預(yù)應(yīng)力硬質(zhì)合金頂錘的研制

陳超,劉艷軍,李泳俠,鄒丹

(湖南博云東方粉末冶金有限公司,長沙 410205)

預(yù)應(yīng)力硬質(zhì)合金頂錘的研制

陳超,劉艷軍,李泳俠,鄒丹

(湖南博云東方粉末冶金有限公司,長沙 410205)

研究表明,在高溫高壓的合成狀態(tài)下,六面頂頂錘46°斜面中心對稱線下方存在的切向拉應(yīng)力是產(chǎn)生縱向裂紋和斷裂的主要原因。預(yù)應(yīng)力頂錘的表面存在的預(yù)壓應(yīng)力可抵消部分拉應(yīng)力,降低了頂錘在工作狀態(tài)的應(yīng)力水平。文章闡述了頂錘預(yù)應(yīng)力的形成機(jī)制并對樣品進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測,證實了殘余壓應(yīng)力的存在。試制的一批試用頂錘,相比傳統(tǒng)頂錘使用壽命有顯著提高。

頂錘;超硬材料高壓合成;預(yù)應(yīng)力;殘余應(yīng)力;使用壽命

1 引言

1963年我國成功合成第一顆人造金剛石至今,隨著工藝、合成材料以及設(shè)備的不斷更新,金剛石合成行業(yè)蓬勃發(fā)展。人造金剛石合成國內(nèi)主要采用六面頂壓機(jī),而頂錘是構(gòu)成合成腔體的關(guān)鍵部件,也是主要的消耗部件。頂錘的使用壽命決定著金剛石合成的過程穩(wěn)定性及其經(jīng)濟(jì)效益,因此如何提高頂錘壽命一直是大家關(guān)心的問題。

2 研究背景

硬質(zhì)合金頂錘是六面頂建立和承受超高壓合成壓力(6～8 GPa)的關(guān)鍵零件,頂錘工作時受交變的外載應(yīng)力與熱應(yīng)力的作用,當(dāng)最大應(yīng)力超過材料的疲勞極限時,頂錘極易發(fā)生破壞。

頂錘材料硬質(zhì)合金屬脆性材料,其破壞通常是由于最大主應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力造成的。盡管其抗壓強(qiáng)度較高,但疲勞強(qiáng)度卻只有0.7 GPa。調(diào)查結(jié)果表明,頂錘46°斜面中心對稱線是最容易產(chǎn)生裂紋并導(dǎo)致破裂的位置,由此產(chǎn)生的縱向裂紋和斷裂占頂錘破壞總數(shù)的80%以上。由此認(rèn)定,六面頂頂錘46°斜面中心對稱線下方存在的切向拉應(yīng)力是產(chǎn)生縱向裂紋和斷裂的根本原因[1]。圖1為我公司頂錘在試用中的實際開裂情況(壽命13000次)。

圖1 頂錘的縱向斷裂Fig.1 The longitudinal fracture of the anvil

雖然可通過增加在外圓柱表面上的徑向預(yù)緊力來降低頂錘主應(yīng)力,但斜面裸露在鋼套外,沒有徑向預(yù)緊力。如果能在頂錘表面形成預(yù)壓應(yīng)力來部分抵消頂錘在使用中產(chǎn)生的拉應(yīng)力,將有效降低頂錘在使用過程中的應(yīng)力,達(dá)到提高頂錘使用壽命的目的。

3 原理及方案

由于Co與WC兩相的熱膨脹系數(shù)相差2倍,所以從燒結(jié)溫度冷卻下來時,燒結(jié)態(tài)頂錘中存在著很大的熱應(yīng)力,且兩相中熱應(yīng)力的符號相反,WC相中的熱應(yīng)力是壓應(yīng)力而Co相中的則是拉應(yīng)力[2]。采用真空燒結(jié)工藝燒結(jié)硬質(zhì)合金時,由脫蠟工藝造成的碳勢不均會造成燒結(jié)冷卻階段在合金表面形成一層富鈷的WC-Co合金層[3],特別是對大制品而言,該現(xiàn)象更加明顯。因此,采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的頂錘燒結(jié)后表面的Co含量高(如圖2a所示),存在殘余拉應(yīng)力,與工作狀態(tài)下頂錘所受拉應(yīng)力相疊加。預(yù)應(yīng)力頂錘采用非均質(zhì)結(jié)構(gòu),鈷含量芯部比表面高(如圖2b所示)。

圖2 頂錘剖面Co分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of Co distribution on anvil section

燒結(jié)時,粘結(jié)相(Co)從粗顆粒碳化物區(qū)域向細(xì)顆粒碳化物區(qū)域遷移,遷移驅(qū)動力為毛細(xì)管壓力差,即毛細(xì)管力的作用;粘結(jié)相從液相量高的區(qū)域向液相量低的區(qū)域遷移,遷移的驅(qū)動力為液相壓力差,即液相體積差的作用;物質(zhì)狀態(tài)變化時體積膨脹或收縮產(chǎn)生壓力的作用[4]。按照以上三種機(jī)制設(shè)計我們的頂錘結(jié)構(gòu),合金表層形成貧鈷層,而芯部合金則富鈷(如圖3b所示)。

