硬質(zhì)合金Ф160mm以上超大頂錘的現(xiàn)狀與發(fā)展①

彭文,舒軍

(1.硬質(zhì)合金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南株洲412000;2.株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司,湖南株洲412000)

硬質(zhì)合金Ф160mm以上超大頂錘的現(xiàn)狀與發(fā)展①

彭文1,2＊,舒軍2

(1.硬質(zhì)合金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南株洲412000;2.株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司,湖南株洲412000)

超硬材料行業(yè)50年后新的發(fā)展時(shí)期,超大腔體合成高品級(jí)金剛石工藝對(duì)硬質(zhì)合金技術(shù)提出了又一次嚴(yán)竣挑戰(zhàn)。就硬質(zhì)合金超大頂錘的現(xiàn)狀、需求變化、需解決的難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了全面分析,提出了加速Ф160mm以上超大頂錘的改進(jìn)與研發(fā),必須堅(jiān)持新的開(kāi)發(fā)理念,實(shí)現(xiàn)新的突破的技術(shù)思路,系統(tǒng)地闡述了Ф160mm以上超大硬質(zhì)合金頂錘的技術(shù)發(fā)展方向,認(rèn)為硬質(zhì)合金超大頂錘的配套跟進(jìn)對(duì)超大腔體合成工藝的工業(yè)化推廣顯得尤為重要。

Ф160mm以上超大頂錘;超大腔體合成;技術(shù)發(fā)展;配套跟進(jìn);持續(xù)創(chuàng)新

1 前言

硬質(zhì)合金以其高硬度、高剛性、高的抗彎強(qiáng)度和高溫性能等不可被其他材料替代的絕對(duì)優(yōu)勢(shì),成為組成超硬材料合成高壓腔體的高性能材料,不僅可承受1300℃～1600℃的高溫和5500MP a壓力頻繁的沖擊和應(yīng)力應(yīng)變,還經(jīng)常面臨壓機(jī)、工藝因素引起的爆炸和非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力的考驗(yàn)。隨著我國(guó)超硬材料五十年來(lái)從無(wú)到有、由弱變強(qiáng)的發(fā)展,可以說(shuō),超硬材料的顯著進(jìn)步助推了中國(guó)硬質(zhì)合金高性能材料和制造技術(shù)的不斷創(chuàng)新,同樣,硬質(zhì)合金新材料、新工藝技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新又成就了中國(guó)超硬材料今日的輝煌。

近幾年,隨著機(jī)械、電子、光學(xué)玻璃和寶石加工、鉆探與開(kāi)采、建筑等許多工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提高,對(duì)金剛石的需求量越來(lái)越大,對(duì)金剛石的品級(jí)要求也越來(lái)越高。國(guó)內(nèi)外對(duì)人造金剛石的需求增長(zhǎng)表現(xiàn)出兩大顯著特點(diǎn):一是對(duì)高強(qiáng)度、高韌性人造金剛石的需求增長(zhǎng);二是發(fā)展中國(guó)家對(duì)人造金剛石的需求量迅速增長(zhǎng)。為了滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求,我國(guó)超硬材料制造行業(yè)把擴(kuò)大合成壓機(jī)反應(yīng)腔體作為重點(diǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目,圍繞提高金剛石產(chǎn)品的單次合成產(chǎn)量、品級(jí)和粗粒度集中度等進(jìn)行了一系列的研究與開(kāi)發(fā),并取得了明顯的效果。隨著腔體的擴(kuò)大,金剛石抗壓強(qiáng)度、熱沖擊韌性(TTI)等性能得到很大程度的提高,金剛石的單次合成產(chǎn)量越來(lái)越高,優(yōu)品率大幅度提高,單位產(chǎn)量成本不斷下降。表1列出了大腔體合成的高單產(chǎn)、高品級(jí)率及低成本的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[1]。推廣應(yīng)用大壓機(jī),擴(kuò)大合成腔體,從而提高高品級(jí)率和降低成本,成為金剛石行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

