硬質(zhì)合金制品及其形成方法、頂錘及金剛石成型設(shè)備的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種硬質(zhì)合金制品及其形成方法、頂錘及金剛石成型設(shè)備。提供了一種包括自身帶有預(yù)應(yīng)力的主體的硬質(zhì)合金制品。還提供了一種頂錘，其包括由上述硬質(zhì)合金制品制成的錘體。此外，本發(fā)明還提供了一種金剛石成型設(shè)備，其包括三組六個(gè)頂錘組件，各個(gè)頂錘組件均包括前述頂錘、預(yù)緊環(huán)、活塞和墊塊，其中，預(yù)緊環(huán)在頂錘周?chē)纬蛇^(guò)盈配合，活塞通過(guò)墊塊對(duì)頂錘施力，且各個(gè)頂錘組件的活塞同步推動(dòng)相應(yīng)的頂錘。本發(fā)明還提供了一種形成上述硬質(zhì)合金制品的方法。
【專(zhuān)利說(shuō)明】硬質(zhì)合金制品及其形成方法、頂錘及金剛石成型設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種帶有預(yù)應(yīng)力的硬質(zhì)合金制品以及使用該預(yù)應(yīng)力硬質(zhì)合金制品的頂錘和金剛石成型設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]硬質(zhì)合金是一種可通過(guò)粉末冶金生產(chǎn)工藝制成的合金產(chǎn)品，具體而言，可利用碳化物粉末(例如碳化鎢粉末)、金屬粉末(例如鈷粉)以及少量添加劑，通過(guò)混合料制備、壓制成型和高溫?zé)Y(jié)來(lái)生產(chǎn)出硬質(zhì)合金制品。
[0003]目前，硬質(zhì)合金以其很高的硬度和耐磨性、很高的抗壓強(qiáng)度、很高的彈性模量、較小的熱膨脹系數(shù)和很好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)使得它在耐磨材料、現(xiàn)代工具材料等方面占據(jù)重要地位。
[0004]然而，硬質(zhì)合金是脆性材料，它上述的這些優(yōu)點(diǎn)很難和較高的抗彎強(qiáng)度以及較高的沖擊韌性兼而有之。
[0005]各種各樣硬質(zhì)合金制品的工況條件是復(fù)雜的，它們工作時(shí)常受各種應(yīng)力的作用，通常當(dāng)最大主應(yīng)力超過(guò)硬質(zhì)合金材料的極限強(qiáng)度時(shí)，制品就發(fā)生破壞。同時(shí)，硬質(zhì)合金制品內(nèi)部也可能存在殘余應(yīng)力，如果內(nèi)部應(yīng)力與工作時(shí)受的應(yīng)力形成疊加，則加速制品的破壞。
[0006]為了提高硬質(zhì)合金制品的使用壽命，人們拼命提高硬質(zhì)合金材料的強(qiáng)度(抗彎強(qiáng)度)，以提高材料的許用應(yīng)力。雖然實(shí)現(xiàn)了一定的改進(jìn)，但提高硬質(zhì)合金材料的強(qiáng)度需花費(fèi)很大的成本和代價(jià)，且強(qiáng)度的提高是有限度的。
[0007]目前常用的提高硬質(zhì)合金制品強(qiáng)度的方法還包括用過(guò)盈配合的方式給硬質(zhì)合金制品添加外套，該外套對(duì)制品施加預(yù)緊力，該預(yù)緊力抵消制品使用時(shí)受到的拉應(yīng)力中的一部分，有利于提高硬質(zhì)合金制品的使用壽命。但是就各使用工況而言，加預(yù)緊力外套常常受到限制。例如，在需要的部位能不能加(例如有沒(méi)有足夠位置加)預(yù)緊力外套，常常受到限制。以硬質(zhì)合金材料制成的頂錘為例，其失效主要是46°面上的拉應(yīng)力破壞，雖然可在外圓柱表面上增加徑向預(yù)緊力外套(如鋼套)來(lái)降低少部分頂錘主應(yīng)力，但最需要預(yù)緊力的斜面部分無(wú)法加外套，從而不能在最需要的部位產(chǎn)生徑向預(yù)緊力。此外，在應(yīng)用預(yù)緊力外套時(shí)，預(yù)緊力的大小與工件加工的形位精度和工件之間配合的過(guò)盈量等因素有關(guān)，加工精度或者配合精度等因素考慮或設(shè)定不當(dāng)，都可能使預(yù)緊力的大小與需要的不符，嚴(yán)重情況下甚至?xí)铀儆操|(zhì)合金制品的損壞。
[0008]因此，需要一種耐用度和使用壽命得到提高的改進(jìn)的硬質(zhì)合金制品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供了 一種硬質(zhì)合金制品，其包括自身帶有預(yù)應(yīng)力的主體。