這樣設(shè)計的意義在于:由于芯部的鈷含量高于表層,燒結(jié)后在冷卻過程中芯部的體積收縮大于表層,從而使得燒結(jié)態(tài)頂錘存在方向由外向內(nèi)的殘余應(yīng)力,在表面表現(xiàn)為壓應(yīng)力。

采用X射線衍射的方法分別檢測了傳統(tǒng)工藝頂錘與預(yù)應(yīng)力頂錘的表面殘余應(yīng)力(見圖4)。傳統(tǒng)工藝頂錘表面殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力頂錘表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。

圖3 Co含量徑向分布Fig.3 The radial distribution of Co content

圖4 頂錘表面殘余應(yīng)力分析Fig.4 analysis of residual stress on the surface of anvil

4 使用壽命試驗

應(yīng)用預(yù)應(yīng)力硬質(zhì)合金制備技術(shù)制備了29個Φ150預(yù)應(yīng)力頂錘在某公司Φ650mm缸徑六面頂壓機(jī)上進(jìn)行試用。

4.1 頂錘試驗工藝參數(shù)

(1)壓機(jī)及頂錘

壓機(jī)油缸:650 mm 頂錘規(guī)格:Φ150mm

工作面尺寸:52*52mm

葉蠟石尺寸:64*64mm 金剛石合成塊:JR1

(2)合成工藝

加熱壓強(qiáng):45 MPa 合成腔壓強(qiáng):9.8 GPa

預(yù)熱電流:15 A 合成電流:70 A

中停時間:185秒 加熱時間:400秒

停熱時間:125秒

4.2 試驗結(jié)果

29個頂錘平均使用壽命為9200次,其中8個超過1萬次。而此前同樣工況下試用的采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的同型號頂錘,平均使用壽命不到5000次。預(yù)應(yīng)力頂錘的使用壽命是傳統(tǒng)頂錘的2倍。

圖5 頂錘工作實拍圖Fig.5 photo of anvil under working condition

5 結(jié)論

傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的頂錘其表面鈷含量高,殘余應(yīng)力是拉應(yīng)力,應(yīng)用預(yù)應(yīng)力頂錘制備技術(shù)生產(chǎn)的頂錘其表面鈷含量低,殘余應(yīng)力是壓應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力頂錘表面的殘留壓應(yīng)力可以部分抵消頂錘合成時在46°大斜面產(chǎn)生的拉應(yīng)力,成倍地提高了頂錘的使用壽命。

[1] 王強(qiáng),蔡冬梅,何芳,等.基于三維有限元的六面頂頂錘應(yīng)力分析[J].重型機(jī)械,2004,(3):45-48.DOI:10.3969/j.issn.1001-196X.2004.03.012.

[2] 錢崇梁,吳恩熙,呂海波,等.WC-Co硬質(zhì)合金的加工殘余應(yīng)力[J].中國有色金屬學(xué)報,1993,3(1):50-53.

[3] 伍春華.硬質(zhì)合金頂錘真空燒結(jié)新工藝的探討[C].第六屆全國硬質(zhì)合金學(xué)術(shù)會議論文集,1995:156-160.

Development of Prestressed Cemented Carbide Anvil

CHEN Chao,LIU Yan-Jun,LI Yong-xia,ZOU Dan
(Hunan Boyun Dongfang Powder Metallurgy Co.,Ltd.,Changsha 410205,China)

Research shows that under the H THP synthesis conditions,the tangential tensile stress underneath the central symmetric line of the 46°incline plane of the cubic apparatus anvil is the main cause of longitudinal crack and fracture.Compressive pre-stress on the surface of prestressed anvil can offset part of the tensile stress,so the stress level of anvil under working conditions has been reduced.In this article,the formation mechanism of the prestress of anvil has been explained and the residual stress test for the samples has been conducted.The test result confirms the existence of residual compressive stress.A batch of anvils have been manufactured for trial use,and their service life has been significantly improved compared to that of the ordinary anvils.

anvil;prestress;residual stress;service life

TQ164

A

1673-1433(2015)01-0022-03

肖逸鋒.WC-Co梯度硬質(zhì)合金的設(shè)計、制備及其性能研究[D].中南大學(xué),2008.

10.7666/d.y1538633.

2015-02-09

陳超(1987-),男,湖南岳陽人,學(xué)士學(xué)位,助理工程師,從事大制品及超細(xì)硬質(zhì)合金方面的研究。E-mail:574684280@qq.com

陳超,劉艷軍,李泳俠,,等.預(yù)應(yīng)力硬質(zhì)合金頂錘的研制[J].超硬材料工程,2015,27(1):22-24.