表1 不同大腔體合成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data of different-sized cavity synthesis

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),2012年底行業(yè)裝機(jī)總數(shù)為7098臺(tái),其中96.75%用于合成單晶,230臺(tái)用于生產(chǎn)復(fù)合超硬材料;單晶生產(chǎn)中,27.1%為≤6×20 MN小壓機(jī),而≥6×36 MN壓機(jī)有3091臺(tái),是當(dāng)前的主流設(shè)備,最大的壓機(jī)有6×62 MN。壓機(jī)的不斷大型化為高檔金剛石的合成提供了設(shè)備保障。而相對(duì)應(yīng)的,硬質(zhì)合金技術(shù)的不斷發(fā)展,也使得配套的用于Ф54 mm腔體以下的Ф160 mm頂錘成功應(yīng)用,錘耗在0.2～0.5 kg/萬(wàn)克拉。目前,伴隨著超硬材料應(yīng)用領(lǐng)域的需求變化,Ф160 mm以上頂錘成為實(shí)現(xiàn)大腔體合成技術(shù)持續(xù)發(fā)展的重要條件。加速改進(jìn)與研發(fā),硬質(zhì)合金超大頂錘的配套跟進(jìn)對(duì)超大腔體合成工藝的工業(yè)化推廣顯得尤為重要。

2 超大腔體合成高品級(jí)金剛石是對(duì)硬質(zhì)合金技術(shù)的又一次挑戰(zhàn)

大壓機(jī)的發(fā)展是當(dāng)前我國(guó)超硬材料發(fā)展的主導(dǎo)趨勢(shì),它帶動(dòng)了大頂錘的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的大頂錘主要用于合成金剛石單晶,應(yīng)用于Ф54 mm及以下合成腔體。在頂錘生產(chǎn)工藝上,由于采用了亞微細(xì)WC粉、改進(jìn)了壓制工藝、引入了冷等靜壓等先進(jìn)技術(shù),產(chǎn)品質(zhì)量得到很大的提高。Ф160 mm及以下頂錘已達(dá)到相當(dāng)先進(jìn)的水平,使金剛石生產(chǎn)的錘耗控制在1kg/萬(wàn)克拉以下,質(zhì)量好的頂錘錘耗甚至達(dá)0.15～0.3 kg/萬(wàn)克拉。在產(chǎn)品尺寸方面,頂錘生產(chǎn)企業(yè)如株硬集團(tuán)、廣東盈通、濟(jì)南冶科所等已能生產(chǎn)Ф160 mm以上大頂錘,如Ф165、Ф168、Ф175、Ф185、Ф199 mm等規(guī)格。在大頂錘使用方面,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大壓機(jī)、粉末觸媒、間接加熱等全新的工藝,使頂錘消耗大幅下降,用n kg/萬(wàn)克拉來(lái)表述頂錘的質(zhì)量已顯過(guò)時(shí),行業(yè)專(zhuān)家開(kāi)始建議以n kg/10萬(wàn)元的錘耗來(lái)表征頂錘的質(zhì)量與合成技術(shù)的性?xún)r(jià)比。雖然Ф160mm及以下頂錘的生產(chǎn)及使用已達(dá)到成熟的工業(yè)化水平,但仍然存在低次數(shù)錘以及塌錘的現(xiàn)象,就類(lèi)似頂錘的質(zhì)量而言,主要存在的問(wèn)題是:①晶粒普遍長(zhǎng)大,造成組織結(jié)構(gòu)不均勻,內(nèi)部應(yīng)力過(guò)大;②由于當(dāng)前采用了亞微細(xì)WC粉,壓制控制的難度增加,易出現(xiàn)分層、裂紋、未壓好等壓制缺陷,嚴(yán)重影響使用壽命;③也因?yàn)閬單⒓?xì)WC粉,更易出現(xiàn)臟化、混料現(xiàn)象[2]。這些問(wèn)題在Ф160mm以上超大頂錘應(yīng)用于Ф54 mm以上合成腔體時(shí),由于合成工藝條件的苛刻變化而進(jìn)一步放大,放任硬質(zhì)合金技術(shù)的現(xiàn)狀,將嚴(yán)重阻礙超大腔體合成高品級(jí)金剛石的發(fā)展。

