專利名稱：：高壓合成金剛石用的硬質(zhì)合金頂錘的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及硬質(zhì)合金領(lǐng)域，特別一種新型的高壓合成金剛石用的硬質(zhì)合金頂錘。眾所周知，硬質(zhì)合金頂錘是合成金剛石生產(chǎn)中高溫高壓裝置的關(guān)鍵性部件，該頂錘在惡劣的高溫高壓環(huán)境中工作，并且始終處在加載、升溫、保壓、降溫、卸載這種交變的機械應力及熱沖擊的作用之下。對頂錘工作狀態(tài)的光彈分析、應力電測分析、有限元法計算分析表明了頂錘承受復雜的應力狀態(tài)。均質(zhì)的材料設(shè)計和目前所普遍采用的頂錘材料設(shè)計及產(chǎn)品不適應頂錘的這種復雜的受力狀態(tài)。以單缸工作噸位為400噸的頂錘為例，通過對光彈分析、電測應力分析及有限元法計算結(jié)果綜合分析，頂錘頂部中心承受最大的壓應力σ壓max＝5590MPa最大切應力作用在中心軸距頂面10.6mm處，σ切max＝1770MPa，最大拉應力作用在46°斜面對稱線下方，σ拉max＝363MPa。距頂錘頂面總高的上部區(qū)域承受壓應力、剪應力較高，頂錘46°斜面對稱線下方，頂錘周邊，頂錘中心距底高度處承受較高的拉應力。當用20分鐘合成高強金剛石時，通電瞬間及前5分鐘溫度急劇升高。頂錘的上工作平臺表面溫度達到600℃，邊緣為350℃，距上表面12mm處溫度達200℃，沿中心軸方向存在很大的溫度梯度場，頂錘上部約高度部分承受很大的熱沖擊。為適應頂錘的這種復雜的受力狀態(tài)和熱狀態(tài)，頂錘應具有特定的梯度結(jié)構(gòu)，這種特定的梯度結(jié)構(gòu)是滲透法工藝無法實現(xiàn)的。本發(fā)明的目的是提供一種具有沿頂錘高度從低到高漸進的膠結(jié)相梯度，從頂錘中心到周邊沿橫截面方向具有從低到高的漸進的膠結(jié)相結(jié)構(gòu)成其它相梯度的硬質(zhì)合金頂錘。本發(fā)明的另一個目的是提供一種在不同截面上的不同區(qū)域其材質(zhì)具有不同物理、力學、熱學性能的硬質(zhì)合金頂錘。頂部采用耐熱材料，使之具有優(yōu)秀的高溫性能和突出的耐熱裂及抗氧化性能。本發(fā)明的再一個目的是提供一種用于制造上述硬質(zhì)合金頂錘的工藝方法，即根據(jù)設(shè)計，在模具腔內(nèi)的不同部位裝入不同配比的混合料，然后壓制成型。本發(fā)明的最后但不是最不重要的目的是提供一些由不同混合料的配比和裝料方法所組成的制造硬質(zhì)合金頂錘的工藝方法。按照本發(fā)明的高壓金剛石用的硬質(zhì)合金頂錘，由硬質(zhì)合金(WC、TaC、Cr3C2、TaC/NbC等)和膠結(jié)相元素(Co、Ni、Cr等)所組成，從頂錘頂部即工作小平臺到頂錘底部，也即沿頂錘的高度方向具有從低到高含量的漸進的膠結(jié)相梯度結(jié)構(gòu)；從頂錘中心至頂錘周邊，即沿橫截面徑向，具有從低到高含量的膠結(jié)相梯度結(jié)構(gòu)；沿高度方向和沿橫截面徑向還具有與上述膠結(jié)相結(jié)構(gòu)相匹配的碳化鎢粒度梯度和其它碳化物相梯度。按照本發(fā)明的硬質(zhì)合金頂錘，由于具有上述結(jié)構(gòu)，使頂錘經(jīng)中心軸線的垂直截面和橫截面上的不同區(qū)域具有不同的物理力學及熱學性能。例如，頂錘頂部及頂部至底部高度的中心部位，這些區(qū)域的材質(zhì)具有高抗壓、抗剪切強度以及突出的耐熱裂性，頂錘周邊及底部區(qū)域的材質(zhì)具有較高的抗拉強度及斷裂韌性，頂錘壽命從普通頂錘的不足2500次提高到4000次以上。通電錘由不足1000次提高到2000次以上。