专利名称：一种制备硬质合金空心球体的模具及制备方法
技术领域：
本发明属于硬质合金材料中空心球体零件的制备技术领域。特别是提供了一种适用于各种硬质合金空心球体零件的工业化生产的硬质合金空心球体模具及制备方法。
背景技术：
硬质合金在国民经济中占有极重要的作用和地位，如在机械制造工业、石油工业、 矿业开采工业、交通运输工业、计算机制造，纺织、医疗、人造金刚石生产、聚乙烯原材料高压合成等，几乎遍及国民经济各个工业部门。近年来石油工业中抽油井底部单向阀，开始大量采用硬质合金球体零件。在机械零件制造中，也开始研究采用硬质合金球体的高速滚动轴承。对于硬质合金材质的性能来说，其具有极高的抗压强度和表面硬度，同时又具有极佳的红硬性，耐磨性和抗腐蚀性能， 这些优异的性能完全能胜任阀体和轴承零件的性能要求，但遗憾的是，硬质合金的比重一般较大，如YG8 YGlO合金的密度为(13. 4 15. 3克/厘米3)。这一缺点往往限制了硬质合金的应用范围。例如石油深井抽油球阀会因比重过大而造成出油量降低的理象。多年来为了解决这一矛盾，开始从零件的结构设计上进行了各种探讨，其中采用空心结构的硬质合金球体来制造单向阀球体的技术方案最为理想。近20年的文献检索可知，有关硬质合金空心球体的制备技术报导很少。已有的技术可分两类，其一是采用硬质合金混合粉的泥浆挂模(石膏模)成形法。其二是软模有芯压制成形法(包括石蜡球芯，聚胺脂球芯、锡或其它低熔点固态金属球芯)。第一种方法虽然容易制成空心球坯，但空心球坯的相对密度过低(28% 30%)，表面光洁度、尺寸精度均很差，烧结变形严重，脱蜡时间长，废品率太高，生产效率低、机械强度低、不适合于工业化大规模生产。第二种方法主要是低熔点的芯球，在熔化后必须经球壳体某处开孔放出，另外球壳体表面一般不是标准的球面，仍需机械加工才能制成球形毛坯，这种方法最大的缺点是由于芯球的变形很难控制，很容易造成球体壁厚不均勻，最终易形成重量偏心，故这种方法的生产效率很低，原材料消耗大，成品率也不高，不适合于大规模生产。本发明的目的是通过硬质合金空心球体的特种成形制备技术，利图从零件的总体密度上能够自由降低和改变，从而能达到进一步扩大硬质合金材料的应用范围。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种可以在很大范围内控制和改变空心球体的整体重量和密度，明显节省原材料，精确的控制空心球体的壁厚和防止重量偏心。产品表面光洁，大幅度提高了空心球体的抗压和抗冲击强度，且工艺简单成品率高，易于推广，适合工业化大批量生产的一种制备硬质合金空心球体的模具。本发明的技术方案是一种制备硬质合金空心球体的模具，该模具由上模(1)、下模和用于固定所述上模和下模的外套组成；其中，所述上模为球冠型组合上冲头，用于半球坯的内部成型；所述球冠型组合上冲头由采用同心圆套筒式结构，由内到外依次是上冲头I、上冲头II和上冲头III ；
所述下模由齿形压环和半球芯棒组成，所述齿形压环套接在所述半球芯棒外部；所述齿形压环的上端面为沿中心点向外辐射状的锯齿形端面，于半球坯的两个端面的成型；所述半球芯棒用于半球坯的内部成型；
所述外套由阴膜和外膜组成，所述外膜套接在所述阴膜外部。进一步，所述阴膜采用高强度高硬度的工具钢制造，所述外膜采用韧性很强的45 号钢制造。本发明的另一目的提供上述制备硬质合金空心球体模具的制备空心球体的方法， 具体包括以下步骤
1.先将球冠型组合上冲头由内到外依次上冲头I(11)、上冲头II (1 和上冲头 III (1 组合好，然后套接阴膜(31)和外膜(3 倒置在装粉垫上以保证上冲头I (11)、上冲头II (12)和上冲头III (13)精确的降低到装粉高度；