2.1 合成條件對(duì)超大頂錘提出了新的要求

目前,大腔體和超大腔體合成工藝主要分為三種:

2.1.1 合成高品級(jí)單晶

合成工藝特點(diǎn)為擴(kuò)大合成腔體,提高單晶高品級(jí)率和降低成本,一般采用較低溫度和較低壓力。隨著腔體增大,在合成保壓后卸壓瞬間頂錘出現(xiàn)裂紋的幾率增大,對(duì)超大頂錘的要求是韌性與剛性要同時(shí)提高。

2.1.2 合成寶石級(jí)大單晶

合成工藝特點(diǎn)為晶種法合成,相對(duì)于自發(fā)成核工藝,有效加熱時(shí)間大幅度延長(zhǎng)(合成時(shí)間1天以上),升壓后階段要補(bǔ)充功率,主要采用大腔體合成。要求超大頂錘耐熱性好,抗熱疲勞的能力強(qiáng)。

2.1.3 合成復(fù)合片及I型料

合成工藝特點(diǎn)為直接加熱方式,快速升壓、升溫,合成壓力比單晶提高10%以上。

我國(guó)金剛石復(fù)合片合成技術(shù)要達(dá)到世界先進(jìn)水平,在合成過(guò)程中,還需進(jìn)一步提高燒結(jié)壓力和溫度,擴(kuò)大合成的有效腔體,降低頂錘消耗。要求頂錘具有高的抗壓強(qiáng)度、良好的熱疲勞性能和抗熱沖擊性能。

三種合成工藝,對(duì)超大頂錘的材料性能和質(zhì)量控制提出了更為苛刻的要求,頂錘的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)成為行業(yè)用戶(hù)發(fā)展超大腔體工藝要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題之一。

在Ф54mm以上合成腔體的應(yīng)用方面,由于大腔體合成工藝技術(shù)的配套性還不夠完善,其性?xún)r(jià)比與Ф160mm頂錘應(yīng)用的合成工藝相比,成本偏高,優(yōu)勢(shì)不明顯,表2為Ф175mm頂錘與Ф160mm頂錘合成的效果比較,要提高性?xún)r(jià)比,合成技術(shù)的配套性是關(guān)鍵。在設(shè)定的大腔體合成工藝下,由于超大頂錘的使用壽命及其穩(wěn)定性還不能滿(mǎn)足要求,因此,超大腔體工藝只能往較小的腔體工藝調(diào)整,以保證錘耗不至過(guò)高,這又造成大腔體壓機(jī)和工藝沒(méi)有發(fā)揮其設(shè)計(jì)水平、超大頂錘只能“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象。因此,解決超大腔體頂錘存在的技術(shù)問(wèn)題,提高超大腔體硬質(zhì)合金頂錘的使用壽命及其穩(wěn)定性,迫在眉睫。

表2 大腔體金剛石合成的主要生產(chǎn)水平Table 2 Main production levels of large cavity diamond synthesis

