彭文,舒軍

(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Ф160mm以上超大頂錘的現狀與發(fā)展①

彭文1,2＊,舒軍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)

超硬材料行業(yè)50年后新的發(fā)展時期,超大腔體合成高品級金剛石工藝對硬質合金技術提出了又一次嚴竣挑戰(zhàn)。就硬質合金超大頂錘的現狀、需求變化、需解決的難點問題進行了全面分析,提出了加速Ф160mm以上超大頂錘的改進與研發(fā),必須堅持新的開發(fā)理念,實現新的突破的技術思路,系統(tǒng)地闡述了Ф160mm以上超大硬質合金頂錘的技術發(fā)展方向,認為硬質合金超大頂錘的配套跟進對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;技術發(fā)展;配套跟進;持續(xù)創(chuàng)新

1 前言

硬質合金以其高硬度、高剛性、高的抗彎強度和高溫性能等不可被其他材料替代的絕對優(yōu)勢,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力應變,還經常面臨壓機、工藝因素引起的爆炸和非對稱應力的考驗。隨著我國超硬材料五十年來從無到有、由弱變強的發(fā)展,可以說,超硬材料的顯著進步助推了中國硬質合金高性能材料和制造技術的不斷創(chuàng)新,同樣,硬質合金新材料、新工藝技術的持續(xù)創(chuàng)新又成就了中國超硬材料今日的輝煌。

近幾年,隨著機械、電子、光學玻璃和寶石加工、鉆探與開采、建筑等許多工業(yè)領域技術水平的不斷提高,對金剛石的需求量越來越大,對金剛石的品級要求也越來越高。國內外對人造金剛石的需求增長表現出兩大顯著特點:一是對高強度、高韌性人造金剛石的需求增長;二是發(fā)展中國家對人造金剛石的需求量迅速增長。為了滿足市場的需求,我國超硬材料制造行業(yè)把擴大合成壓機反應腔體作為重點開發(fā)項目,圍繞提高金剛石產品的單次合成產量、品級和粗粒度集中度等進行了一系列的研究與開發(fā),并取得了明顯的效果。隨著腔體的擴大,金剛石抗壓強度、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量越來越高,優(yōu)品率大幅度提高,單位產量成本不斷下降。表1列出了大腔體合成的高單產、高品級率及低成本的相關實驗數據[1]。推廣應用大壓機,擴大合成腔體,從而提高高品級率和降低成本,成為金剛石行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

表1 不同大腔體合成實驗數據Table 1 Experimental data of different-sized cavity synthesis

據不完全統(tǒng)計,2012年底行業(yè)裝機總數為7098臺,其中96.75%用于合成單晶,230臺用于生產復合超硬材料;單晶生產中,27.1%為≤6×20 MN小壓機,而≥6×36 MN壓機有3091臺,是當前的主流設備,最大的壓機有6×62 MN。壓機的不斷大型化為高檔金剛石的合成提供了設備保障。而相對應的,硬質合金技術的不斷發(fā)展,也使得配套的用于Ф54 mm腔體以下的Ф160 mm頂錘成功應用,錘耗在0.2～0.5 kg/萬克拉。目前,伴隨著超硬材料應用領域的需求變化,Ф160 mm以上頂錘成為實現大腔體合成技術持續(xù)發(fā)展的重要條件。加速改進與研發(fā),硬質合金超大頂錘的配套跟進對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金剛石是對硬質合金技術的又一次挑戰(zhàn)

大壓機的發(fā)展是當前我國超硬材料發(fā)展的主導趨勢,它帶動了大頂錘的發(fā)展。目前國內市場的大頂錘主要用于合成金剛石單晶,應用于Ф54 mm及以下合成腔體。在頂錘生產工藝上,由于采用了亞微細WC粉、改進了壓制工藝、引入了冷等靜壓等先進技術,產品質量得到很大的提高。Ф160 mm及以下頂錘已達到相當先進的水平,使金剛石生產的錘耗控制在1kg/萬克拉以下,質量好的頂錘錘耗甚至達0.15～0.3 kg/萬克拉。在產品尺寸方面,頂錘生產企業(yè)如株硬集團、廣東盈通、濟南冶科所等已能生產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,已經實現大壓機、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/萬克拉來表述頂錘的質量已顯過時,行業(yè)專家開始建議以n kg/10萬元的錘耗來表征頂錘的質量與合成技術的性價比。雖然Ф160mm及以下頂錘的生產及使用已達到成熟的工業(yè)化水平,但仍然存在低次數錘以及塌錘的現象,就類似頂錘的質量而言,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由于當前采用了亞微細WC粉,壓制控制的難度增加,易出現分層、裂紋、未壓好等壓制缺陷,嚴重影響使用壽命;③也因為亞微細WC粉,更易出現臟化、混料現象[2]。這些問題在Ф160mm以上超大頂錘應用于Ф54 mm以上合成腔體時,由于合成工藝條件的苛刻變化而進一步放大,放任硬質合金技術的現狀,將嚴重阻礙超大腔體合成高品級金剛石的發(fā)展。

