[发明专利]合成金刚石复合片用硬质合金顶锤及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于人造金刚石行业用硬质合金顶锤，特别是合成金刚石复合片用的硬质合金顶锤。 

背景技术

硬质合金顶锤是静压超高压法合成人造金刚石、立方氮化硼及其烧结体的超高压装置的关键部件和消耗性材料。合成一次，顶锤需经升压、升温、保压、保温、降温、降压（卸压）等程序，时间一般为20～40分钟，在合成过程中，顶锤顶面承受5.5Gpa左右的超高压和几百度高温（合成温度1500℃左右），整个顶锤受到接近甚至超出材质极限的压应力、拉应力、剪切应力、热应力的低周期疲劳应力作用。在硬质合金产品中，顶锤的使用环境是最恶劣的，对于材质综合性能、组织结构要求高，对这类大尺寸实心产品更是要求孔隙低，缺陷少,因此，顶锤的质量往往代表了硬质合金企业的生产控制水平；而对于超高压高温合成来说，与其他原辅材料一次性消耗的成本相比，顶锤的锤耗（使用寿命）为可变成本，对人造金刚石行业的经济效益和劳动生产率的影响更大。 

顶锤在工作中的应力状况决定了制造它的材料必须具有非常高的抗压强度、抗剪切强度、硬度、弹性模数、耐热性及较好的抗拉强度、抗冲击性等良好的物理机械性能。据《顶锤的材质、检验与应用试验研究》（赵云良，“硬质合金顶锤使用技术研讨会”，湖南省超硬材料协会举办，1995年）中提到，顶锤一般的钴含量为4％～8％，选用中颗粒WC，合金晶粒度为1.2μm～1.6μm。国标 《硬质合金顶锤与压缸》（GB/T 3456-1982）也显示顶锤材质为Co8％、Co6％，合金的WC晶粒度≤1.6μm，允许有显微脱碳。其性能如表1： 

表1

随着我国机械加工、汽车制造、地质和石油钻探、石材加工等支柱产业和传统产业的技术进步和新需求，具有高硬度、高耐磨性、高弹性模量、各向同性和相对高的热导率等显著优点的金刚石/硬质合金复合片作为各类工具替代金刚石或硬质合金的方向日益明朗，近年来已成为高档机械加工刀具、地质及石油钻头、陶瓷磨具、石材加工工具、混凝土工具和阀座阀芯等高耐磨设备的首选材料，也成为高科技新材料领域中最有生命力的支柱产品之一。所谓金刚石/硬质合金复合片工具，就是用静压超高压直接合成法，将人造金刚石与硬质合金基体在超高温超高压和粘结剂条件下烧结一次制成，然后将硬质烧结复合体切割成所需形状，焊接在工具基体上，研磨加工后进行使用。与合成金刚石相比，合成金刚石复合片的环境更加恶劣，顶锤顶面所受合成压力高7％～10%，合成腔内温度、压力不均匀性大，合成时容易引起塌锤和放炮，这就要求硬质合金顶锤抗压强度更高，抗冲击性也更好。目前，行业内还没有专门针对合成复合片开发新的顶锤材质，一般来说，同种规格、材质的顶锤，合成复合片的使用寿命为合成金刚石的1/3左右，即若用于合成金刚石的顶锤寿命平均在8000次以上，则同样材质的顶锤，用于合成金刚石复合片，一般平均使用寿命不到3000次。

为进一步提高顶锤的抗压强度，同时又兼顾其抗弯强度，提高用于合成复合片顶锤的使用寿命，行业内一直在研究适应的材质，但工业化生产的难度大，没有推广。细化WC晶粒是行业内研究的一个方向。细颗粒顶锤除了要提高抗压强度以外，生产工艺控制难度也必须解决，主要问题是压制易分层、裂纹，烧结碳氧控制不稳定，合金孔隙高，抑制剂分散不均匀、顶锤结构不均匀，合金性能、顶锤的使用寿命难保证，因此细颗粒顶锤合金生产控制难度大，质量不佳，难推广。 

《顶锤的材质、检验与应用试验研究》中还提到，曾经在Co6％、Co8％的顶锤牌号生产中，采用传统的氢气烧结工艺制备，加入碳化铌、碳化钽、碳化钛等晶粒抑制剂，细化合金中的晶粒度，改变合金的物理机械性能，但其使用寿命都不令人满意。主要问题是添加剂分散不均匀，合金孔隙增高，抗弯强度低，压制性能差，碳氧控制难度大，使得材质性能下降，生产难度增加，不能满足使用要求和批量控制稳定性要求。 

《JN10硬质合金顶锤的研制》（高新亮，山东大学硕士学位论文）中有一种Co10%、WC晶粒度0.6～0.8μm的亚微细顶锤生产技术，采用主要原料为亚微细WC、亚微细Co粉，其中亚微细WC原料本身生产中，是以金属盐的形式将抑制剂Cr₃C₂加入到氧化钨中（液+固），抑制剂加量为粘结剂加量的wt5％，采用1400℃～1420℃的烧结温度、低压5Mpa的工艺参数进行烧结。其工艺流程基本采用传统的硬质合金生产流程，生产工序长。其主要问题如下： 

①．虽然以金属盐的形式加人到氧化钨中，这种形式抑制剂分散最均匀，但生产成本高，加入量的精确性不易控制；