彭 文，鄧 濤

（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)合金先進(jìn)技術(shù)在大規(guī)格頂錘制造中的應(yīng)用①

彭 文1，2，鄧 濤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）

目前，大規(guī)格六面頂錘已經(jīng)主導(dǎo)了中國(guó)超硬材料合成腔體市場(chǎng)，由于硬質(zhì)合金先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，硬質(zhì)合金頂錘的使用壽命已達(dá)到相當(dāng)高的水平，但異常頂錘的問(wèn)題仍然困擾著金剛石生產(chǎn)廠家。文章總結(jié)了應(yīng)用在大規(guī)格頂錘產(chǎn)品上的硬質(zhì)合金先進(jìn)技術(shù)，特別是分析了高性能細(xì)晶、亞微細(xì)晶硬質(zhì)合金大頂綞的保障技術(shù)，認(rèn)為系統(tǒng)地應(yīng)用硬質(zhì)合金先進(jìn)技術(shù)是行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

硬質(zhì)合金先進(jìn)技術(shù)；超硬材料合成；亞微細(xì)晶粒；大規(guī)格頂錘；系統(tǒng)應(yīng)用

1 概述

2013年是中國(guó)超硬材料發(fā)展五十周年，經(jīng)過(guò)這五十年的努力，中國(guó)已經(jīng)成為了世界超硬材料生產(chǎn)大國(guó)，人造金剛石產(chǎn)量位居世界第一，2012年產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的90%，金剛石應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，超硬材料制品逐步接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。超硬材料的發(fā)展，壓機(jī)大型化、合成工藝技術(shù)的進(jìn)步起了關(guān)鍵作用，而作為高壓合成腔體不可替代的硬質(zhì)合金頂錘，其生產(chǎn)技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新也成就了中國(guó)超硬材料產(chǎn)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(dāng)一段時(shí)間內(nèi)維持中細(xì)晶粒8%Co的材質(zhì)不變，而支撐頂錘使用壽命不斷提高的重要因素，是硬質(zhì)合金新工藝技術(shù)應(yīng)用于頂錘生產(chǎn)制造上的結(jié)果。頂錘生產(chǎn)企業(yè)陸續(xù)引進(jìn)了冷等靜壓技術(shù)、新的濕磨工藝、壓制工藝，采用了低壓燒結(jié)等硬質(zhì)合金先進(jìn)技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品制造中的缺陷進(jìn)行了重點(diǎn)控制，產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性得到很大提高。

目前，大規(guī)格六面頂錘已經(jīng)主導(dǎo)了中國(guó)超硬材料合成腔體市場(chǎng)，細(xì)晶、亞微細(xì)晶硬質(zhì)合金也成為了頂錘新材料發(fā)展的重要方向，其抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度有了大幅提升，同時(shí)隨著硬質(zhì)合金先進(jìn)技術(shù)引入到新材料頂錘的生產(chǎn)工藝上，使新材料大頂錘實(shí)際應(yīng)用效果達(dá)到相當(dāng)高的水平，金剛石生產(chǎn)錘耗已控制在＜1kg／萬(wàn)克拉，最好效果為0.15～0.3kg／萬(wàn)克拉。

本文對(duì)硬質(zhì)合金先進(jìn)技術(shù)在大規(guī)格頂錘產(chǎn)品上的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，特別是針對(duì)細(xì)晶、亞微細(xì)晶硬質(zhì)合金大頂綞高性能的保障技術(shù)，重點(diǎn)分析其發(fā)展趨勢(shì)。

2 硬質(zhì)合金先進(jìn)技術(shù)在頂錘上的應(yīng)用

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

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

圖2 硬質(zhì)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(jīng)濕磨后過(guò)濾料漿、干燥生產(chǎn)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(jié)。流程2：原料在球磨機(jī)中濕磨，卸料前1小時(shí)加入熔融石蠟，卸下的料漿在雙圓錐干燥器內(nèi)干燥，干燥好的混合料冷卻至室溫，經(jīng)均勻化處理后壓制、燒結(jié)。

這些廠家頂錘制備所用的設(shè)備和技術(shù)，相同的是濕磨機(jī)已全面采用可傾式球磨機(jī)，球磨效率高、控制精準(zhǔn)，保證了濕磨工藝精確執(zhí)行，質(zhì)量穩(wěn)定；成型劑均采用石蠟，在脫蠟過(guò)程中殘?zhí)忌?，易脫出；混合料采用機(jī)械擦篩制粒使之均勻化；燒結(jié)均采用真空－熱等靜壓燒結(jié)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(jié)是分段還是一體。他們?cè)谝陨瞎に嚵鞒讨胁糠植捎昧擞操|(zhì)合金先進(jìn)技術(shù)，并根據(jù)頂錘制備的特點(diǎn)，結(jié)合各自的裝備和技術(shù)進(jìn)行控制，各有訣竅，均取得了較好的效果。

3 細(xì)晶、亞微細(xì)晶硬質(zhì)合金大頂錘高性能的保障技術(shù)