2.1 合成條件對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 合成高品級單晶

合成工藝特點為擴大合成腔體,提高單晶高品級率和降低成本,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裂紋的幾率增大,對超大頂錘的要求是韌性與剛性要同時提高。

2.1.2 合成寶石級大單晶

合成工藝特點為晶種法合成,相對于自發(fā)成核工藝,有效加熱時間大幅度延長(合成時間1天以上),升壓后階段要補充功率,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。

2.1.3 合成復合片及I型料

合成工藝特點為直接加熱方式,快速升壓、升溫,合成壓力比單晶提高10%以上。

我國金剛石復合片合成技術要達到世界先進水平,在合成過程中,還需進一步提高燒結壓力和溫度,擴大合成的有效腔體,降低頂錘消耗。要求頂錘具有高的抗壓強度、良好的熱疲勞性能和抗熱沖擊性能。

三種合成工藝,對超大頂錘的材料性能和質量控制提出了更為苛刻的要求,頂錘的質量風險成為行業(yè)用戶發(fā)展超大腔體工藝要考慮的重點問題之一。

在Ф54mm以上合成腔體的應用方面,由于大腔體合成工藝技術的配套性還不夠完善,其性價比與Ф160mm頂錘應用的合成工藝相比,成本偏高,優(yōu)勢不明顯,表2為Ф175mm頂錘與Ф160mm頂錘合成的效果比較,要提高性價比,合成技術的配套性是關鍵。在設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)定性還不能滿足要求,因此,超大腔體工藝只能往較小的腔體工藝調整,以保證錘耗不至過高,這又造成大腔體壓機和工藝沒有發(fā)揮其設計水平、超大頂錘只能“大馬拉小車”的現象。因此,解決超大腔體頂錘存在的技術問題,提高超大腔體硬質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水平Table 2 Main production levels of large cavity diamond synthesis

2.2 要達到新的要求,必須解決一系列難點問題

雖然近年來以株硬集團為代表的硬質合金企業(yè)對頂錘受力狀態(tài)與失效機理有了新的認識,并有針對性地確立了“關注抗壓強度,優(yōu)化綜合性能,改善疲勞和蠕變,追求組織更均勻”的材料設計理念,硬質合金WC相晶粒向細而均勻的方向控制,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,但是與國外先進的硬質合金大頂錘、壓缸生產技術相比,在產品制造水平上還有較大差距,主要體現在晶粒夾粗控制、孔隙和臟化控制、合金結構控制、加工質量控制等方面,縮短這些差距,對提高Ф160 mm以上大頂錘的質量,無疑有著積極意義。

隨著頂錘體積的增大,同樣材質的頂錘,因體積效應,使生產制造難度增加,要達到新的技術要求,需要解決的難點問題主要有:

2.2.1 結構均勻性問題

目前,超大頂錘結構的不均勻性主要表現在成分不均勻、密度不均勻、組織不均勻上。

產品體積增大后,成型劑脫除較難,容易形成芯部碳高、表面碳低的趨勢;為保證大產品燒結充分,采用的燒結溫度較高、燒結時間往往較長,從而加劇液相燒結中鈷的蒸發(fā)和遷移,出現成分梯度,使頂錘的內部應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+冷等靜壓復壓。模壓的非受壓面為頂錘頂部,產品體積增大,高度也相應增高,在模壓壓制過程中,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,同時大體積產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局部未壓好或孔洞,導致燒結后這些部位形成局部鈷聚集、WC聚集長大的缺陷,見圖1。出現類似鈷聚集、WC聚集長大之后,整個頂錘性能的不均勻性明顯擴大,這類缺陷對抗彎強度影響較明顯,易引起低次數錘的出現。

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

由于細顆粒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,見圖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構不均勻的問題,其技術難點為:

