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，其包括三組六個頂錘組件，各個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)在頂錘周圍形成過盈配合，活塞通過墊塊對頂錘施力，且各個頂錘組件的活塞同步推動相應(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。
【專利說明】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，通過混合料制備、壓制成型和高溫?zé)Y(jié)來生產(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，它們工作時常受各種應(yīng)力的作用，通常當(dāng)最大主應(yīng)力超過硬質(zhì)合金材料的極限強(qiáng)度時，制品就發(fā)生破壞。同時，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，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盈配合的方式給硬質(zhì)合金制品添加外套，該外套對制品施加預(yù)緊力，該預(yù)緊力抵消制品使用時受到的拉應(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，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)，上部棱臺狀結(jié)構(gòu)以及兩者之間的過渡部分，其中，所述上部棱臺狀結(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，包括三組六個頂錘組件，各個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)在所述頂錘周圍形成過盈配合，以對所述頂錘施加徑向預(yù)緊力，所述活塞構(gòu)造為能夠通過所述墊塊對所述頂錘施力，且各個頂錘組件的活塞構(gòu)造為能夠同步推動相應(yīng)的頂錘，從而對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)針對分析得出的所述最大主應(yīng)力的方向和位置，設(shè)計預(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)驗證并確認(rèn)上述過程是否得到符合條件的硬質(zhì)合金制品。
【專利附圖】

【附圖說明】
[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]在一個實施例中，所述表層中的預(yù)應(yīng)力是該表層中的殘余應(yīng)力。
[0025]在一個實施例中，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所受的外部應(yīng)力方向相反。
[0026]在一個實施例中，所述表層中的預(yù)應(yīng)力存在于所述表層的一部分中。
[0027]在一個實施例中，這種硬質(zhì)合金制品可通過如下方式形成:
(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)針對所分析出的最大主應(yīng)力的方向和位置，設(shè)計硬質(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)驗證并確認(rèn)上述過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(以下簡稱頂錘)為例來闡述具有帶預(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，其中顯示了四個頂錘組件，各個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)力超過材料的許用抗拉強(qiáng)度。頂錘46°斜面中心對稱線是最容易產(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。頂錘工作時受交變的外載應(yīng)力與熱應(yīng)力的作用，其46°斜面中心對稱線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，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]在一個實施例中，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(以下簡稱預(yù)應(yīng)力頂錘)。
[0033]在一個實施例中，該頂錘包括下部圓柱體結(jié)構(gòu)、上部棱臺狀結(jié)構(gòu)以及兩者之間的過渡部分，其中，棱臺狀結(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]在一個實施例中，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如下方式驗證:
在獲得預(yù)應(yīng)力硬質(zhì)合金頂錘后，通過X射線衍射測量樣品的彈性應(yīng)變從而求取應(yīng)力值。測量分析顯示，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個為一組，在Φ460mm缸徑六面頂壓機(jī)上進(jìn)行試驗。對照組是同規(guī)格同牌號的普通頂錘。試驗結(jié)果是:對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，是對照組頂錘的4倍以上。
[0037]目前，國內(nèi)各種噸位的現(xiàn)役六面頂壓機(jī)總數(shù)約5000臺，年產(chǎn)人造金剛石逾120億克拉，頂錘年消耗量為60萬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)用場合是六面頂壓機(jī)(簡稱六面頂)。
[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，且長時間工作在高溫環(huán)境下。
[0041]如圖所示，在六面頂壓機(jī)上安裝了三組六個頂錘組件(顯示了其中四個)，每個組件均由頂錘1、預(yù)緊環(huán)2、活塞3和墊塊4構(gòu)成。通過過盈配合，預(yù)緊環(huán)2對頂錘I施加一定的徑向預(yù)緊力。活塞3通過墊塊4對頂錘I施力。在人造金剛石合成過程中，在六個活塞3(例如液壓缸活塞)的同步推動下，各個頂錘I同時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)從六個方向(上下左右前后)通過頂錘I同時向中心加壓，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，對其中至少一對頂錘組件通電，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)合金制品使用時產(chǎn)生的應(yīng)力方向相反、形成相互抵消作用，既不依賴硬質(zhì)合金材料強(qiáng)度的提高，也無需加預(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)不需增加專用設(shè)備，不需大量增加成本。
[0043]此外，因為本發(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)于若干個示例性實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)用來形成本發(fā)明的其它可行實施例。為了簡短以及考慮到本領(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，但是由所附若干個權(quán)利要求或以別的方式包含的所有組合和可行實施例意圖為本申請的一部分。另外，根據(jù)本發(fā)明的若干個示例性實施例的上面的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到改進(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)顯而易見的是，前述內(nèi)容僅涉及本申請的所描述的實施例，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)，上部棱臺狀結(jié)構(gòu)以及兩者之間的過渡部分，其中，所述上部棱臺狀結(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，包括三組六個頂錘組件，各個頂錘組件均包括根據(jù)權(quán)利要求6至8中的任一項所述的頂錘(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)周圍形成過盈配合，以對所述頂錘(I)施加徑向預(yù)緊力，所述活塞(3)構(gòu)造為能夠通過所述墊塊(4)對所述頂錘(I)施力，且各個頂錘組件的活塞(3)構(gòu)造為能夠同步推動相應(yīng)的頂錘(I)，從而對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)針對分析得出的所述最大主應(yīng)力的方向和位置，設(shè)計預(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)驗證并確認(rèn)上述過程是否得到符合條件的硬質(zhì)合金制品。
【文檔編號】B01J3/06GK103537231SQ201210246667
【公開日】2014年1月29日 申請日期: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 申請人:湖南博云東方粉末冶金有限公司