硬质合金制品及其形成方法、顶锤及金刚石成型设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种硬质合金制品及其形成方法、顶锤及金刚石成型设备。提供了一种包括自身带有预应力的主体的硬质合金制品。还提供了一种顶锤，其包括由上述硬质合金制品制成的锤体。此外，本发明还提供了一种金刚石成型设备，其包括三组六个顶锤组件，各个顶锤组件均包括前述顶锤、预紧环、活塞和垫块，其中，预紧环在顶锤周围形成过盈配合，活塞通过垫块对顶锤施力，且各个顶锤组件的活塞同步推动相应的顶锤。本发明还提供了一种形成上述硬质合金制品的方法。
【专利说明】硬质合金制品及其形成方法、顶锤及金刚石成型设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种带有预应力的硬质合金制品以及使用该预应力硬质合金制品的顶锤和金刚石成型设备。
【背景技术】
[0002]硬质合金是一种可通过粉末冶金生产工艺制成的合金产品，具体而言，可利用碳化物粉末(例如碳化钨粉末)、金属粉末(例如钴粉)以及少量添加剂，通过混合料制备、压制成型和高温烧结来生产出硬质合金制品。
[0003]目前，硬质合金以其很高的硬度和耐磨性、很高的抗压强度、很高的弹性模量、较小的热膨胀系数和很好的化学稳定性等特点使得它在耐磨材料、现代工具材料等方面占据重要地位。
[0004]然而，硬质合金是脆性材料，它上述的这些优点很难和较高的抗弯强度以及较高的冲击韧性兼而有之。
[0005]各种各样硬质合金制品的工况条件是复杂的，它们工作时常受各种应力的作用，通常当最大主应力超过硬质合金材料的极限强度时，制品就发生破坏。同时，硬质合金制品内部也可能存在残余应力，如果内部应力与工作时受的应力形成叠加，则加速制品的破坏。
[0006]为了提高硬质合金制品的使用寿命，人们拼命提高硬质合金材料的强度(抗弯强度)，以提高材料的许用应力。虽然实现了一定的改进，但提高硬质合金材料的强度需花费很大的成本和代价，且强度的提高是有限度的。
[0007]目前常用的提高硬质合金制品强度的方法还包括用过盈配合的方式给硬质合金制品添加外套，该外套对制品施加预紧力，该预紧力抵消制品使用时受到的拉应力中的一部分，有利于提高硬质合金制品的使用寿命。但是就各使用工况而言，加预紧力外套常常受到限制。例如，在需要的部位能不能加(例如有没有足够位置加)预紧力外套，常常受到限制。以硬质合金材料制成的顶锤为例，其失效主要是46°面上的拉应力破坏，虽然可在外圆柱表面上增加径向预紧力外套(如钢套)来降低少部分顶锤主应力，但最需要预紧力的斜面部分无法加外套，从而不能在最需要的部位产生径向预紧力。此外，在应用预紧力外套时，预紧力的大小与工件加工的形位精度和工件之间配合的过盈量等因素有关，加工精度或者配合精度等因素考虑或设定不当，都可能使预紧力的大小与需要的不符，严重情况下甚至会加速硬质合金制品的损坏。
[0008]因此，需要一种耐用度和使用寿命得到提高的改进的硬质合金制品。
【发明内容】
[0009]本发明提供了 一种硬质合金制品，其包括自身带有预应力的主体。
[0010]在这种硬质合金制品中，所述预应力可包括存在于所述主体的表层中的预应力。[0011 ] 在这种硬质合金制品中，所述表层中的预应力可为该表层中的残余应力。
[0012]在上述硬质合金制品中，所述表层中的预应力可与所述硬质合金制品在正常工作时所受的外部应力方向相反。
[0013]在上述硬质合金制品中，所述表层中的预应力可存在于所述表层的一部分中。