盡管大規(guī)格細(xì)晶、亞微細(xì)晶頂錘已達(dá)實(shí)用階段，但還是存在一些異常頂錘，導(dǎo)致在金剛石合成過(guò)程中出現(xiàn)較低壽命的失效，造成較高價(jià)值的損失。超硬材料行業(yè)資深專(zhuān)家方嘯虎教授在與業(yè)內(nèi)知名專(zhuān)家討論時(shí)指出，目前異常頂錘主要存在的問(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)前采用了超亞細(xì)粉，比表面積明顯增大，其優(yōu)點(diǎn)是壓制得好時(shí)，織構(gòu)非常好，頂錘壽命明顯提高，但若壓制不好時(shí)，則容易形成若干孔洞，這也是致命傷害；③也因?yàn)槌瑏喖?xì)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(jié)過(guò)程中就非常容易臟化［3］。

對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行分析，可以推斷：大規(guī)格、細(xì)晶粒頂錘制造過(guò)程中的缺陷，如因成型劑分散不均勻或者脫除不徹底、燒結(jié)時(shí)碳和氧含量控制不當(dāng)而引起晶粒長(zhǎng)大、組織結(jié)構(gòu)不均勻，壓制密度不好而引起的孔洞，人為操作、設(shè)備和環(huán)境造成合金臟化等，都可能導(dǎo)致異常頂錘的出現(xiàn)。如何控制細(xì)晶、亞微細(xì)晶硬質(zhì)合金頂錘的微觀結(jié)構(gòu)，減少缺陷，提高頂錘在線生產(chǎn)的受控程度，進(jìn)一步提高質(zhì)量的穩(wěn)定性，是我們?nèi)绾螌⒂操|(zhì)合金先進(jìn)技術(shù)在頂錘制造中有效應(yīng)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(wèn)題的重要途徑。

為實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)，根據(jù)細(xì)晶粒、亞微細(xì)晶粒頂錘的技術(shù)現(xiàn)狀，借鑒數(shù)控刀片、球齒、棒材生產(chǎn)工藝技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，將硬質(zhì)合金先進(jìn)制造技術(shù)整套體系引入大頂錘的生產(chǎn)中是非常必要的。工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 硬質(zhì)合金頂錘先進(jìn)技術(shù)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(shù)體系中，特別是混合料噴霧干燥以及脫蠟燒結(jié)一體－低壓燒結(jié)的先進(jìn)技術(shù)，能使大型頂錘的生產(chǎn)工藝提質(zhì)換代，整體控制水平得到大幅提升，工藝流程縮短，人為影響因素減少，生產(chǎn)環(huán)境大為改善，資源能源消耗降低，更加適合細(xì)晶、亞微細(xì)晶粒頂錘質(zhì)量過(guò)程控制。

3.1 混合料噴霧干燥

合金質(zhì)量在很大程度上取決于混合料的質(zhì)量。濕磨＋機(jī)械制粒生產(chǎn)工藝，設(shè)備簡(jiǎn)單，但工序較長(zhǎng)，干燥與制粒需由兩個(gè)工序分開(kāi)完成，物料易氧化、臟化，而且生產(chǎn)自動(dòng)化水平低，產(chǎn)量低，所生產(chǎn)的混合料質(zhì)量較差。濕磨＋噴霧干燥生產(chǎn)工藝，投資大，設(shè)備復(fù)雜，但生產(chǎn)自動(dòng)化水平高，整個(gè)干燥流程都在密閉狀態(tài)下進(jìn)行，能對(duì)密閉設(shè)備的氧含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而確?；旌狭系难鹾吭谠试S范圍內(nèi)，生產(chǎn)出的混合料流動(dòng)性能好，松裝密度穩(wěn)定，粒度分布均勻，產(chǎn)量大，能滿足高質(zhì)量、高性能、大批量硬質(zhì)合金生產(chǎn)的需要［4］。在先進(jìn)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(xué)成分、晶粒度、碳含量之間的可比關(guān)系對(duì)混合料進(jìn)行檢測(cè)，這大大強(qiáng)化了對(duì)混合料的質(zhì)量控制［5］，從而可確保細(xì)晶、亞細(xì)晶硬質(zhì)合金混合料的質(zhì)量及合金的性能。

濕磨＋噴霧干燥生產(chǎn)工藝雖然在數(shù)控刀片、球齒、棒材、軋輥等產(chǎn)品上應(yīng)用，并取得了很好的效果，但應(yīng)用于頂錘大體積實(shí)心體，又是細(xì)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(diǎn)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?；缺點(diǎn)是不與酒精相溶，且在干燥時(shí)容易偏析，造成合金產(chǎn)生臟化孔和結(jié)構(gòu)不均勻，壓坯強(qiáng)度低，復(fù)雜形狀的產(chǎn)品難成型，混合料的壓制性能受溫度影響較大。為適應(yīng)酒精作為濕磨介質(zhì)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(zhì)合金原料一起在酒精濕磨介質(zhì)中混合，達(dá)到分子級(jí)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(xì)而軟，流動(dòng)性好。以株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司（下稱(chēng)株硬集團(tuán)）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(xì)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(jié)工藝，制備的合金微觀組織結(jié)構(gòu)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(yùn)用噴霧干燥過(guò)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(dá)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(tuán)生產(chǎn)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(zhì)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(nèi)部孔隙，使燒結(jié)后的合金組織結(jié)構(gòu)致密、均勻，從而提高合金的抗斷裂強(qiáng)度和使用壽命［7］。早在1996年，株硬集團(tuán)就率先采用了模壓＋冷等靜壓復(fù)壓處理的工藝壓制大規(guī)格頂錘，對(duì)提高壓坯密度及其均勻性及消除頂錘內(nèi)部缺陷起了較好的作用。采用噴霧料后，穩(wěn)定、均勻、流動(dòng)性好的不同批次混合料，其振實(shí)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(jié)－低壓燒結(jié)工藝