2.2 要達(dá)到新的要求,必須解決一系列難點(diǎn)問(wèn)題

雖然近年來(lái)以株硬集團(tuán)為代表的硬質(zhì)合金企業(yè)對(duì)頂錘受力狀態(tài)與失效機(jī)理有了新的認(rèn)識(shí),并有針對(duì)性地確立了“關(guān)注抗壓強(qiáng)度,優(yōu)化綜合性能,改善疲勞和蠕變,追求組織更均勻”的材料設(shè)計(jì)理念,硬質(zhì)合金WC相晶粒向細(xì)而均勻的方向控制,并添加微量鉭、鉻等金屬化合物和稀土元素[3],材料的綜合性能有了大幅度的提高,但是與國(guó)外先進(jìn)的硬質(zhì)合金大頂錘、壓缸生產(chǎn)技術(shù)相比,在產(chǎn)品制造水平上還有較大差距,主要體現(xiàn)在晶粒夾粗控制、孔隙和臟化控制、合金結(jié)構(gòu)控制、加工質(zhì)量控制等方面,縮短這些差距,對(duì)提高Ф160 mm以上大頂錘的質(zhì)量,無(wú)疑有著積極意義。

隨著頂錘體積的增大,同樣材質(zhì)的頂錘,因體積效應(yīng),使生產(chǎn)制造難度增加,要達(dá)到新的技術(shù)要求,需要解決的難點(diǎn)問(wèn)題主要有:

2.2.1 結(jié)構(gòu)均勻性問(wèn)題

目前,超大頂錘結(jié)構(gòu)的不均勻性主要表現(xiàn)在成分不均勻、密度不均勻、組織不均勻上。

產(chǎn)品體積增大后,成型劑脫除較難,容易形成芯部碳高、表面碳低的趨勢(shì);為保證大產(chǎn)品燒結(jié)充分,采用的燒結(jié)溫度較高、燒結(jié)時(shí)間往往較長(zhǎng),從而加劇液相燒結(jié)中鈷的蒸發(fā)和遷移,出現(xiàn)成分梯度,使頂錘的內(nèi)部應(yīng)力增加或表層抗壓性下降,從而降低使用壽命。以Co8%頂錘為例,典型的表面-芯部成分、性能變化見(jiàn)表3、表4。

表3 平均碳量在正常范圍的成分梯度Table 3 Composition gradient with average carbon amount in normal range

表4 平均碳量偏高的成分梯度Table 4 Composition gradient with high average carbon amount

隨著體積的增大,在壓制密度方面,各部位的不均勻性增加。目前常規(guī)的壓制方式是模壓或模壓+冷等靜壓復(fù)壓。模壓的非受壓面為頂錘頂部,產(chǎn)品體積增大,高度也相應(yīng)增高,在模壓壓制過(guò)程中,隨壓制高度的增加而壓制壓力損耗增大,故非受壓面的壓制密度更差,同時(shí)大體積產(chǎn)品中心部分也可能因壓力傳遞小、氣體未排出等原因而出現(xiàn)局部未壓好或孔洞,導(dǎo)致燒結(jié)后這些部位形成局部鈷聚集、WC聚集長(zhǎng)大的缺陷,見(jiàn)圖1。出現(xiàn)類(lèi)似鈷聚集、WC聚集長(zhǎng)大之后,整個(gè)頂錘性能的不均勻性明顯擴(kuò)大,這類(lèi)缺陷對(duì)抗彎強(qiáng)度影響較明顯,易引起低次數(shù)錘的出現(xiàn)。

圖1 鈷聚集、WC聚集長(zhǎng)大的金相組織 1500×Fig.1 Metallographic structure of cobalt and WC aggregation 1500×

由于細(xì)顆粒WC原料活性的增加,以及成分、密度的不均勻性,使合金金相組織的不均勻性增加,特別是夾粗、鈷相不均勻更易出現(xiàn),見(jiàn)圖2。

圖2 夾粗、鈷相不均勻,1500×Fig.2 Coarsening and nonuniform cobalt phase 1500×

要解決大腔體頂錘結(jié)構(gòu)不均勻的問(wèn)題,其技術(shù)難點(diǎn)為:

(1)碳含量及碳量梯度的精準(zhǔn)控制。

(2)碳量的無(wú)損檢測(cè)及監(jiān)控。

(3)抑制劑的加量以及加入方式對(duì)金相組織均勻、細(xì)化的影響規(guī)律。

2.2.2 缺陷控制問(wèn)題[4]