按照本發(fā)明所提供的制造高壓金剛石的頂錘的方法，是按選定的成分配比和粒度組成混合料用特定的裝料工具在所選定的成型模具腔內(nèi)的不同部位裝入有不同配比和粒度組成的混合料。壓制成型，干燥后燒結(jié)成具有特定的膠結(jié)相及硬質(zhì)合金相梯度結(jié)構(gòu)的頂錘。所采用的特殊工具包括不銹鋼皮圓筒、裝料袋等。燒結(jié)溫度為1400～1450℃，時間為60～120分鐘。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作舉例說明。圖1為六面頂錘垂直剖面Co元素分布示意圖。圖2為沿圖1A-A截面Co元素分布示意圖。圖3為沿圖1B-B截面Co元素分布示意圖。圖4為六面頂錘垂直剖面實測硬度HRA的例子。圖5為二面頂錘垂直剖面實測硬度HRA的例子。圖6示出了頂錘WC-Co合金硬度HRA和KIC值的關(guān)系。圖7為WC-Co合金頂錘的硬度HRA和Co相平均自由程入的關(guān)系。圖8為具有不同成分、相結(jié)構(gòu)梯度頂錘的Co、Ta(或Nb、Cr)中心截面分布示意圖。圖9為沿圖8A-A線的Co分布圖。圖10為沿圖8A-A線的Ta(或Cr)的分布圖。圖11為六面頂錘的正視圖。圖12為圖9的俯視圖。圖13為六面頂錘DC625的頂錘墊塊正視圖。圖14為圖13的俯視圖。如圖1所示，六面頂錘垂直剖面的膠結(jié)相鈷Co元素分布從頂錘頂部即頂錘工作小平面到頂錘底部，即沿頂錘的高度方向具有從低到高含量的膠結(jié)相梯度結(jié)構(gòu)，在由WC和Co元素組成的頂錘中，Co元素可理解為膠結(jié)金屬元素。如圖2所示，沿六面頂錘垂直剖面中心線A-A，即沿高度方向的Co元素含量從頂部的5～7.5％逐漸增加到底部的7～9％。如圖3所示，沿六面頂錘的橫截面徑向Co元素含量從中心的5～7.5％逐漸增加到周邊的7～9％。如圖4所示，具有圖1所示的材料結(jié)構(gòu)的頂錘，其垂直剖面硬度的實測值顯示出從頂部到底部，從中心到周邊逐漸減少的情形。這種硬度分布適應頂錘的實際受力要求。圖5示出了與圖4同樣的趨勢，但這一例子取自二面頂錘。即不論是什么形式的頂錘，都具有相類似的膠結(jié)相結(jié)構(gòu)和硬度分布。如圖6所示，WC-Co(碳化鎢-鈷)合金頂錘的硬度隨著KIC(沖擊韌性)值的增加而減少，這一關(guān)系為人們設(shè)計頂錘硬度提供了依據(jù)。如圖7所示，WC-Co合金頂錘的硬度HRA隨著作為膠結(jié)元素Co的自由程入的增加而降低。要提高頂錘的硬度HRA，就應減少Co元素的自由程入。如圖8所示，在WC-TaC(或TaC/NaC，Cr3C2)-Co合金頂錘中，作為膠結(jié)相元素的Co，同樣呈現(xiàn)從頂部到底部，從中心向周邊逐漸增加的趨勢。如圖9所示，二面頂錘沿頂錘中心垂直剖面的中心線A-A，即沿高度方向的Co從頂部的5～7％逐漸增加到底面的7～9％。如圖10所示，Ta、Ta/Nb，或Cr的含量從頂部的0.8～1.5％Ta、Ta/Nb或≤0.5％Cr到高度處減少到零。還可以采用Co-Ni-Cr為膠結(jié)相材料，其配比為Co＝4～9％，Ni＝0～4％，Cr＝0～0.5％，TaC(或TaC/NbC)＝0～2％，其余為WC。如圖11～圖12所示，本發(fā)明的六面體頂錘有幾個關(guān)鍵尺寸頂錘頂面即工作小平臺邊長a，頂錘高度H，斜面的傾角α、圓錐臺底部直徑Φ，下部柱體梯度β即頂錘下部側(cè)面與垂直面夾角。下表給出了幾種尺寸實施例可供選擇</tables>如圖13、14所示，硬質(zhì)合金頂錘的墊塊主要尺寸有底圓柱直徑Φ1、頂圓柱直徑Φ2、墊塊全高H1、除去頂圓柱的高度H2。