预应力硬质合金顶锤的研制

陈超,刘艳军,李泳侠,邹丹

(湖南博云东方粉末冶金有限公司,长沙 410205)

预应力硬质合金顶锤的研制

陈超,刘艳军,李泳侠,邹丹

(湖南博云东方粉末冶金有限公司,长沙 410205)

研究表明,在高温高压的合成状态下,六面顶顶锤46°斜面中心对称线下方存在的切向拉应力是产生纵向裂纹和断裂的主要原因。预应力顶锤的表面存在的预压应力可抵消部分拉应力,降低了顶锤在工作状态的应力水平。文章阐述了顶锤预应力的形成机制并对样品进行残余应力检测,证实了残余压应力的存在。试制的一批试用顶锤,相比传统顶锤使用寿命有显著提高。

顶锤;超硬材料高压合成;预应力;残余应力;使用寿命

1 引言

1963年我国成功合成第一颗人造金刚石至今,随着工艺、合成材料以及设备的不断更新,金刚石合成行业蓬勃发展。人造金刚石合成国内主要采用六面顶压机,而顶锤是构成合成腔体的关键部件,也是主要的消耗部件。顶锤的使用寿命决定着金刚石合成的过程稳定性及其经济效益,因此如何提高顶锤寿命一直是大家关心的问题。

2 研究背景

硬质合金顶锤是六面顶建立和承受超高压合成压力(6～8 GPa)的关键零件,顶锤工作时受交变的外载应力与热应力的作用,当最大应力超过材料的疲劳极限时,顶锤极易发生破坏。

顶锤材料硬质合金属脆性材料,其破坏通常是由于最大主应力超过材料的许用应力造成的。尽管其抗压强度较高,但疲劳强度却只有0.7 GPa。调查结果表明,顶锤46°斜面中心对称线是最容易产生裂纹并导致破裂的位置,由此产生的纵向裂纹和断裂占顶锤破坏总数的80%以上。由此认定,六面顶顶锤46°斜面中心对称线下方存在的切向拉应力是产生纵向裂纹和断裂的根本原因[1]。图1为我公司顶锤在试用中的实际开裂情况(寿命13000次)。

图1 顶锤的纵向断裂Fig.1 The longitudinal fracture of the anvil

虽然可通过增加在外圆柱表面上的径向预紧力来降低顶锤主应力,但斜面裸露在钢套外,没有径向预紧力。如果能在顶锤表面形成预压应力来部分抵消顶锤在使用中产生的拉应力,将有效降低顶锤在使用过程中的应力,达到提高顶锤使用寿命的目的。

3 原理及方案

由于Co与WC两相的热膨胀系数相差2倍,所以从烧结温度冷却下来时,烧结态顶锤中存在着很大的热应力,且两相中热应力的符号相反,WC相中的热应力是压应力而Co相中的则是拉应力[2]。采用真空烧结工艺烧结硬质合金时,由脱蜡工艺造成的碳势不均会造成烧结冷却阶段在合金表面形成一层富钴的WC-Co合金层[3],特别是对大制品而言,该现象更加明显。因此,采用传统工艺生产的顶锤烧结后表面的Co含量高(如图2a所示),存在残余拉应力,与工作状态下顶锤所受拉应力相叠加。预应力顶锤采用非均质结构,钴含量芯部比表面高(如图2b所示)。

图2 顶锤剖面Co分布示意图Fig.2 Schematic diagram of Co distribution on anvil section

烧结时,粘结相(Co)从粗颗粒碳化物区域向细颗粒碳化物区域迁移,迁移驱动力为毛细管压力差,即毛细管力的作用;粘结相从液相量高的区域向液相量低的区域迁移,迁移的驱动力为液相压力差,即液相体积差的作用;物质状态变化时体积膨胀或收缩产生压力的作用[4]。按照以上三种机制设计我们的顶锤结构,合金表层形成贫钴层,而芯部合金则富钴(如图3b所示)。

这样设计的意义在于:由于芯部的钴含量高于表层,烧结后在冷却过程中芯部的体积收缩大于表层,从而使得烧结态顶锤存在方向由外向内的残余应力,在表面表现为压应力。

采用X射线衍射的方法分别检测了传统工艺顶锤与预应力顶锤的表面残余应力(见图4)。传统工艺顶锤表面残余应力为拉应力,预应力顶锤表面残余应力为压应力。

图3 Co含量径向分布Fig.3 The radial distribution of Co content

图4 顶锤表面残余应力分析Fig.4 analysis of residual stress on the surface of anvil

4 使用寿命试验

应用预应力硬质合金制备技术制备了29个Φ150预应力顶锤在某公司Φ650mm缸径六面顶压机上进行试用。

4.1 顶锤试验工艺参数

(1)压机及顶锤

压机油缸:650 mm 顶锤规格:Φ150mm

工作面尺寸:52*52mm

叶蜡石尺寸:64*64mm 金刚石合成块:JR1

(2)合成工艺

加热压强:45 MPa 合成腔压强:9.8 GPa

预热电流:15 A 合成电流:70 A

中停时间:185秒 加热时间:400秒

停热时间:125秒

4.2 试验结果

29个顶锤平均使用寿命为9200次,其中8个超过1万次。而此前同样工况下试用的采用传统工艺生产的同型号顶锤,平均使用寿命不到5000次。预应力顶锤的使用寿命是传统顶锤的2倍。

图5 顶锤工作实拍图Fig.5 photo of anvil under working condition

5 结论

传统工艺生产的顶锤其表面钴含量高,残余应力是拉应力,应用预应力顶锤制备技术生产的顶锤其表面钴含量低,残余应力是压应力。预应力顶锤表面的残留压应力可以部分抵消顶锤合成时在46°大斜面产生的拉应力,成倍地提高了顶锤的使用寿命。

[1] 王强,蔡冬梅,何芳,等.基于三维有限元的六面顶顶锤应力分析[J].重型机械,2004,(3):45-48.DOI:10.3969/j.issn.1001-196X.2004.03.012.

[2] 钱崇梁,吴恩熙,吕海波,等.WC-Co硬质合金的加工残余应力[J].中国有色金属学报,1993,3(1):50-53.

[3] 伍春华.硬质合金顶锤真空烧结新工艺的探讨[C].第六届全国硬质合金学术会议论文集,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

肖逸锋.WC-Co梯度硬质合金的设计、制备及其性能研究[D].中南大学,2008.

10.7666/d.y1538633.

2015-02-09

陈超(1987-),男,湖南岳阳人,学士学位,助理工程师,从事大制品及超细硬质合金方面的研究。E-mail:574684280@qq.com

陈超,刘艳军,李泳侠,,等.预应力硬质合金顶锤的研制[J].超硬材料工程,2015,27(1):22-24.