隨著體積的增大,壓坯的彈性后效更大,更易出現(xiàn)壓制裂紋、分層。由于體積效應(yīng),孔隙、臟化、混料等制造過(guò)程中易出現(xiàn)的缺陷對(duì)大頂錘的抗疲勞性能影響增大,對(duì)使用壽命的影響也相應(yīng)增大,因此,對(duì)這類(lèi)缺陷需要更加嚴(yán)格控制,難度增加。需要解決的難點(diǎn)問(wèn)題為:

(1)提高大頂錘密度及均勻性的壓制方法。

(2)降低壓制時(shí)彈性后效,減少壓制缺陷的脫模方式。

(3)降低孔隙的燒結(jié)技術(shù)。

(4)原料WC、Co粉的粒度和純度研究,減少夾粗、孔隙、臟化的產(chǎn)生。

(5)與合成工藝相適應(yīng)的無(wú)損探傷標(biāo)準(zhǔn)。

(6)為抵抗因缺陷帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn),材料設(shè)計(jì)的安全性。

2.2.3 減少和均化制造過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力

隨著體積的增大,制造過(guò)程中產(chǎn)生的燒結(jié)應(yīng)力、加工應(yīng)力聚集也越大,對(duì)頂錘使用壽命的影響也越大。根據(jù)資料報(bào)道,頂錘的內(nèi)部應(yīng)力減小2%,則使用壽命可提高3.9倍。加之因成本問(wèn)題,目前很多金剛石企業(yè)都不對(duì)頂錘進(jìn)行低溫烘烤時(shí)效和自然時(shí)效處理,因此大頂錘的時(shí)效問(wèn)題也應(yīng)引起硬質(zhì)合金生產(chǎn)廠家的重視。需要解決的難點(diǎn)問(wèn)題為:

(1)合理的燒結(jié)工藝,既降低晶粒長(zhǎng)大的風(fēng)險(xiǎn),又能降低燒結(jié)應(yīng)力。

(2)制造過(guò)程中消除和均化應(yīng)力的方法。

2.2.4 提高加工精度

隨著粉末塊合成技術(shù)的推廣應(yīng)用,與片狀合成技術(shù)相比,對(duì)設(shè)備的同步性、對(duì)中性、絕緣性、超壓速度的一致性要求更高,對(duì)頂錘的尺寸精度和表面質(zhì)量也要求更高,因此,頂錘的加工精度及穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。需要解決的難點(diǎn)問(wèn)題:

(1)加工參數(shù)與加工應(yīng)力的關(guān)系規(guī)律。

(2)加工應(yīng)力對(duì)大腔體頂錘使用壽命的影響規(guī)律。

(3)工序能力指數(shù)的控制要點(diǎn)。

3 堅(jiān)持新的開(kāi)發(fā)理念,實(shí)現(xiàn)新的突破,達(dá)到新的高度

3.1 敢為人先,敢擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)

從中國(guó)合成第一顆人造金剛石以來(lái),株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司就一直堅(jiān)持把硬質(zhì)合金頂錘、壓缸的研制作為企業(yè)責(zé)無(wú)旁貸的義務(wù),在超硬材料發(fā)展的每一個(gè)技術(shù)飛躍階段,都引領(lǐng)行業(yè)在硬質(zhì)合金材料的配套方面跟進(jìn)。作為依托國(guó)企龍頭企業(yè)的硬質(zhì)合金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,也一如既往地支持超硬材料的發(fā)展,在超大硬質(zhì)合金頂錘的設(shè)計(jì)和制造中,敢為人先,敢擔(dān)風(fēng)險(xiǎn),不懼被模仿。堅(jiān)持新的開(kāi)發(fā)理念,實(shí)現(xiàn)新的突破,不斷成就超硬材料新的輝煌。