實施例DC625的墊塊尺寸為底圓柱直徑Φ1＝104±0.5mm頂圓柱直徑Φ2＝68±0.5mm墊塊全高H1＝44mm全高減去頂圓柱高度H2＝36mm實施例例1.混合料成分為碳化鎢(WC)和金屬鈷(Co)時，或碳化鎢(WC)、碳化鉭(TaC)和Co時，以WC-75％Co或WC-1％TaC-7.5％Co的混合料為A量，裝入特制的置于頂錘陰模腔中央的薄不銹鋼皮圓筒中，圓筒的周邊及模具腔上部裝入WC-8.5％Co的混合料B量，取出圓筒，將模腔內(nèi)混合料面刮理成凸面，壓制成型。不銹鋼皮圓筒外徑和模具腔內(nèi)徑之差≥20mm，A量必須保證壓制成型后的坯料中，從頂錘工作小平臺算起，WC-7.5％Co材質(zhì)占有以上(最好)的深度，B量必須保證在成品頂錘外圓周邊及底部，WC-8.5％Co材質(zhì)具有10mm以上的厚度。A量∶B量＝1∶1.5～3。所制得的硬質(zhì)合金頂錘具有所要求的合金梯度結(jié)構(gòu)組織。例2.混合料成分為碳化鎢(WC)、碳化鉻(Cr3C2)，鎳Ni和Co，以WC-0.5％Cr3C2-2.2％Ni-5.3％Co混合料為A量，其余操作方法和配料分布同例1。例3.混合料成分碳化鎢(WC)、碳化鉻(Cr3C2)和鈷(Co)，將混合料WC-0.5％Cr3C2-6.0％Co取C量，將其裝入模腔底部即頂錘工作小平面處，將WC-7.0％Co混合料取D量，用裝料袋裝到C量之上，選用WC-8％Co混合料取E量，用裝料袋裝到D量之上，將模腔內(nèi)上表面混合料刮理成凸面，壓制成型，將毛坯干燥或脫增塑劑后，在1400～1450℃溫度下燒結(jié)60～120分鐘。C量∶D量∶E量＝0.8～1∶0.8～1∶0.8～1。按照本發(fā)明的配比、形狀、制作工藝所制得的硬質(zhì)合金頂錘，耐熱沖擊性能和抗熱疲勞性能均好于普通頂錘。例如D6型鉸鏈式4800噸壓力機上使用本發(fā)明的DC625頂錘，通電錘平均壽命超過2000次，而常規(guī)頂錘不足1000次。本發(fā)明的硬錘抗沖擊性能、抗脆裂性能均好于通常頂錘。平均壽命在4000次以上。按照本發(fā)明的頂錘，不論其配料比、合金成分、還是外形尺寸、裝料方法和制造工藝，還可以有各種各樣的變化，在不超出本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容的條件下，都屬于本發(fā)明的保護范圍。權(quán)利要求1.一種高壓合成金剛石用的硬質(zhì)合金頂錘，由硬質(zhì)合金如WC、TaC、Cr3C2等和膠結(jié)相元素所組成，其特征在于1)從頂錘頂部即工作小平臺到頂錘底部，即沿高度方向具有從低到高含量的漸進的膠結(jié)相梯度結(jié)構(gòu)，2)從頂錘中心至頂錘周邊，即沿橫截面徑向具有從低到高含量的膠結(jié)相梯度結(jié)構(gòu)，3)沿高度方向和沿橫截面徑向還具有與上述膠結(jié)相結(jié)構(gòu)相匹配的碳化鎢WC粒度梯度和其它碳化物相梯度。2.根據(jù)權(quán)利要求1的硬質(zhì)合金頂錘，其特征在于以金屬鈷Co元素為膠結(jié)相元素時，頂錘高度方向的鈷Co元素含量從頂部的5～7.5％逐漸增加到底部的7～9％，沿橫截面徑向的鈷Co元素含量從中心的5～7.5％逐漸增加到周邊的7～9％。3.根據(jù)權(quán)利要求1的硬質(zhì)合金頂錘，其特征在于所述的其它碳化物可以選用Cr3C2、TaC、NbC的一種或幾種組合。4.根據(jù)權(quán)利要求1或3的硬質(zhì)合金頂錘，其特征在于在WC-TaC或TaC/NbC、Cr3C2-Co合金頂錘中，作為膠結(jié)相的鈷Co元素含量沿頂錘高度從頂面的5～7％增加到底面的7～9％，而Ta、Ta/Nb或Cr含量從頂部的0.8～1.5％Ta、Nb或≤0.5％Cr到高度處減少到零。5.