2.称取YGlO硬质合金混合料将混合料倒入成形模具内然后同时压入齿形压环(21)和半球芯棒(22)，打平后，再将模具倒置；
3.将装好粉料的模具置于油压机上，以压坯正压面上100 150MPa的压应力调好总压力，压制成半球坯，脱模后将半球坯的齿形端面朝向上方，放在石墨弧形凹面托架上，待第二个半球坯脱模后与其齿面啮合，形成一完整的球体成形毛坯；
4.将上述毛坯装入真空炉或H2气烧结炉中，在温度为1420士 5°C，进行60分烧结钎焊， 得到硬质合金空心球体。本发明的技术原理是，采用空心球体特殊的半球钢模成形模设计，并用两半球坯特殊的烧结纤焊结合面结构来提高球体零件的整体抗压，抗冲击强度。空心球体的整体密度(d。)是通过空心球体的空心体积V1与球总体积V2的比值(
u=寻)来决定，并按下式(1)计算
de = Md"'d^1) = P1(I-Il)(1)
(1)式又可成为下式
式中A为硬质合金材质的密度(克/厘米3LD1为球体空心处的直径(厘米)D2为球体外径(厘米)。若设球体外径为6 (厘米)球体空心处直径为3 (厘米)，A为14. 2克/厘米3则
j =14. 2 (1-芸)=12. 425 (克 / 厘米 3)。 216显然空心球体整体密度只为实心球体密度的87. 5%。若球体空心处直径为4 (厘米)，球体外径不变(6厘米)，则球体空心后的整体密度为之=9. 993克/厘米3
球体总重量由1605. 97克减少到1130. 137克。半球坯成形模具的设计是采用不等高制品一端冲头分型的原理，将半球面上部的整体成型冲头设计成三件上冲头I、上冲头II和上冲头III的同心圆套筒式的组合冲头，在装粉垫的帮助下可以解决不等高制品各区装粉高度和压缩比基本相等的难题。每个半球坯在最大直径处的端面上设计成沿中心点向外辐射状的锯齿形端面。在半球坯成形后将两半球坯的齿形端面相对啮合，放在石墨制成的半球弧形凹面托架上，在烧结过程中利用上半球坯的自重，将两半球烧结钎焊成一个整体。这种锯齿形端面的设计， 烧结钎焊后，可大大提高组合空心体烧结件的抗压，及抗冲击强度。本发明的优点
1、可以在很大范围内控制和改变空心球体的整体重量和密度，明显节省原材料。2、由于采用高精度的钢模成形和辐射状齿形端面，从而可精确的控制空心球体的壁厚和防止重量偏心。产品表面光洁。3、辐射状齿形端面，不仅保证了两半球啮合时的准确定位，而且大大增强了烧结钎焊面的面积和连接强度，从而大幅度提高了空心球体的抗压和抗冲击强度。4、工艺简单成品率高，易于推广，适合工业化大批量生产。5、经济效益，社会效益十分明显。
图1为本发明的制备硬质合金空心球体的模具的剖面结构示意图。图中
1.上模，11.上冲头I，12.上冲头II，，13.上冲头III，2.下模，21.齿形压环，
22 .半球芯棒，3.外套，31、阴膜，32、外膜，4半球坯。
具体实施例方式下面结合具体附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。如图1所示，本发明一种制备硬质合金空心球体的模具，该模具由上模1、下模2和用于固定所述上模1和下模2的外套3组成；
其中，所述上模1为球冠型组合上冲头，用于半球坯的内部成型；所述球冠型组合上冲头由采用同心圆套筒式结构，由内到外依次是上冲头I 11、上冲头II 12和上冲头III 13;
所述下模2由齿形压环21和半球芯棒22组成，所述齿形压环21套接在所述半球芯棒22外部；所述齿形压环21的上端面为沿中心点向外辐射状的锯齿形端面，用于于半球坯的两个端面的成型；所述半球芯棒22用于半球坯的内部成型；
