硬質合金先進技術在大規(guī)格頂錘制造中的應用①

彭 文，鄧 濤

（1.硬質合金國家重點實驗室，湖南 株洲 412000；2.株洲硬質合金集團有限公司，湖南 株洲 412000）

硬質合金先進技術在大規(guī)格頂錘制造中的應用①

彭 文1，2，鄧 濤2

（1.硬質合金國家重點實驗室，湖南 株洲 412000；2.株洲硬質合金集團有限公司，湖南 株洲 412000）

目前，大規(guī)格六面頂錘已經主導了中國超硬材料合成腔體市場，由于硬質合金先進技術的應用，硬質合金頂錘的使用壽命已達到相當高的水平，但異常頂錘的問題仍然困擾著金剛石生產廠家。文章總結了應用在大規(guī)格頂錘產品上的硬質合金先進技術，特別是分析了高性能細晶、亞微細晶硬質合金大頂綞的保障技術，認為系統(tǒng)地應用硬質合金先進技術是行業(yè)的發(fā)展趨勢。

硬質合金先進技術；超硬材料合成；亞微細晶粒；大規(guī)格頂錘；系統(tǒng)應用

1 概述

2013年是中國超硬材料發(fā)展五十周年，經過這五十年的努力，中國已經成為了世界超硬材料生產大國，人造金剛石產量位居世界第一，2012年產量占全球產量的90%，金剛石應用領域不斷擴大，超硬材料制品逐步接近或達到國際先進水平。超硬材料的發(fā)展，壓機大型化、合成工藝技術的進步起了關鍵作用，而作為高壓合成腔體不可替代的硬質合金頂錘，其生產技術的持續(xù)創(chuàng)新也成就了中國超硬材料產業(yè)今日的輝煌。

伴隨著超硬材料行業(yè)的發(fā)展歷程，頂錘材料在相當一段時間內維持中細晶粒8%Co的材質不變，而支撐頂錘使用壽命不斷提高的重要因素，是硬質合金新工藝技術應用于頂錘生產制造上的結果。頂錘生產企業(yè)陸續(xù)引進了冷等靜壓技術、新的濕磨工藝、壓制工藝，采用了低壓燒結等硬質合金先進技術，對產品制造中的缺陷進行了重點控制，產品質量和穩(wěn)定性得到很大提高。

目前，大規(guī)格六面頂錘已經主導了中國超硬材料合成腔體市場，細晶、亞微細晶硬質合金也成為了頂錘新材料發(fā)展的重要方向，其抗壓強度、抗彎強度有了大幅提升，同時隨著硬質合金先進技術引入到新材料頂錘的生產工藝上，使新材料大頂錘實際應用效果達到相當高的水平，金剛石生產錘耗已控制在＜1kg／萬克拉，最好效果為0.15～0.3kg／萬克拉。

本文對硬質合金先進技術在大規(guī)格頂錘產品上的應用進行總結，特別是針對細晶、亞微細晶硬質合金大頂綞高性能的保障技術，重點分析其發(fā)展趨勢。

2 硬質合金先進技術在頂錘上的應用

圖1 硬質合金頂錘工藝流程1［1］Fig.1 Technological flow chart of the cemented carbide anvil

硬質合金生產的工藝流程中，混合料制備、壓制成型、燒結是三個主要工序?？蓛A式滾動球磨、攪拌球磨、噴霧干燥，冷等靜壓，低壓燒結、脫蠟燒結一體化等硬質合金整套先進技術已成熟應用于數(shù)控刀片、球齒、棒材等高性能、高精度、小規(guī)格的產品上，而對于大規(guī)格硬質合金頂錘的制備，還未系統(tǒng)應用，大部分廠家現(xiàn)采用的工藝路線為：流程1、流程2，見圖1、圖2。

圖2 硬質合金頂錘工藝流程2［2］Fig.2 Technological flow chart of the cemented carbide anvil

流程1：原料經濕磨后過濾料漿、干燥生產出濕磨料，石蠟成型劑加入濕磨料中干燥、制粒得到所需的混合料，再壓制，燒結。流程2：原料在球磨機中濕磨，卸料前1小時加入熔融石蠟，卸下的料漿在雙圓錐干燥器內干燥，干燥好的混合料冷卻至室溫，經均勻化處理后壓制、燒結。