3.2 堅(jiān)持制造技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)同步發(fā)展,虛心向合成領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)習(xí)

頂錘消耗大幅下降,除了硬質(zhì)合金材料的性能提升和制造技術(shù)的進(jìn)步以外,合成技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,如大壓機(jī)、粉末觸媒、間接加熱等全新工藝的推廣應(yīng)用,也是提高頂錘使用壽命的重要因素之一。隨著金剛石應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,合成工藝參數(shù)的頻繁變化和改進(jìn)對(duì)頂錘的性能提出了細(xì)化區(qū)別的要求。合成工藝不同,對(duì)于硬質(zhì)合金頂錘,也要求按其抗壓強(qiáng)度、熱性能、抗疲勞性能、質(zhì)量效益進(jìn)行分類(lèi)應(yīng)用,確定頂錘質(zhì)量的安全系數(shù),得出最佳使用效果。下一步,頂錘壽命與合成效率提高將從以腔體材料研究為重點(diǎn)向應(yīng)用技術(shù)為重點(diǎn)的方向轉(zhuǎn)變,滿(mǎn)足市場(chǎng)不斷變化的應(yīng)用需求。

3.3 堅(jiān)持新的設(shè)計(jì)理念,系統(tǒng)地攻克關(guān)鍵技術(shù),先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用將是發(fā)展方向

3.3.1 細(xì)晶、超細(xì)晶硬質(zhì)合金成為頂錘新材料的重要發(fā)展方向

目前,頂錘材料的抗壓強(qiáng)度已達(dá)到4000 MPa以上,抗彎強(qiáng)度達(dá)到3000 MPa以上。隨著金剛石單晶、復(fù)合片合成技術(shù)的發(fā)展,對(duì)頂錘材料的抗壓強(qiáng)度、抗疲勞性能要求達(dá)到了空前的高度,細(xì)晶、超細(xì)晶硬質(zhì)合金以其高強(qiáng)度、高韌性和較好的高溫性能成為滿(mǎn)足金剛石合成技術(shù)發(fā)展的首選材料,并逐步進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模,成為頂錘新材料發(fā)展的重要方向。

株硬集團(tuán)依托硬質(zhì)合金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,近幾年在頂錘材質(zhì)研究和制造工藝上取得了較好的成果。研制的YL系列細(xì)晶粒和亞微細(xì)晶粒牌號(hào)頂錘,硬度HRA90.5～92.8,抗彎強(qiáng)度≥3300 MPa,金相結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3、圖4,抗壓強(qiáng)度4600～5800MPa,WC晶粒度0.6～1.0μm,SEM照片見(jiàn)圖5。這些頂錘與中細(xì)晶粒頂錘相比,晶粒細(xì)而均勻,硬度高,強(qiáng)度高,更適合用于大腔體及較高合成壓力的合成工藝。

圖3 YL20.5金相照片,1500×Fig.3 Metallograph of YL20.5 1500×

圖4 YL20.6金相照片,1500×Fig.4 Metallograph of YL20.6 1500×

圖5 亞微細(xì)晶粒頂錘SEM照片,10000×Fig.5 SEM photograph of the submicron grain anvil 10000×

3.3.2 先進(jìn)制造技術(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用,為解決超大頂錘的難點(diǎn)問(wèn)題和在線控制提供了可靠保證