[0010]在這種硬質(zhì)合金制品中，所述預(yù)應(yīng)力可包括存在于所述主體的表層中的預(yù)應(yīng)力。[0011 ] 在這種硬質(zhì)合金制品中，所述表層中的預(yù)應(yīng)力可為該表層中的殘余應(yīng)力。
[0012]在上述硬質(zhì)合金制品中，所述表層中的預(yù)應(yīng)力可與所述硬質(zhì)合金制品在正常工作時(shí)所受的外部應(yīng)力方向相反。
[0013]在上述硬質(zhì)合金制品中，所述表層中的預(yù)應(yīng)力可存在于所述表層的一部分中。
[0014]本發(fā)明還提供了一種用于生產(chǎn)人造金剛石的頂錘，其包括由上述硬質(zhì)合金制品制成的錘體。
[0015]在這種頂錘中，所述表層中的預(yù)應(yīng)力可與使用過(guò)程中所述錘體在46°大斜面上承受的拉應(yīng)力的作用方向相反。
[0016]在上述頂錘中，所述頂錘包括下部圓柱體結(jié)構(gòu)，上部棱臺(tái)狀結(jié)構(gòu)以及兩者之間的過(guò)渡部分，其中，所述上部棱臺(tái)狀結(jié)構(gòu)的外表面上設(shè)有預(yù)應(yīng)力，且所述下部圓柱體結(jié)構(gòu)上裝設(shè)有用于進(jìn)一步增大強(qiáng)度的預(yù)緊力外套。
[0017]本發(fā)明還提供了一種金剛石成型設(shè)備，包括三組六個(gè)頂錘組件，各個(gè)頂錘組件均包括上述頂錘、預(yù)緊環(huán)、活塞和墊塊，其中，所述預(yù)緊環(huán)在所述頂錘周?chē)纬蛇^(guò)盈配合，以對(duì)所述頂錘施加徑向預(yù)緊力，所述活塞構(gòu)造為能夠通過(guò)所述墊塊對(duì)所述頂錘施力，且各個(gè)頂錘組件的活塞構(gòu)造為能夠同步推動(dòng)相應(yīng)的頂錘，從而對(duì)放置在各頂錘組件形成的中心空腔中的試樣加壓，且至少一對(duì)所述頂錘組件構(gòu)造為能夠通電，以便加熱所述試樣。
[0018]本發(fā)明還提供了一種形成上述硬質(zhì)合金制品的方法，包括:
(1)分析預(yù)期的硬質(zhì)合金制品被破壞的形式，包括分析預(yù)期的硬質(zhì)合金制品使用中導(dǎo)致其破壞的最大主應(yīng)力的方向和位置；
(2)針對(duì)分析得出的所述最大主應(yīng)力的方向和位置，設(shè)計(jì)預(yù)期的硬質(zhì)合金制品所需要的預(yù)應(yīng)力的大小和方向；
(3)制備表層存在殘余應(yīng)力的硬質(zhì)合金制品；
(4)驗(yàn)證并確認(rèn)上述過(guò)程是否得到符合條件的硬質(zhì)合金制品。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1示出了六面頂壓機(jī)的工作部分的俯視圖，其中顯示了四個(gè)頂錘組件。
[0020]圖2是圖1所示的頂錘的投影正視圖。
[0021]圖3是頂錘的縱向裂紋和斷裂的圖示。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明提供了一種具有帶預(yù)應(yīng)力的主體的硬質(zhì)合金制品。
[0023]在這種硬質(zhì)合金制品中，所述預(yù)應(yīng)力可包括存在于所述主體的表層中的預(yù)應(yīng)力。
[0024]在一個(gè)實(shí)施例中，所述表層中的預(yù)應(yīng)力是該表層中的殘余應(yīng)力。
[0025]在一個(gè)實(shí)施例中，所述表層中的預(yù)應(yīng)力與所述硬質(zhì)合金制品在正常工作時(shí)所受的外部應(yīng)力方向相反。
[0026]在一個(gè)實(shí)施例中，所述表層中的預(yù)應(yīng)力存在于所述表層的一部分中。
[0027]在一個(gè)實(shí)施例中，這種硬質(zhì)合金制品可通過(guò)如下方式形成:
(1)分析硬質(zhì)合金制品主體被破壞的形式，包括分析硬質(zhì)合金制品主體使用中導(dǎo)致其破壞的最大主應(yīng)力的方向和位置；
(2)針對(duì)所分析出的最大主應(yīng)力的方向和位置，設(shè)計(jì)硬質(zhì)合金制品主體所需要的預(yù)應(yīng)力的大小和方向； (3)制備表層(到一定的深度)存在殘余應(yīng)力的硬質(zhì)合金制品主體(預(yù)應(yīng)力硬質(zhì)合金制品主體)；