這些廠家頂錘制備所用的設備和技術，相同的是濕磨機已全面采用可傾式球磨機，球磨效率高、控制精準，保證了濕磨工藝精確執(zhí)行，質量穩(wěn)定；成型劑均采用石蠟，在脫蠟過程中殘?zhí)忌?，易脫出；混合料采用機械擦篩制粒使之均勻化；燒結均采用真空－熱等靜壓燒結爐。不同的是，成型劑的加入方式；壓制是否用冷等靜壓；脫蠟、燒結是分段還是一體。他們在以上工藝流程中部分采用了硬質合金先進技術，并根據(jù)頂錘制備的特點，結合各自的裝備和技術進行控制，各有訣竅，均取得了較好的效果。

3 細晶、亞微細晶硬質合金大頂錘高性能的保障技術

盡管大規(guī)格細晶、亞微細晶頂錘已達實用階段，但還是存在一些異常頂錘，導致在金剛石合成過程中出現(xiàn)較低壽命的失效，造成較高價值的損失。超硬材料行業(yè)資深專家方嘯虎教授在與業(yè)內知名專家討論時指出，目前異常頂錘主要存在的問題是：①晶粒普遍長大，造成組織結構不均勻，內部應力過大；②由于當前采用了超亞細粉，比表面積明顯增大，其優(yōu)點是壓制得好時，織構非常好，頂錘壽命明顯提高，但若壓制不好時，則容易形成若干孔洞，這也是致命傷害；③也因為超亞細粉，合金粉原料的比表面積加大，則很容易增加吸附能力，這樣在合金燒結過程中就非常容易臟化［3］。

對以上問題進行分析，可以推斷：大規(guī)格、細晶粒頂錘制造過程中的缺陷，如因成型劑分散不均勻或者脫除不徹底、燒結時碳和氧含量控制不當而引起晶粒長大、組織結構不均勻，壓制密度不好而引起的孔洞，人為操作、設備和環(huán)境造成合金臟化等，都可能導致異常頂錘的出現(xiàn)。如何控制細晶、亞微細晶硬質合金頂錘的微觀結構，減少缺陷，提高頂錘在線生產的受控程度，進一步提高質量的穩(wěn)定性，是我們如何將硬質合金先進技術在頂錘制造中有效應用的重要課題，也是我們保障新材料高性能的一致性、解決異常頂錘問題的重要途徑。

為實現(xiàn)我們的目標，根據(jù)細晶粒、亞微細晶粒頂錘的技術現(xiàn)狀，借鑒數(shù)控刀片、球齒、棒材生產工藝技術系統(tǒng)應用的經驗，將硬質合金先進制造技術整套體系引入大頂錘的生產中是非常必要的。工藝流程見圖3。

圖3 硬質合金頂錘先進技術體系工藝流程Fig.3 Process of advanced technology system for cemented carbide anvil with large size

在這一技術體系中，特別是混合料噴霧干燥以及脫蠟燒結一體－低壓燒結的先進技術，能使大型頂錘的生產工藝提質換代，整體控制水平得到大幅提升，工藝流程縮短，人為影響因素減少，生產環(huán)境大為改善，資源能源消耗降低，更加適合細晶、亞微細晶粒頂錘質量過程控制。

3.1 混合料噴霧干燥

合金質量在很大程度上取決于混合料的質量。濕磨＋機械制粒生產工藝，設備簡單，但工序較長，干燥與制粒需由兩個工序分開完成，物料易氧化、臟化，而且生產自動化水平低，產量低，所生產的混合料質量較差。濕磨＋噴霧干燥生產工藝，投資大，設備復雜，但生產自動化水平高，整個干燥流程都在密閉狀態(tài)下進行，能對密閉設備的氧含量進行實時監(jiān)控，從而確?；旌狭系难鹾吭谠试S范圍內，生產出的混合料流動性能好，松裝密度穩(wěn)定，粒度分布均勻，產量大，能滿足高質量、高性能、大批量硬質合金生產的需要［4］。在先進的混合料制備工藝中還可利用矯頑磁力Hc、鈷磁Com與合金的化學成分、晶粒度、碳含量之間的可比關系對混合料進行檢測，這大大強化了對混合料的質量控制［5］，從而可確保細晶、亞細晶硬質合金混合料的質量及合金的性能。

濕磨＋噴霧干燥生產工藝雖然在數(shù)控刀片、球齒、棒材、軋輥等產品上應用，并取得了很好的效果，但應用于頂錘大體積實心體，又是細晶粒材料，混合料的壓制性能必須得到充分保證。