株硬集團(tuán)在細(xì)晶粒、亞微細(xì)晶粒頂錘的制造過(guò)程中,將硬質(zhì)合金先進(jìn)制造技術(shù)整套體系(工藝流程見(jiàn)圖6)引入到大頂錘的生產(chǎn)中,特別是噴霧干燥、真空干燥等混合料制備以及脫蠟燒結(jié)一體-低壓燒結(jié)的先進(jìn)技術(shù),工藝流程縮短,人為影響因素減少,環(huán)境大為改善,資源能源消耗降低,使大型頂錘的生產(chǎn)工藝提質(zhì)換代,整體控制水平得到大幅提升,大規(guī)格、細(xì)晶粒頂錘制造過(guò)程中的缺陷,如晶粒長(zhǎng)大、組織結(jié)構(gòu)不均勻、孔洞、合金臟化等問(wèn)題,得到了進(jìn)一步控制,減少甚至消除這些缺陷[5]。硬質(zhì)合金先進(jìn)技術(shù)體系的有效應(yīng)用,將成為保障新材料高性能的一致性、解決異常頂錘問(wèn)題的重要途徑,在未來(lái)3～5年中,得到迅速推廣。

圖6 先進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)的工藝流程圖Fig.6 Process flow diagram of advanced technology system

3.4 堅(jiān)持用高新技術(shù)指導(dǎo)研發(fā),優(yōu)化質(zhì)量控制與評(píng)價(jià)體系

3.4.1 硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)的深入研究將進(jìn)一步提高頂錘在線生產(chǎn)的受控程度,質(zhì)量的穩(wěn)定性也將進(jìn)一步提高

隨著超硬材料行業(yè)對(duì)頂錘壽命及其穩(wěn)定性要求的日益提高,現(xiàn)有材料性能的檢測(cè)已不足以指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造的研究及控制。通過(guò)對(duì)硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)特別是鈷相結(jié)構(gòu)的研究深入,國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)如硬質(zhì)合金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)發(fā)現(xiàn):通過(guò)提高硬質(zhì)合金頂錘在使用過(guò)程中Co相切變的驅(qū)動(dòng)力[6],可提高頂錘抗塑性斷裂的能力,從而提高頂錘的使用壽命。圖7為使用效果不同的頂錘各部位鈷磁分布,從圖中可知,使用次數(shù)低的頂錘,其底部到頂部的鈷磁分別從(C+0.5)%到(C+0.1)%,與使用次數(shù)高的同部位鈷磁相比,鈷磁高,梯度大。采用特殊制樣方法,對(duì)兩種錘不同部位的鈷相進(jìn)行分析,作出面心立方鈷(111)晶面的X射線衍射圖,見(jiàn)圖8。

圖7 不同使用效果的頂錘各部位的鈷磁Fig.7 The cobalt magnetic in each part of anvil after different service life

圖8中,最上的三條線表征使用次數(shù)高的底、芯、頂,下三條線表征使用次數(shù)低的底、芯、頂,觀察其面心立方Co的(111)晶面的X衍射峰位的偏移量,可以得出,使用次數(shù)高的偏移量小,Co相不易從面心立方Co切變到密排六方Co,整錘梯度小而均勻;而使用次數(shù)低的頂錘,則相反,鈷相切變的驅(qū)動(dòng)力小。頂錘在使用過(guò)程中,較低的應(yīng)力就能使面心立方Co切變成密排六方Co,從而降低硬質(zhì)合金材料的抗塑性斷裂能力。因此,通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)的研究,可以確定材料性能參數(shù)的控制量,從而提高在線生產(chǎn)的受控程度,提高其穩(wěn)定性。

3.4.2 建立硬質(zhì)合金頂錘韌性和疲勞性能綜合評(píng)估體系,滿(mǎn)足材料設(shè)計(jì)和產(chǎn)品虛擬制造的需求

頂錘是在交變應(yīng)力機(jī)制下使用的,目前,行業(yè)內(nèi)還不具備對(duì)頂錘的使用壽命進(jìn)行預(yù)判的能力。研究硬質(zhì)合金頂錘的質(zhì)量評(píng)價(jià)體系,將硬質(zhì)合金疲勞能力的評(píng)估技術(shù)與常規(guī)硬質(zhì)合金檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合,對(duì)材料設(shè)計(jì)的有效性、頂錘內(nèi)部結(jié)構(gòu)的梯度、制造過(guò)程的缺陷變量、頂錘尺寸及精度變化進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)算,得出影響頂錘使用壽命的因素及其規(guī)律,將大幅提升頂錘的耐用度,滿(mǎn)足金剛石行業(yè)持續(xù)發(fā)展的需求。