所述外套3由阴膜31和外膜32组成，所述外膜32套接在所述阴膜31外部。本发明模具制备空心球体的工艺过程
制备YGlO硬质合金材质的空心球体(球外径为6 cm空心处直径4 cm)应按下例步骤完成。1.先将成型钢模倒置在装粉垫上以保证各分型上冲头I 11、上冲头II 12和上冲头III 13精确的降低到装粉高度。
2.称取YGlO硬质合金混合料(1605、978克)将混合料倒入成形钢模内然后同时压入齿形压环8和半球芯棒9，打平后，再将钢模倒置。3.在油压机上，以压坯正压面上(100 150MPa)的压应力调好总压力，压制成半球坯，脱模后将半球坯的齿形端面朝向上方，放在石墨弧形凹面托架上，待第二个半球坯脱模后与其齿面啮合，形成一完整的球体成形毛坯。4.将上述毛坯装入真空炉或H2气烧结炉中按1420士5°C，60分进行烧结钎辉，得到硬质合金空心球体。
权利要求
1.一种制备硬质合金空心球体的模具，该模具由上模(1)、下模( 和用于固定所述上模(1)和下模O)的外套C3)组成；其特征在于，所述上模(1)为球冠型组合上冲头，用于半球坯的内部成型；所述球冠型组合上冲头由采用同心圆套筒式结构，由内到外依次是上冲头I (11)、上冲头II (12)和上冲头III (13)；所述下模O)由齿形压环和半球芯棒0 组成，所述齿形压环套接在所述半球芯棒0 外部；所述齿形压环(21)的上端面为沿中心点向外辐射状的锯齿形端面， 用于半球坯的两个端面的成型；所述半球芯棒02)用于半球坯的内部成型；所述外套(3)由阴膜(31)和外膜(3 组成，所述外膜(3 套接在所述阴膜(31)外部。
2.根据权利要求1所述的制备硬质合金空心球体的模具，其特征在于，所述阴膜(31) 采用高强度高硬度的工具钢，所述外膜(3 采用韧性很强的45号钢。
3.根据权利要求1所述的制备硬质合金空心球体的模具制备空心球体的方法，其特征在于，具体包括以下步骤(1).先将球冠型组合上冲头由内到外依次上冲头I (11)、上冲头II (1 和上冲头 III (1 组合好，然后套接阴膜(31)和外膜(3 倒置在装粉垫上以保证上冲头I (11)、上冲头II (12)和上冲头III (13)精确的降低到装粉高度；(2 ).称取YGlO硬质合金混合料将混合料倒入成形模具内然后同时压入齿形压环(21) 和半球芯棒(22)，打平后，再将模具倒置；(3).将装好粉料的模具置于油压机上，以压坯正压面上100 150MPa的压应力调好总压力，压制成半球坯，脱模后将半球坯的齿形端面朝向上方，放在石墨弧形凹面托架上， 待第二个半球坯脱模后与其齿面啮合，形成一完整的球体成形毛坯；(4).将上述毛坯装入真空炉或H2气烧结炉中，在温度为1420士5°C，进行60分烧结钎焊，得到硬质合金空心球体。
全文摘要
本发明一种制备硬质合金空心球体的模具及制备方法。该模具由上模、下模和用于固定上模和下模的外套组成；本发明的很大范围内控制和改变空心球体的整体重量和密度，明显节省原材料，由于采用高精度的钢模成形和辐射状齿形端面，从而可精确的控制空心球体的壁厚和防止重量偏心。增强了烧结钎焊面的面积和连接强度，从而大幅度提高了空心球体的抗压和抗冲击强度。工艺简单成品率高，易于推广，适合工业化大批量生产，经济效益，社会效益十分明显。
文档编号B22F3/16GK102211190SQ20111013193
公开日2011年10月12日 申请日期2011年5月20日 优先权日2011年5月20日
发明者刘青, 吴成义, 季业, 戚君婷, 李阳阳, 贾磊, 辛延君, 郭志猛 申请人:北京科技大学