥料進(jìn)行冷等靜壓壓制、一體式脫蠟低壓燒結(jié)，在6Mpa IOMpa 壓力燒結(jié)出硬質(zhì)合金頂錘。合金的WC平均晶粒度為0.8 1.2 μ m，WC最大尺寸不大于 IOym0其金相顯微鏡照片見圖3。實施例1 在六面頂壓機(jī)上合成Φ 13. 44mm復(fù)合片所使用的六面頂錘，其直徑為 Φ 103mm
根據(jù)本發(fā)明的WC選取方法，對3 μ m的WC進(jìn)行氣流分級，得到出Hcp值為10. 6，馬爾文粒度分布0 1 μ m的比例為5. 0%，10 15 μ m的比例為0. 8%的WC粉；采用占原料總質(zhì)量7. 8%的粘接相Co ；抑制劑TaC或Cr3C2為Co質(zhì)量百分比的2. 0% 4. 0%,先預(yù)磨2 6 小時，再加入Co粉、余量的分級篩選WC粉，以及可溶于酒精濕磨介質(zhì)的成型劑，在濕磨機(jī)中碾磨不超過50小時，使抑制劑充分分散，然后濕磨混合料噴霧干燥，噴霧干燥料冷等靜壓壓制，一體式脫蠟低壓燒結(jié)，在 IOMVa壓力燒結(jié)出硬質(zhì)合金頂錘，其性能參數(shù)為硬度HRA90. 7，抗壓強(qiáng)度4700 Mpa,抗彎強(qiáng)度3900MPa，頂錘中WC平均晶粒度1. 0 μ m、最大尺寸4 μ m，粘結(jié)相分布均勻，孔隙度Α00Β00。通過使用跟蹤，該頂錘承受了兩次放炮才裂，使用壽命為6150次，比常規(guī)平均壽命3000次提高了 1倍多。實施例2 在兩面頂壓機(jī)上合成Φ 19. 05mm復(fù)合片所使用的兩面頂錘，其頂面直徑為Φ 50mm。根據(jù)本發(fā)明的WC選取方法，對3 μ m的WC進(jìn)行氣流分級，得到出Hcp值為10. 4，馬爾文粒度分布0 1 μ m的比例為4. 2%，10 15 μ m的比例為0. 5%的WC粉；采用占原料總質(zhì)量6. 0%的粘接相Co ；抑制劑Cr3C2或TaC為Co質(zhì)量百分比的5. 0% 7. 7%，先預(yù)磨2 6小時，再加入Co粉、余量的分級篩選WC粉，以及可溶于酒精濕磨介質(zhì)的成型劑，在球磨機(jī)中碾磨不超過50小時，使抑制劑充分分散；然后濕磨混合料噴霧干燥，噴霧干燥料冷等靜壓壓制，一體式脫蠟低壓燒結(jié)，在 IOMI^a壓力燒結(jié)出硬質(zhì)合金頂錘，合金材質(zhì)性能 硬度HRA 91. 8，抗壓強(qiáng)度5190 Mpa,抗彎強(qiáng)度四00 MPa,頂錘中WC平均晶粒度0. 8 μ m、最大尺寸4 μ m，粘結(jié)相分布均勻，孔隙度Α00Β00。通過使用跟蹤，該頂錘的使用壽命為4875次，大大超過常規(guī)兩面頂?shù)氖褂脡勖?。實施?:在六面頂壓機(jī)上合成Φ 16mm復(fù)合片所使用的六面頂錘，其直徑為 Φ 122mm。根據(jù)本發(fā)明的WC選取方法，對3μπι的WC進(jìn)行氣流分級，得到出Hcp值為10.8， 馬爾文粒度分布0 1 μ m的比例為4. 8%，10 15 μ m的比例為0. 3%的WC粉；采用占原料總質(zhì)量8. 2%的粘接相Co ；抑制劑Cr3C2或TaC為Co質(zhì)量百分比的2. 2% 4. 2%，先預(yù)磨 2 6小時，再加入Co粉、余量的分級篩選WC粉，以及可溶于酒精濕磨介質(zhì)的成型劑，在濕磨機(jī)中不超過50小時碾磨，使抑制劑充分分散，噴霧干燥后，冷等靜壓壓制，一體式脫蠟低壓燒結(jié)，在6Mpa IOMpa壓力燒結(jié)出合金頂錘，合金材質(zhì)性能硬度HRA 90. 6，抗壓強(qiáng)度 4615Mpa，抗彎強(qiáng)度3850Mpa，合金WC晶粒度1. 0 μ m，最大尺寸4. 5 μ m，粘結(jié)相分布均勻，孔隙度 Α00Β00。通過使用跟蹤，該頂錘平均使用壽命為8250次，接近常規(guī)六面頂錘的3倍。由于該材質(zhì)能滿足合成金剛石復(fù)合片頂錘提高使用壽命的要求，金剛石復(fù)合片又是頂錘使用環(huán)境最苛刻的品種，因此，將此材質(zhì)推廣到整個超硬材料超高壓合成使用，均可在降低錘耗，提高使用壽命上產(chǎn)生顯著效果，推動行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。