3.1.1 成型劑的選擇

石蠟的優(yōu)點是既適于噴霧干燥，也適于一般混合器摻蠟制粒，其純度高，易于脫除，殘?zhí)嫉停蝗秉c是不與酒精相溶，且在干燥時容易偏析，造成合金產生臟化孔和結構不均勻，壓坯強度低，復雜形狀的產品難成型，混合料的壓制性能受溫度影響較大。為適應酒精作為濕磨介質的濕磨＋噴霧干燥頂錘料體系，可以采用一種新型成型劑，它具有溶解于酒精的特性，與硬質合金原料一起在酒精濕磨介質中混合，達到分子級均勻分散，得到的料漿黏度低，適合噴霧干燥，制備的混合料細而軟，流動性好。以株洲硬質合金集團有限公司（下稱株硬集團）為例，新成型劑的噴霧料能夠直接模壓或冷等靜壓壓制超細晶頂錘，壓制壓力低，分層單重大；新成型劑灰分低、增碳少，可適用于一體式脫膠燒結工藝，制備的合金微觀組織結構均勻［6］，是制造頂錘的理想成型劑。

3.1.2 混合料粒度及組成的控制

運用噴霧干燥過程的控制手段，控制料漿黏度、噴嘴大小、噴霧溫度及壓力等參數(shù)，可使頂錘混合料的松裝密度及粒度組成滿足頂錘壓制要求，并且達到每批料及各批次之間的基本均勻，使混合料的壓制性能得到量化、穩(wěn)定的控制。圖4～圖6為株硬集團生產的頂錘噴霧料的松裝密度、粉末形貌及壓坯斷口形貌。

圖4 頂錘噴霧料松裝密度Fig.4 Bulk density of spray material of anvil

圖5 新成型劑的硬質合金頂錘噴霧料Fig.5 Spray material with new forming agent of cemented carbide anvil

圖6 新成型劑的壓坯斷口，200×Fig.6 Fracture of compact with new forming agent，200×

3.2 壓制成形

等靜壓成形是制備大規(guī)格尺寸壓坯最好的成形方式。它能有效地減少壓坯內部孔隙，使燒結后的合金組織結構致密、均勻，從而提高合金的抗斷裂強度和使用壽命［7］。早在1996年，株硬集團就率先采用了模壓＋冷等靜壓復壓處理的工藝壓制大規(guī)格頂錘，對提高壓坯密度及其均勻性及消除頂錘內部缺陷起了較好的作用。采用噴霧料后，穩(wěn)定、均勻、流動性好的不同批次混合料，其振實密度可基本保持不變，為混合料直接冷等靜壓、提高壓坯尺寸控制精度、減少加工量提供了工業(yè)化推廣的條件。

3.3 一體式脫蠟燒結－低壓燒結工藝

真空－熱等靜壓燒結在頂錘生產中已經普及，目前硬質合金生產中最先進的氣壓燒結爐是將硬質合金的脫除成型劑、燒結、熱等靜壓功能集中于一體、生產時一次完成的燒結設備，其非常適合對碳量控制要求非常嚴格的低鈷細晶粒硬質合金的燒結。在超細棒材的生產中，大多采用此種燒結爐，而行業(yè)內其他廠家生產頂錘所用的壓力燒結爐，一般不帶脫蠟功能。有的廠家采取先在鐘罩爐中脫蠟再轉入壓力燒結爐中加壓燒結的方法，由于脫蠟預燒溫度低，半成品強度差，大頂錘不易搬運，同時產品脫蠟后若未及時燒結極易增氧，不利于細晶粒頂錘的碳量控制，甚至造成脫碳；有的廠家則先用多氣氛真空燒結爐將頂錘脫蠟、真空燒結后，再用壓力燒結爐加壓燒結的方法。雖然最終均采用了壓力燒結，但相對而言，脫除成型劑、燒結、熱等靜壓一次完成的工藝，流程短，效率高，人為影響因素少，碳量控制更穩(wěn)定，結構更均勻。

雖然一體式氣壓燒結爐在小產品上成功應用，但對于大規(guī)格、細晶粒頂錘的脫蠟燒結，要保證成型劑完全脫除及碳量控制均勻，工藝研究就必須非常細致。以株硬集團為例，基本思路是以新成型劑的熱分析曲線（圖7）為基礎，根據(jù)燒結爐低溫溫場的數(shù)據(jù)，對脫蠟燒結工藝進行試驗，通過脫蠟過程的實時監(jiān)控和產品分析結果，進行試驗調整，最終得出了在微正壓氫氣氣氛條件下，階梯式升溫、保溫［8］較理想的細晶粒、大規(guī)格頂錘的脫蠟燒結工藝，其成型劑的脫除效率高，產品不起皮，碳量控制精度很高，頂錘燒結后的合金鈷磁值偏差可控制在小于0.3%的范圍。圖8為成型劑脫除時管道的溫度和壓力實時監(jiān)控截圖。