(1)碳含量及碳量梯度的精準控制。

(2)碳量的無損檢測及監(jiān)控。

(3)抑制劑的加量以及加入方式對金相組織均勻、細化的影響規(guī)律。

2.2.2 缺陷控制問題[4]

隨著體積的增大,壓坯的彈性后效更大,更易出現壓制裂紋、分層。由于體積效應,孔隙、臟化、混料等制造過程中易出現的缺陷對大頂錘的抗疲勞性能影響增大,對使用壽命的影響也相應增大,因此,對這類缺陷需要更加嚴格控制,難度增加。需要解決的難點問題為:

(1)提高大頂錘密度及均勻性的壓制方法。

(2)降低壓制時彈性后效,減少壓制缺陷的脫模方式。

(3)降低孔隙的燒結技術。

(4)原料WC、Co粉的粒度和純度研究,減少夾粗、孔隙、臟化的產生。

(5)與合成工藝相適應的無損探傷標準。

(6)為抵抗因缺陷帶來的風險,材料設計的安全性。

2.2.3 減少和均化制造過程產生的應力

隨著體積的增大,制造過程中產生的燒結應力、加工應力聚集也越大,對頂錘使用壽命的影響也越大。根據資料報道,頂錘的內部應力減小2%,則使用壽命可提高3.9倍。加之因成本問題,目前很多金剛石企業(yè)都不對頂錘進行低溫烘烤時效和自然時效處理,因此大頂錘的時效問題也應引起硬質合金生產廠家的重視。需要解決的難點問題為:

(1)合理的燒結工藝,既降低晶粒長大的風險,又能降低燒結應力。

(2)制造過程中消除和均化應力的方法。

2.2.4 提高加工精度

隨著粉末塊合成技術的推廣應用,與片狀合成技術相比,對設備的同步性、對中性、絕緣性、超壓速度的一致性要求更高,對頂錘的尺寸精度和表面質量也要求更高,因此,頂錘的加工精度及穩(wěn)定性有待進一步提高。需要解決的難點問題:

(1)加工參數與加工應力的關系規(guī)律。

(2)加工應力對大腔體頂錘使用壽命的影響規(guī)律。

(3)工序能力指數的控制要點。

3 堅持新的開發(fā)理念,實現新的突破,達到新的高度

3.1 敢為人先,敢擔風險

從中國合成第一顆人造金剛石以來,株洲硬質合金集團有限公司就一直堅持把硬質合金頂錘、壓缸的研制作為企業(yè)責無旁貸的義務,在超硬材料發(fā)展的每一個技術飛躍階段,都引領行業(yè)在硬質合金材料的配套方面跟進。作為依托國企龍頭企業(yè)的硬質合金國家重點實驗室,也一如既往地支持超硬材料的發(fā)展,在超大硬質合金頂錘的設計和制造中,敢為人先,敢擔風險,不懼被模仿。堅持新的開發(fā)理念,實現新的突破,不斷成就超硬材料新的輝煌。

3.2 堅持制造技術與應用技術同步發(fā)展,虛心向合成領域專家學習

頂錘消耗大幅下降,除了硬質合金材料的性能提升和制造技術的進步以外,合成技術的持續(xù)發(fā)展,如大壓機、粉末觸媒、間接加熱等全新工藝的推廣應用,也是提高頂錘使用壽命的重要因素之一。隨著金剛石應用領域的不斷擴展,合成工藝參數的頻繁變化和改進對頂錘的性能提出了細化區(qū)別的要求。合成工藝不同,對于硬質合金頂錘,也要求按其抗壓強度、熱性能、抗疲勞性能、質量效益進行分類應用,確定頂錘質量的安全系數,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向應用技術為重點的方向轉變,滿足市場不斷變化的應用需求。

3.3 堅持新的設計理念,系統(tǒng)地攻克關鍵技術,先進技術的應用將是發(fā)展方向

3.3.1 細晶、超細晶硬質合金成為頂錘新材料的重要發(fā)展方向

目前,頂錘材料的抗壓強度已達到4000 MPa以上,抗彎強度達到3000 MPa以上。隨著金剛石單晶、復合片合成技術的發(fā)展,對頂錘材料的抗壓強度、抗疲勞性能要求達到了空前的高度,細晶、超細晶硬質合金以其高強度、高韌性和較好的高溫性能成為滿足金剛石合成技術發(fā)展的首選材料,并逐步進入工業(yè)化生產規(guī)模,成為頂錘新材料發(fā)展的重要方向。