(4)驗(yàn)證并確認(rèn)上述過(guò)程是否得到符合條件的硬質(zhì)合金制品。
[0028]下文以硬質(zhì)合金頂錘(以下簡(jiǎn)稱(chēng)頂錘)為例來(lái)闡述具有帶預(yù)應(yīng)力的主體的硬質(zhì)合金制品。
[0029]頂錘是生產(chǎn)人造金剛石時(shí)使用的一種重要消耗性工具。圖1示出了六面頂壓機(jī)的工作部分的俯視圖，其中顯示了四個(gè)頂錘組件，各個(gè)組件具有由形成有預(yù)應(yīng)力的硬質(zhì)合金制成的頂錘1，其中該頂錘I與預(yù)緊環(huán)2、活塞3和墊塊4 一起工作，對(duì)工作腔體5中的試樣加壓?？招募^所示方向即為加壓方向在紙面上的投影。
[0030]圖2顯示了圖1所示的頂錘的投影正視圖，其中各示意尺寸L，a，H，D以及標(biāo)注的角度尺寸限定了頂錘的外形。
[0031]頂錘的破壞通常是由于最大主應(yīng)力超過(guò)材料的許用抗拉強(qiáng)度。頂錘46°斜面中心對(duì)稱(chēng)線(xiàn)是最容易產(chǎn)生裂紋并導(dǎo)致破裂的位置，由此產(chǎn)生的縱向裂紋和斷裂(如圖3所示)占頂錘破壞總數(shù)的80%以上。參見(jiàn)王強(qiáng)，蔡冬梅等人在《重型機(jī)械》2004年第3期上發(fā)表的“基于三維有限元的六面頂頂錘應(yīng)力分析”，等。頂錘工作時(shí)受交變的外載應(yīng)力與熱應(yīng)力的作用，其46°斜面中心對(duì)稱(chēng)線(xiàn)下方存在的切向拉應(yīng)力，是產(chǎn)生縱向裂紋和斷裂的根本原因。也就是說(shuō)，頂錘最薄弱部位是46°大斜面，大部分頂錘是在該部位高水平拉應(yīng)力的反復(fù)作用下疲勞失效的。
[0032]在一個(gè)實(shí)施例中，為了獲得改進(jìn)抗斷裂性能的頂錘，在以上分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用預(yù)應(yīng)力硬質(zhì)合金頂錘制備技術(shù)(特殊工藝)生產(chǎn)了表層存在殘余壓應(yīng)力的硬質(zhì)合金頂錘，即預(yù)應(yīng)力硬質(zhì)合金頂錘(以下簡(jiǎn)稱(chēng)預(yù)應(yīng)力頂錘)。
[0033]在一個(gè)實(shí)施例中，該頂錘包括下部圓柱體結(jié)構(gòu)、上部棱臺(tái)狀結(jié)構(gòu)以及兩者之間的過(guò)渡部分，其中，棱臺(tái)狀結(jié)構(gòu)的外表面上設(shè)有預(yù)應(yīng)力，且下部圓柱體結(jié)構(gòu)上裝設(shè)有用于進(jìn)一步增大強(qiáng)度的預(yù)緊力外套。
[0034]在一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)應(yīng)力只存在于頂錘錘體的部分表面上。
[0035]該預(yù)應(yīng)力硬質(zhì)合金頂錘的性能可通過(guò)如下方式驗(yàn)證:
在獲得預(yù)應(yīng)力硬質(zhì)合金頂錘后，通過(guò)X射線(xiàn)衍射測(cè)量樣品的彈性應(yīng)變從而求取應(yīng)力值。測(cè)量分析顯示，預(yù)應(yīng)力頂錘表層存在殘余壓應(yīng)力。
[0036]以下試驗(yàn)呈現(xiàn)出預(yù)應(yīng)力頂錘的改進(jìn)的抗斷裂性能:
使預(yù)應(yīng)力頂錘以6個(gè)為一組，在Φ460mm缸徑六面頂壓機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)照組是同規(guī)格同牌號(hào)的普通頂錘。試驗(yàn)結(jié)果是:對(duì)照組頂錘的平均使用壽命為7000?8000次，預(yù)應(yīng)力頂錘的使用壽命大于30000次，是對(duì)照組頂錘的4倍以上。
[0037]目前，國(guó)內(nèi)各種噸位的現(xiàn)役六面頂壓機(jī)總數(shù)約5000臺(tái)，年產(chǎn)人造金剛石逾120億克拉，頂錘年消耗量為60萬(wàn)kg。如果全部使用預(yù)應(yīng)力硬質(zhì)合金頂錘則技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益可觀。
[0038]由此可知，預(yù)應(yīng)力頂錘的產(chǎn)品表層存在的殘余壓應(yīng)力與頂錘使用過(guò)程中在46°大斜面產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用方向相反，是相互抵消關(guān)系，顯著降低了頂錘在使用時(shí)該部位的拉應(yīng)力水平。因此，預(yù)應(yīng)力頂錘成倍地提高了頂錘的使用壽命。