圖8 面心立方鈷(111)晶面的X射線衍射圖Fig.8 X-ray diffraction pattern of(111)crystal plane in the face-centered cubic cobalt

3.4.3 超聲波無(wú)損檢測(cè)達(dá)到新水平

對(duì)頂錘進(jìn)行超聲波檢查始于上世紀(jì)80年代的株洲廠,近幾年更是取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。株硬集團(tuán)已對(duì)頂錘的內(nèi)部孔洞、裂紋、鈷聚集、第三相、異常粗大晶粒檢測(cè)建立了相應(yīng)的內(nèi)控操作標(biāo)準(zhǔn)和允許尺度。基于硬質(zhì)合金的高密度特性,準(zhǔn)確判斷的難度大,檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性、可靠性還將日趨完善,可在行業(yè)內(nèi)推廣。

4 結(jié)束語(yǔ)

李志宏等在慶祝中國(guó)超硬材料發(fā)展五十周年的行業(yè)發(fā)展報(bào)告中指出:超硬材料行業(yè)有著充滿(mǎn)希望的光輝未來(lái),下階段超硬材料行業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向之一是:轉(zhuǎn)變發(fā)展方式,調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu),多品種、多規(guī)格發(fā)展,大力加強(qiáng)制品開(kāi)發(fā)研究,著力應(yīng)用技術(shù)研究,以適應(yīng)多元市場(chǎng)的需求。為滿(mǎn)足超硬材料的發(fā)展,加速原輔材料的改進(jìn)與研發(fā),特別是硬質(zhì)合金件的配套跟進(jìn)尤為重要。硬質(zhì)合金技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新,為Ф160mm以上大頂錘的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),它將成就中國(guó)超硬材料明日的輝煌。

[1] 王秦生.合成壓機(jī)和腔體大型化是金剛石制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[J].新材料產(chǎn)業(yè),2010(1):36.

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

[3] 胡茂中.中國(guó)超硬材料工業(yè)五十年[M].鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社,2013:223.

[4] 周旭峰.硬質(zhì)合金大規(guī)格頂錘缺陷消除的研究[D].中南大學(xué), 2004:26-46.

[5] 彭文.硬質(zhì)合金先進(jìn)技術(shù)在大規(guī)格頂錘制造中的應(yīng)用[J].超硬材料工程,2013,25(1):26-29.

[6] 謝晨輝.粘結(jié)相Co的切變機(jī)制及微觀結(jié)構(gòu)的研究[J].硬質(zhì)合金,2013,30(5):224.

The Current Status and Development of Oversize Cemented Carbide Anvil aboveФ160 mm in Diameter

PENG wen1,2,SHU Jun2
(1.State Key Laboratory of Cemented Carbide,Zhuzhou,Hunan 412000; 2.Zhuzhou Cemented Carbide Group Corp.Ltd.,Zhuzhou,Hunan 412000)

In the new period of development 50 years after the emerge of superhard material industry,the cemented carbide technology is facing a severe challenge from oversize cavity synthesis technique.Based on a comprehensive analysis of the current status, change in demand and the difficult issues to be solved for the oversize cemented carbide anvil,it is suggested that in order to expedite the improvement and development of the oversize cemented carbide anvil aboveФ160mm in diameter,a new development concept should be adopted.The technology development direction of the oversize cemented carbide anvil aboveФ160mm in diameter has been systematically formulated and it is believed that the technique updating has a significant importance for the industrialization promotion of the oversize cavity synthesis technology.

oversize cemented carbide anvil aboveФ160mm in diameter;oversized cavity synthesis;technology development;technique follow-up;Sustainable innovation

TQ164

A

1673-1433(2014)02-0011-07

2014-06-05

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