株硬集團依托硬質合金國家重點實驗室,近幾年在頂錘材質研究和制造工藝上取得了較好的成果。研制的YL系列細晶粒和亞微細晶粒牌號頂錘,硬度HRA90.5～92.8,抗彎強度≥3300 MPa,金相結構見圖3、圖4,抗壓強度4600～5800MPa,WC晶粒度0.6～1.0μm,SEM照片見圖5。這些頂錘與中細晶粒頂錘相比,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 亞微細晶粒頂錘SEM照片,10000×Fig.5 SEM photograph of the submicron grain anvil 10000×

3.3.2 先進制造技術的系統(tǒng)應用,為解決超大頂錘的難點問題和在線控制提供了可靠保證

株硬集團在細晶粒、亞微細晶粒頂錘的制造過程中,將硬質合金先進制造技術整套體系(工藝流程見圖6)引入到大頂錘的生產中,特別是噴霧干燥、真空干燥等混合料制備以及脫蠟燒結一體-低壓燒結的先進技術,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,使大型頂錘的生產工藝提質換代,整體控制水平得到大幅提升,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,得到了進一步控制,減少甚至消除這些缺陷[5]。硬質合金先進技術體系的有效應用,將成為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,在未來3～5年中,得到迅速推廣。

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

3.4 堅持用高新技術指導研發(fā),優(yōu)化質量控制與評價體系

3.4.1 硬質合金微觀結構的深入研究將進一步提高頂錘在線生產的受控程度,質量的穩(wěn)定性也將進一步提高

隨著超硬材料行業(yè)對頂錘壽命及其穩(wěn)定性要求的日益提高,現有材料性能的檢測已不足以指導材料設計和生產制造的研究及控制。通過對硬質合金微觀結構特別是鈷相結構的研究深入,國內研究機構如硬質合金國家重點實驗室已經發(fā)現:通過提高硬質合金頂錘在使用過程中Co相切變的驅動力[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)%,與使用次數高的同部位鈷磁相比,鈷磁高,梯度大。采用特殊制樣方法,對兩種錘不同部位的鈷相進行分析,作出面心立方鈷(111)晶面的X射線衍射圖,見圖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高的底、芯、頂,下三條線表征使用次數低的底、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;而使用次數低的頂錘,則相反,鈷相切變的驅動力小。頂錘在使用過程中,較低的應力就能使面心立方Co切變成密排六方Co,從而降低硬質合金材料的抗塑性斷裂能力。因此,通過微觀結構的研究,可以確定材料性能參數的控制量,從而提高在線生產的受控程度,提高其穩(wěn)定性。

3.4.2 建立硬質合金頂錘韌性和疲勞性能綜合評估體系,滿足材料設計和產品虛擬制造的需求

頂錘是在交變應力機制下使用的,目前,行業(yè)內還不具備對頂錘的使用壽命進行預判的能力。研究硬質合金頂錘的質量評價體系,將硬質合金疲勞能力的評估技術與常規(guī)硬質合金檢測技術相結合,對材料設計的有效性、頂錘內部結構的梯度、制造過程的缺陷變量、頂錘尺寸及精度變化進行試驗測算,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 超聲波無損檢測達到新水平

對頂錘進行超聲波檢查始于上世紀80年代的株洲廠,近幾年更是取得了長足進步。株硬集團已對頂錘的內部孔洞、裂紋、鈷聚集、第三相、異常粗大晶粒檢測建立了相應的內控操作標準和允許尺度。基于硬質合金的高密度特性,準確判斷的難度大,檢測結果的穩(wěn)定性、可靠性還將日趨完善,可在行業(yè)內推廣。

4 結束語

李志宏等在慶祝中國超硬材料發(fā)展五十周年的行業(yè)發(fā)展報告中指出:超硬材料行業(yè)有著充滿希望的光輝未來,下階段超硬材料行業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向之一是:轉變發(fā)展方式,調整產品結構,多品種、多規(guī)格發(fā)展,大力加強制品開發(fā)研究,著力應用技術研究,以適應多元市場的需求。為滿足超硬材料的發(fā)展,加速原輔材料的改進與研發(fā),特別是硬質合金件的配套跟進尤為重要。硬質合金技術的持續(xù)創(chuàng)新,為Ф160mm以上大頂錘的發(fā)展提供了堅實的基礎,它將成就中國超硬材料明日的輝煌。

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[6] 謝晨輝.粘結相Co的切變機制及微觀結構的研究[J].硬質合金,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。