權(quán)利要求
1.一種合成金剛石復(fù)合片用硬質(zhì)合金頂錘，粘結(jié)相鈷的質(zhì)量百分比為6% 9%，添加劑為Cr或Ta的碳化物，其質(zhì)量百分比為粘接相的2. 0% 8. 5%，余量為1(，其特征在于 所述硬質(zhì)合金頂錘中WC平均晶粒度為0. 8 1. 2 μ m，且WC最大晶粒度彡10 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成金剛石復(fù)合片用硬質(zhì)合金頂錘，其特征在于所述添加劑質(zhì)量百分比為粘接相的2. 4% 8. 0% ；所述硬質(zhì)合金頂錘中WC平均晶粒度為0. 8 1. 0 μ m，且WC最大晶粒度< 5 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的合成金剛石復(fù)合片用硬質(zhì)合金頂錘的制備方法，依次包括(1)將WC原料粉末進(jìn)行分級篩選；(2)添加劑預(yù)磨后，與分級篩選的WC原料粉末、粘結(jié)相和成型劑一起碾磨，獲得濕磨混合料；所述成型劑能溶于濕磨介質(zhì)；(3)濕磨混合料噴霧干燥、冷等靜壓壓制、一體式脫蠟低壓燒結(jié)，獲得所述硬質(zhì)合金頂鍾ο
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的合成金剛石復(fù)合片用硬質(zhì)合金頂錘的制備方法，其特征在于所述分級篩選獲得的WC粉的HCP值為9. 5 11、且馬爾文粒度分布在0 1 μ m間的比例小于8. 0%、10 15 μ m間的比例小于1. 0%的3 μ m的WC粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的合成金剛石復(fù)合片用硬質(zhì)合金頂錘的制備方法，其特征在于所述預(yù)磨在濕磨機(jī)中進(jìn)行且時間為2 6小時；所述濕磨的時間彡50小時。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的合成金剛石復(fù)合片用硬質(zhì)合金頂錘的制備方法，其特征在于所述一體式脫蠟低壓燒結(jié)中低壓為6Mpa lOMpa。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種材質(zhì)抗壓強(qiáng)度更高、抗彎強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)細(xì)而均勻、用于合成金剛石復(fù)合片的硬質(zhì)合金頂錘，粘結(jié)相鈷的質(zhì)量百分比為6％～9％，添加劑為Cr或Ta的碳化物，其質(zhì)量百分比為粘接相的2.0％～8.5％，余量為WC,所述硬質(zhì)合金頂錘中WC平均晶粒度為0.8～1.2μm，且WC最大晶粒度≤10μm；其制備方法，依次包括WC原料粉末進(jìn)行分級篩選；添加劑預(yù)磨后與WC原料粉末、粘結(jié)相和成型劑一起碾磨，獲得的濕磨混合料經(jīng)噴霧干燥、冷等靜壓壓制、一體式脫蠟低壓燒結(jié)，獲得所述硬質(zhì)合金頂錘；本發(fā)明工藝流程短，批量控制穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低，且能大大提高頂錘使用壽命。
文檔編號B01J3/06GK102350269SQ20111028729
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月26日
發(fā)明者孟小衛(wèi), 彭文, 李重漸 申請人:株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司