圖7 新成型劑的TG曲線Fig.7 TG curve of new forming agent

圖8 成型劑脫除實時監(jiān)控截圖Fig.8 Real－time monitoring screenshot of forming agent removal

先進的技術，除了包含先進的設備以外，配套的精細、量化的過程控制更是穩(wěn)定和提高產品質量的保證。隨著硬質合金先進技術體系的有效應用，大規(guī)格、細晶粒頂錘制造過程中的缺陷，如晶粒長大、組織結構不均勻、孔洞、合金臟化等問題，將會進一步減少甚至消除。

4 株硬集團高性能頂錘介紹

株硬集團依托硬質合金國家重點實驗室，近幾年在頂錘材質和制造工藝研究方面取得了較好的成果。研制的細晶粒牌號YL20.5、YL20.6（硬度HRA≥90.5，抗彎強度≥3400MPa，WC晶粒度為0.8～1.0μm，金相結構見圖9、圖10），亞微細晶粒牌號系列（硬度HRA≥91.5，抗彎強度≥3300MPa，抗壓強度5100～5800MPa，WC晶粒度0.6～0.8μm，SEM照片見圖11）等產品，與中細晶粒YL20.4牌號頂錘相比，晶粒細而均勻，硬度高，強度高，更適合用于大腔體及較高合成壓力的合成，在細晶粒頂錘的制造過程中，硬質合金先進技術的應用，為減少異常頂錘的出現(xiàn)提供了保障。

圖9 YL20.5金相照片，1500×Fig.9 Metallograph of YL20.5，1500×

圖10 YL20.6金相照片，1500×Fig.10 Metallograph of YL20.6，1500×

圖11 亞微細晶粒頂錘SEM照片，10000×Fig.11 SEM photo of microfine grain anvil，10000×

5 結論

隨著硬質合金先進技術的應用，大規(guī)格頂錘的使用壽命已達到了相當高的水平，滿足了金剛石行業(yè)目前的使用需求。在超硬材料產業(yè)快速發(fā)展的前提下，合成大腔體的繼續(xù)發(fā)展和已有腔體的“挖潛”，對細晶粒大規(guī)格頂錘的材質和頂錘質量的穩(wěn)定性提出了更高的要求，硬質合金先進技術的系統(tǒng)運用，是保障頂錘質量的發(fā)展趨勢。

［1］高新亮.亞微米硬質合金頂錘的研制［J］.超硬材料工程，2010，22（1）.

［2］周旭峰.硬質合金大規(guī)格頂錘缺陷消除的研究［D］.工程碩士論文，2004.

［3］方嘯虎.合成超硬材料用硬質合金頂錘的探索［J］.磨料磨具，2010（12）.

［4］崔佳娜.硬質合金混合料的濕磨－噴霧干燥生產工藝及設備［J］.稀有金屬與硬質合金，2010，38（2）.

［5］徐濤.濕磨－ 噴霧干燥工藝混合料生產中的質量控制及其特點［J］.硬質合金，2000，17（4）.

［6］孟小衛(wèi).新型硬質合金成型劑應用研究［J］.硬質合金，2011，28（3）.

［7］吳恩熙.硬質合金大規(guī)格頂錘成型工藝的研究［J］.硬質合金，2005，22（3）.

［8］中國專利200810032152.4.

Application of advanced technology of cemented carbide in manufacturing large size anvil

PENG Wen1，2，DENG Tao2
（1.State Key Laboratory of Cemented Carbide，Zhuzhou412000，Hunan；2.Zhuzhou Cemented Carbide Group Co.，Ltd.，Zhuzhou412000，Hunan）

At present hexahedral anvil with large size has dominated the market of synthesis cavity of superhard material in China.Due to the application of advanced technology of cemented carbide，the service life of cemented carbide anvil has reached quite advanced level.At the same time the manufacturers of diamond are still puzzled by the abnormal problems of anvil.In this paper，the application of anvil with large size by the advanced technology of cemented carbide is summarized.High performance guarantee technique of fine and micro－fine grain large cemented carbide anvil is specially analyzed and it is considered that the systematic application of the advanced technology of cemented carbide is the trend of industrial development.

advanced technology of cemented carbide；fine grain；microfine grain；large size；cemented carbide anvil；systematic application；guarantee

TQ164

A

1673－1433（2013）01－0025－05

2013－02－17

彭文（1967－），女，高級工程師，主要從事硬質合金大型制品的研發(fā)與應用等工作。