[0039]如上所述的預(yù)應(yīng)力頂錘的一種示例性應(yīng)用場(chǎng)合是六面頂壓機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)六面頂)。
[0040]六面頂壓機(jī)，例如鉸式六面頂壓機(jī)，是合成人造金剛石常用的一種設(shè)備，其中頂錘是六面頂建立和承受超高壓合成壓力出?8 GPa)的關(guān)鍵零件，且長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫環(huán)境下。
[0041]如圖所示，在六面頂壓機(jī)上安裝了三組六個(gè)頂錘組件(顯示了其中四個(gè))，每個(gè)組件均由頂錘1、預(yù)緊環(huán)2、活塞3和墊塊4構(gòu)成。通過(guò)過(guò)盈配合，預(yù)緊環(huán)2對(duì)頂錘I施加一定的徑向預(yù)緊力?；钊?通過(guò)墊塊4對(duì)頂錘I施力。在人造金剛石合成過(guò)程中，在六個(gè)活塞3(例如液壓缸活塞)的同步推動(dòng)下，各個(gè)頂錘I同時(shí)施力于立方體葉蠟石試樣(其置于中心腔體(如立方體腔體)5中，且包圍被稱(chēng)為合成塊的用于生產(chǎn)金剛石的原料一碳(石墨)+觸媒)。具體而言，壓機(jī)從六個(gè)方向(上下左右前后)通過(guò)頂錘I同時(shí)向中心加壓，使試樣產(chǎn)生塑性變形，在各頂錘I的相鄰面之間形成密封墊，從而在合成塊內(nèi)部建立起合成金剛石所需的超高壓條件。同時(shí)，對(duì)其中至少一對(duì)頂錘組件通電，依靠合成塊內(nèi)部的電阻加熱產(chǎn)生高溫(例如，1400多度)。石墨在高溫高壓條件和觸媒作用下生成金剛石。
[0042]通過(guò)使硬質(zhì)合金制品的預(yù)應(yīng)力與硬質(zhì)合金制品使用時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力方向相反、形成相互抵消作用，既不依賴(lài)硬質(zhì)合金材料強(qiáng)度的提高，也無(wú)需加預(yù)緊力外套，就能有效降低硬質(zhì)合金制品在使用過(guò)程中的應(yīng)力，顯著提高了硬質(zhì)合金制品使用壽命。例如，如上所述，預(yù)應(yīng)力硬質(zhì)合金頂錘的使用壽命達(dá)到普通硬質(zhì)合金頂錘的4倍以上。相比于普通硬質(zhì)合金制備技術(shù)，預(yù)應(yīng)力硬質(zhì)合金制備技術(shù)不需增加專(zhuān)用設(shè)備，不需大量增加成本。
[0043]此外，因?yàn)楸景l(fā)明中的硬質(zhì)合金制品，例如頂錘，自身的主體具有預(yù)應(yīng)力，在需要預(yù)緊力的地方，相比普通硬質(zhì)合金+預(yù)緊力外套的方案，使用預(yù)應(yīng)力硬質(zhì)合金更方便。另夕卜，自身帶有預(yù)應(yīng)力的硬質(zhì)合金制品并不會(huì)妨礙使用某些其它提高產(chǎn)品強(qiáng)度的措施。例如，本發(fā)明的具有預(yù)應(yīng)力的硬質(zhì)合金制品也可同時(shí)裝設(shè)預(yù)緊力外套，以進(jìn)一步提高其強(qiáng)度，從而增加了提高硬質(zhì)合金制品強(qiáng)度的方法的多樣性。
[0044]如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的那樣，上面關(guān)于若干個(gè)示例性實(shí)施例描述的許多不同的特征和構(gòu)造可進(jìn)一步選擇性地應(yīng)用來(lái)形成本發(fā)明的其它可行實(shí)施例。為了簡(jiǎn)短以及考慮到本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的能力，未提供或詳細(xì)地描述所有的可行迭代，但是由所附若干個(gè)權(quán)利要求或以別的方式包含的所有組合和可行實(shí)施例意圖為本申請(qǐng)的一部分。另外，根據(jù)本發(fā)明的若干個(gè)示例性實(shí)施例的上面的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到改進(jìn)、改變和修改。