根據(jù)權(quán)利要求1的硬質(zhì)合金頂錘，其特征在于采用Co-Ni-Cr為膠結(jié)相材料，其配比為Co＝4～9％，Ni＝0～4％，Cr＝0～0.5％，碳化鉭TaC或TaC/NbC＝0～2％，其余為WC。6.根據(jù)權(quán)利要求1的硬質(zhì)合金頂錘，其特征在于頂錘的尺寸可按下表選擇表中尺寸Φ——圓錐臺底部直徑a——頂錘頂面邊長α——頂錘斜面傾角H——頂錘的高度β——頂錘下部側(cè)面與垂直面的夾角。7.根據(jù)權(quán)利要求6的硬質(zhì)合金頂錘，其特征在于以所述的DC625頂錘為例，其墊塊尺寸為底圓柱直徑Φ1＝104±0.5mm，頂圓柱直徑Φ2＝68±0.5mm，墊塊全高H1＝44mm，全高減去頂圓柱高度的H2＝36mm。8.一種制作權(quán)利要求1的硬質(zhì)合金頂錘的方法，其特征在于按選定的成分配比和粒度組成混合料，用特定的裝料工具在所選定的成型模具腔內(nèi)的不同部位裝入有不同配比和粒度組成的混合料，然后壓制成型，干燥后在1400～1450℃溫度下進行燒結(jié)60～120分鐘。9.根據(jù)權(quán)利要求8的制作方法，其特征在于當選用的混合料成分為碳化鎢WC和金屬鈷Co元素時，取WC-7.5％Co的混合料為A量，用成型袋料裝入特制的置于頂錘陰模腔中央的薄不銹鋼皮圓筒中，圓筒的周邊及模具腔上部裝入WC-8.5％Co的混合料B量，抽出圓筒，將模腔內(nèi)混合料面刮理成凸面，壓制成型。不銹鋼皮圓筒外徑和模具腔內(nèi)徑之差≥20mm，A量必須保證壓制成型后的坯料中，從頂錘工作小平臺算起，WC-7.5％Co材質(zhì)占有以上的深度，B量必須保證在成品頂錘外圓周邊及底部，WC-8.5％Co材質(zhì)具有10mm以上的厚度，A量∶B量＝1∶1.5～3。10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的制作方法，其特征在于所選用的A量材質(zhì)為WC-0.5％Cr3C2-2.2％Ni-0.3％Co。11.根據(jù)權(quán)利要求8或9的制作方法，其特征在于所選用的A量材質(zhì)為WC-1％TaC-2.2％Ni-5.3％Co或WC-1％TaC/NbC-2.2％Ni-5.3％Co。12.根據(jù)權(quán)利要求8的制作方法，其特征在于選用混合料WC-0.5％Cr3C2-6.0％Co取C量，優(yōu)先裝入模具腔底部即頂錘工作小平面處，選用WC-7.0％Co混合料取D量，用裝料袋裝到C量之上，選用WC-8％Co混合料取E量，用裝料袋裝到D量之上，C量∶D量∶E量＝0.8～1∶0.8～1∶0.8～1，將模腔內(nèi)上表面混合料刮理成凸面，壓制成型。13.根據(jù)權(quán)利要求8或12的制作方法，其特征在于選用WC-0.5％Cr3C2-1.8％Ni-2.1％Co、WC-1％TaC-1.8％Ni-2.1％Co或WC-％TaC/NbC-1.8％Ni-2.1％Co為C量。全文摘要本發(fā)明提供一種高壓合成金剛石用的硬質(zhì)合金頂錘，從其頂部到底部，從中心到周邊，均具有從低到高的漸進的膠結(jié)相梯度，沿高度方向和橫截面方向還具有與上述膠結(jié)相結(jié)構(gòu)相匹配的材料粒度梯度。這種頂錘的制造方法是按選定的成分配比和粒度組成混合料，用特定的裝料工具在所選定的成型模腔內(nèi)的不同部位裝入不同配比混合料，壓制成型、干燥、燒結(jié)成頂錘。這種頂錘耐熱沖擊、熱疲勞性能、抗沖擊性能、抗脆裂性能均好于常規(guī)頂錘。文檔編號B01J3/06GK1154267SQ96102639公開日1997年7月16日申請日期1996年1月10日優(yōu)先權(quán)日1996年1月10日發(fā)明者栗大林申請人:鞍山鋼鐵公司