[0014]本发明还提供了一种用于生产人造金刚石的顶锤，其包括由上述硬质合金制品制成的锤体。
[0015]在这种顶锤中，所述表层中的预应力可与使用过程中所述锤体在46°大斜面上承受的拉应力的作用方向相反。
[0016]在上述顶锤中，所述顶锤包括下部圆柱体结构，上部棱台状结构以及两者之间的过渡部分，其中，所述上部棱台状结构的外表面上设有预应力，且所述下部圆柱体结构上装设有用于进一步增大强度的预紧力外套。
[0017]本发明还提供了一种金刚石成型设备，包括三组六个顶锤组件，各个顶锤组件均包括上述顶锤、预紧环、活塞和垫块，其中，所述预紧环在所述顶锤周围形成过盈配合，以对所述顶锤施加径向预紧力，所述活塞构造为能够通过所述垫块对所述顶锤施力，且各个顶锤组件的活塞构造为能够同步推动相应的顶锤，从而对放置在各顶锤组件形成的中心空腔中的试样加压，且至少一对所述顶锤组件构造为能够通电，以便加热所述试样。
[0018]本发明还提供了一种形成上述硬质合金制品的方法，包括:
(1)分析预期的硬质合金制品被破坏的形式，包括分析预期的硬质合金制品使用中导致其破坏的最大主应力的方向和位置；
(2)针对分析得出的所述最大主应力的方向和位置，设计预期的硬质合金制品所需要的预应力的大小和方向；
(3)制备表层存在残余应力的硬质合金制品；
(4)验证并确认上述过程是否得到符合条件的硬质合金制品。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1示出了六面顶压机的工作部分的俯视图，其中显示了四个顶锤组件。
[0020]图2是图1所示的顶锤的投影正视图。
[0021]图3是顶锤的纵向裂纹和断裂的图示。
【具体实施方式】
[0022]本发明提供了一种具有带预应力的主体的硬质合金制品。
[0023]在这种硬质合金制品中，所述预应力可包括存在于所述主体的表层中的预应力。
[0024]在一个实施例中，所述表层中的预应力是该表层中的残余应力。
[0025]在一个实施例中，所述表层中的预应力与所述硬质合金制品在正常工作时所受的外部应力方向相反。
[0026]在一个实施例中，所述表层中的预应力存在于所述表层的一部分中。
[0027]在一个实施例中，这种硬质合金制品可通过如下方式形成:
(1)分析硬质合金制品主体被破坏的形式，包括分析硬质合金制品主体使用中导致其破坏的最大主应力的方向和位置；
(2)针对所分析出的最大主应力的方向和位置，设计硬质合金制品主体所需要的预应力的大小和方向； (3)制备表层(到一定的深度)存在残余应力的硬质合金制品主体(预应力硬质合金制品主体)；
(4)验证并确认上述过程是否得到符合条件的硬质合金制品。
[0028]下文以硬质合金顶锤(以下简称顶锤)为例来阐述具有带预应力的主体的硬质合金制品。
[0029]顶锤是生产人造金刚石时使用的一种重要消耗性工具。图1示出了六面顶压机的工作部分的俯视图，其中显示了四个顶锤组件，各个组件具有由形成有预应力的硬质合金制成的顶锤1，其中该顶锤I与预紧环2、活塞3和垫块4 一起工作，对工作腔体5中的试样加压。空心箭头所示方向即为加压方向在纸面上的投影。
[0030]图2显示了图1所示的顶锤的投影正视图，其中各示意尺寸L，a，H，D以及标注的角度尺寸限定了顶锤的外形。
[0031]顶锤的破坏通常是由于最大主应力超过材料的许用抗拉强度。顶锤46°斜面中心对称线是最容易产生裂纹并导致破裂的位置，由此产生的纵向裂纹和断裂(如图3所示)占顶锤破坏总数的80%以上。参见王强，蔡冬梅等人在《重型机械》2004年第3期上发表的“基于三维有限元的六面顶顶锤应力分析”，等。顶锤工作时受交变的外载应力与热应力的作用，其46°斜面中心对称线下方存在的切向拉应力，是产生纵向裂纹和断裂的根本原因。也就是说，顶锤最薄弱部位是46°大斜面，大部分顶锤是在该部位高水平拉应力的反复作用下疲劳失效的。