在本領(lǐng)域技術(shù)內(nèi)的這樣的改進(jìn)、改變和修改也意圖由所附權(quán)利要求所覆蓋。另外，應(yīng)當(dāng)顯而易見(jiàn)的是，前述內(nèi)容僅涉及本申請(qǐng)的所描述的實(shí)施例，并且可在本文中作出許多改變和修改，而不脫離所附權(quán)利要求及其等效方案所限定的本申請(qǐng)的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種硬質(zhì)合金制品，其特征在于，包括自身帶有預(yù)應(yīng)力的主體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)合金制品，其特征在于，所述預(yù)應(yīng)力包括存在于所述主體的表層中的預(yù)應(yīng)力。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硬質(zhì)合金制品，其特征在于，所述表層中的預(yù)應(yīng)力是該表層中的殘余應(yīng)力。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的硬質(zhì)合金制品，其特征在于，所述表層中的預(yù)應(yīng)力與所述硬質(zhì)合金制品在正常工作時(shí)所受的外部應(yīng)力方向相反。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的硬質(zhì)合金制品，其特征在于，所述表層中的預(yù)應(yīng)力存在于所述表層的一部分中。
6.一種用于生產(chǎn)人造金剛石的頂錘，其特征在于，包括由權(quán)利要求4或5所述的硬質(zhì)合金制品制成的錘體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的頂錘，其特征在于，所述表層中的預(yù)應(yīng)力與使用過(guò)程中所述錘體在46°大斜面上承受的拉應(yīng)力的作用方向相反。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7中所述的頂錘，其特征在于，所述頂錘包括下部圓柱體結(jié)構(gòu)，上部棱臺(tái)狀結(jié)構(gòu)以及兩者之間的過(guò)渡部分，其中，所述上部棱臺(tái)狀結(jié)構(gòu)的外表面上設(shè)有預(yù)應(yīng)力，且所述下部圓柱體結(jié)構(gòu)上裝設(shè)有用于進(jìn)一步增大強(qiáng)度的預(yù)緊力外套。
9.一種金剛石成型設(shè)備，其特征在于，包括三組六個(gè)頂錘組件，各個(gè)頂錘組件均包括根據(jù)權(quán)利要求6至8中的任一項(xiàng)所述的頂錘(I)、預(yù)緊環(huán)(2)、活塞(3)和墊塊(4)，其中，所述預(yù)緊環(huán)(2)在所述頂錘(I)周?chē)纬蛇^(guò)盈配合，以對(duì)所述頂錘(I)施加徑向預(yù)緊力，所述活塞(3)構(gòu)造為能夠通過(guò)所述墊塊(4)對(duì)所述頂錘(I)施力，且各個(gè)頂錘組件的活塞(3)構(gòu)造為能夠同步推動(dòng)相應(yīng)的頂錘(I)，從而對(duì)放置在各頂錘組件形成的中心空腔(5)中的試樣加壓，且至少一對(duì)所述頂錘組件構(gòu)造為能夠通電，以便加熱所述試樣。
10.一種形成根據(jù)權(quán)利要求3 - 5中的任一項(xiàng)所述的硬質(zhì)合金制品的方法，包括: (1)分析預(yù)期的硬質(zhì)合金制品被破壞的形式，包括分析預(yù)期的硬質(zhì)合金制品使用中導(dǎo)致其破壞的最大主應(yīng)力的方向和位置； (2)針對(duì)分析得出的所述最大主應(yīng)力的方向和位置，設(shè)計(jì)預(yù)期的硬質(zhì)合金制品所需要的預(yù)應(yīng)力的大小和方向； (3)制備表層存在殘余應(yīng)力的硬質(zhì)合金制品； (4)驗(yàn)證并確認(rèn)上述過(guò)程是否得到符合條件的硬質(zhì)合金制品。
【文檔編號(hào)】B01J3/06GK103537231SQ201210246667
【公開(kāi)日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2012年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月17日
【發(fā)明者】李詠俠, 鄒丹, 劉艷軍, 肖可夫, 程許林 申請(qǐng)人:湖南博云東方粉末冶金有限公司