真空－熱等靜壓燒結(jié)在頂錘生產(chǎn)中已經(jīng)普及，目前硬質(zhì)合金生產(chǎn)中最先進(jìn)的氣壓燒結(jié)爐是將硬質(zhì)合金的脫除成型劑、燒結(jié)、熱等靜壓功能集中于一體、生產(chǎn)時(shí)一次完成的燒結(jié)設(shè)備，其非常適合對(duì)碳量控制要求非常嚴(yán)格的低鈷細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的燒結(jié)。在超細(xì)棒材的生產(chǎn)中，大多采用此種燒結(jié)爐，而行業(yè)內(nèi)其他廠家生產(chǎn)頂錘所用的壓力燒結(jié)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(zhuǎn)入壓力燒結(jié)爐中加壓燒結(jié)的方法，由于脫蠟預(yù)燒溫度低，半成品強(qiáng)度差，大頂錘不易搬運(yùn)，同時(shí)產(chǎn)品脫蠟后若未及時(shí)燒結(jié)極易增氧，不利于細(xì)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(jié)爐將頂錘脫蠟、真空燒結(jié)后，再用壓力燒結(jié)爐加壓燒結(jié)的方法。雖然最終均采用了壓力燒結(jié)，但相對(duì)而言，脫除成型劑、燒結(jié)、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(jié)構(gòu)更均勻。

雖然一體式氣壓燒結(jié)爐在小產(chǎn)品上成功應(yīng)用，但對(duì)于大規(guī)格、細(xì)晶粒頂錘的脫蠟燒結(jié)，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(xì)致。以株硬集團(tuán)為例，基本思路是以新成型劑的熱分析曲線（圖7）為基礎(chǔ)，根據(jù)燒結(jié)爐低溫溫場(chǎng)的數(shù)據(jù)，對(duì)脫蠟燒結(jié)工藝進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)脫蠟過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和產(chǎn)品分析結(jié)果，進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)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(xì)晶粒、大規(guī)格頂錘的脫蠟燒結(jié)工藝，其成型劑的脫除效率高，產(chǎn)品不起皮，碳量控制精度很高，頂錘燒結(jié)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(shí)管道的溫度和壓力實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)控截圖Fig.8 Real－time monitoring screenshot of forming agent removal

先進(jìn)的技術(shù)，除了包含先進(jìn)的設(shè)備以外，配套的精細(xì)、量化的過(guò)程控制更是穩(wěn)定和提高產(chǎn)品質(zhì)量的保證。隨著硬質(zhì)合金先進(jìn)技術(shù)體系的有效應(yīng)用，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，將會(huì)進(jìn)一步減少甚至消除。

4 株硬集團(tuán)高性能頂錘介紹

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)和制造工藝研究方面取得了較好的成果。研制的細(xì)晶粒牌號(hào)YL20.5、YL20.6（硬度HRA≥90.5，抗彎強(qiáng)度≥3400MPa，WC晶粒度為0.8～1.0μm，金相結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9、圖10），亞微細(xì)晶粒牌號(hào)系列（硬度HRA≥91.5，抗彎強(qiáng)度≥3300MPa，抗壓強(qiáng)度5100～5800MPa，WC晶粒度0.6～0.8μm，SEM照片見(jiàn)圖11）等產(chǎn)品，與中細(xì)晶粒YL20.4牌號(hào)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，在細(xì)晶粒頂錘的制造過(guò)程中，硬質(zhì)合金先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)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(xì)晶粒頂錘SEM照片，10000×Fig.11 SEM photo of microfine grain anvil，10000×

5 結(jié)論

隨著硬質(zhì)合金先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，大規(guī)格頂錘的使用壽命已達(dá)到了相當(dāng)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(chǎn)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(duì)細(xì)晶粒大規(guī)格頂錘的材質(zhì)和頂錘質(zhì)量的穩(wěn)定性提出了更高的要求，硬質(zhì)合金先進(jìn)技術(shù)的系統(tǒng)運(yùn)用，是保障頂錘質(zhì)量的發(fā)展趨勢(shì)。

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

［2］周旭峰.硬質(zhì)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(zhì)合金頂錘的探索［J］.磨料磨具，2010（12）.

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

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

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

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

［8］中國(guó)專(zhuān)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(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。