[0032]在一个实施例中，为了获得改进抗断裂性能的顶锤，在以上分析的基础上，应用预应力硬质合金顶锤制备技术(特殊工艺)生产了表层存在残余压应力的硬质合金顶锤，即预应力硬质合金顶锤(以下简称预应力顶锤)。
[0033]在一个实施例中，该顶锤包括下部圆柱体结构、上部棱台状结构以及两者之间的过渡部分，其中，棱台状结构的外表面上设有预应力，且下部圆柱体结构上装设有用于进一步增大强度的预紧力外套。
[0034]在一个实施例中，预应力只存在于顶锤锤体的部分表面上。
[0035]该预应力硬质合金顶锤的性能可通过如下方式验证:
在获得预应力硬质合金顶锤后，通过X射线衍射测量样品的弹性应变从而求取应力值。测量分析显示，预应力顶锤表层存在残余压应力。
[0036]以下试验呈现出预应力顶锤的改进的抗断裂性能:
使预应力顶锤以6个为一组，在Φ460mm缸径六面顶压机上进行试验。对照组是同规格同牌号的普通顶锤。试验结果是:对照组顶锤的平均使用寿命为7000?8000次，预应力顶锤的使用寿命大于30000次，是对照组顶锤的4倍以上。
[0037]目前，国内各种吨位的现役六面顶压机总数约5000台，年产人造金刚石逾120亿克拉，顶锤年消耗量为60万kg。如果全部使用预应力硬质合金顶锤则技术经济效益可观。
[0038]由此可知，预应力顶锤的产品表层存在的残余压应力与顶锤使用过程中在46°大斜面产生的拉应力作用方向相反，是相互抵消关系，显著降低了顶锤在使用时该部位的拉应力水平。因此，预应力顶锤成倍地提高了顶锤的使用寿命。
[0039]如上所述的预应力顶锤的一种示例性应用场合是六面顶压机(简称六面顶)。
[0040]六面顶压机，例如铰式六面顶压机，是合成人造金刚石常用的一种设备，其中顶锤是六面顶建立和承受超高压合成压力出?8 GPa)的关键零件，且长时间工作在高温环境下。
[0041]如图所示，在六面顶压机上安装了三组六个顶锤组件(显示了其中四个)，每个组件均由顶锤1、预紧环2、活塞3和垫块4构成。通过过盈配合，预紧环2对顶锤I施加一定的径向预紧力。活塞3通过垫块4对顶锤I施力。在人造金刚石合成过程中，在六个活塞3(例如液压缸活塞)的同步推动下，各个顶锤I同时施力于立方体叶蜡石试样(其置于中心腔体(如立方体腔体)5中，且包围被称为合成块的用于生产金刚石的原料一碳(石墨)+触媒)。具体而言，压机从六个方向(上下左右前后)通过顶锤I同时向中心加压，使试样产生塑性变形，在各顶锤I的相邻面之间形成密封垫，从而在合成块内部建立起合成金刚石所需的超高压条件。同时，对其中至少一对顶锤组件通电，依靠合成块内部的电阻加热产生高温(例如，1400多度)。石墨在高温高压条件和触媒作用下生成金刚石。
[0042]通过使硬质合金制品的预应力与硬质合金制品使用时产生的应力方向相反、形成相互抵消作用，既不依赖硬质合金材料强度的提高，也无需加预紧力外套，就能有效降低硬质合金制品在使用过程中的应力，显著提高了硬质合金制品使用寿命。例如，如上所述，预应力硬质合金顶锤的使用寿命达到普通硬质合金顶锤的4倍以上。相比于普通硬质合金制备技术，预应力硬质合金制备技术不需增加专用设备，不需大量增加成本。
[0043]此外，因为本发明中的硬质合金制品，例如顶锤，自身的主体具有预应力，在需要预紧力的地方，相比普通硬质合金+预紧力外套的方案，使用预应力硬质合金更方便。另夕卜，自身带有预应力的硬质合金制品并不会妨碍使用某些其它提高产品强度的措施。例如，本发明的具有预应力的硬质合金制品也可同时装设预紧力外套，以进一步提高其强度，从而增加了提高硬质合金制品强度的方法的多样性。
[0044]如本领域普通技术人员将理解的那样，上面关于若干个示例性实施例描述的许多不同的特征和构造可进一步选择性地应用来形成本发明的其它可行实施例。为了简短以及考虑到本领域普通技术人员的能力，未提供或详细地描述所有的可行迭代，但是由所附若干个权利要求或以别的方式包含的所有组合和可行实施例意图为本申请的一部分。另外，根据本发明的若干个示例性实施例的上面的描述，本领域技术人员将意识到改进、改变和修改。在本领域技术内的这样的改进、改变和修改也意图由所附权利要求所覆盖。另外，应当显而易见的是，前述内容仅涉及本申请的所描述的实施例，并且可在本文中作出许多改变和修改，而不脱离所附权利要求及其等效方案所限定的本申请的精神和范围。
【权利要求】
1.一种硬质合金制品，其特征在于，包括自身带有预应力的主体。
2.根据权利要求1所述的硬质合金制品，其特征在于，所述预应力包括存在于所述主体的表层中的预应力。
3.根据权利要求2所述的硬质合金制品，其特征在于，所述表层中的预应力是该表层中的残余应力。
4.根据权利要求2或3所述的硬质合金制品，其特征在于，所述表层中的预应力与所述硬质合金制品在正常工作时所受的外部应力方向相反。
5.根据权利要求2或3所述的硬质合金制品，其特征在于，所述表层中的预应力存在于所述表层的一部分中。
6.一种用于生产人造金刚石的顶锤，其特征在于，包括由权利要求4或5所述的硬质合金制品制成的锤体。
7.根据权利要求6所述的顶锤，其特征在于，所述表层中的预应力与使用过程中所述锤体在46°大斜面上承受的拉应力的作用方向相反。
8.根据权利要求6或7中所述的顶锤，其特征在于，所述顶锤包括下部圆柱体结构，上部棱台状结构以及两者之间的过渡部分，其中，所述上部棱台状结构的外表面上设有预应力，且所述下部圆柱体结构上装设有用于进一步增大强度的预紧力外套。
9.一种金刚石成型设备，其特征在于，包括三组六个顶锤组件，各个顶锤组件均包括根据权利要求6至8中的任一项所述的顶锤(I)、预紧环(2)、活塞(3)和垫块(4)，其中，所述预紧环(2)在所述顶锤(I)周围形成过盈配合，以对所述顶锤(I)施加径向预紧力，所述活塞(3)构造为能够通过所述垫块(4)对所述顶锤(I)施力，且各个顶锤组件的活塞(3)构造为能够同步推动相应的顶锤(I)，从而对放置在各顶锤组件形成的中心空腔(5)中的试样加压，且至少一对所述顶锤组件构造为能够通电，以便加热所述试样。
10.一种形成根据权利要求3 - 5中的任一项所述的硬质合金制品的方法，包括: (1)分析预期的硬质合金制品被破坏的形式，包括分析预期的硬质合金制品使用中导致其破坏的最大主应力的方向和位置； (2)针对分析得出的所述最大主应力的方向和位置，设计预期的硬质合金制品所需要的预应力的大小和方向； (3)制备表层存在残余应力的硬质合金制品； (4)验证并确认上述过程是否得到符合条件的硬质合金制品。
【文档编号】B01J3/06GK103537231SQ201210246667
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年7月17日 优先权日:2012年7月17日
【发明者】李詠侠, 邹丹, 刘艳军, 肖可夫, 程许林 申请人:湖南博云东方粉末冶金有限公司