一种硬质合金顶锤及其制备方法与应用

摘要

本发明公开了一种一种硬质合金顶锤及其制备方法与应用，按照质量百分比，由以下组分组成：11～13wt％的Co、0.85～1.15wt％的Cr3C2、0.001～0.003wt％Y和余量的碳化钨，其中：所述的WC平均晶粒度为0.50～0.70μm，且WC最大晶粒度≤2.0μm。本发明的硬质合金粘结相重量百分含量在11％～13％，保证了断裂韧性不降低的条件下，可以采用更细0.50～0.70μm WC晶粒，提高合金的抗压强度。本发明的原料采用添加含量为0.85～1.5wt％的Cr3C2和稀土Y作为复合抑制剂，能够有效抑制WC晶粒的异常长大，从而有效保障合金中WC最大晶粒度≤2.0μm；避免了添加VC对合金晶界的有害影响；从而提高合金性能的稳定性和一致性。本发明中添加0.001～0.003wt％稀土Y可以净化硬质合金晶界，提高顶锤材料的抗剪切能力。

权利要求

1.一种硬质合金顶锤， 其特征在于， 其原料按照质量百分比，由以下组分组成：11~

13wt％的Co、0.85~1.15wt％的Cr3C2、0.001~0.003wt％Y 和余量的碳化钨，其中：所述的WC平均晶粒度为0.60 0.70 μm，且WC最大晶粒度≤2.0μm；

~

所述的硬质合金顶锤的制备方法， 包括以下步骤：S1.按合金成分要求，将各原料粉末与成型剂石蜡混合进行研磨处理，得到混合料，其中Y以硝酸钇方式添加到原料粉末中，得到混合料；

S2.将S1所述混合料进行喷雾制粒后，得到粉料；

S3.将S2步骤中的粉料置于压制模具中并对非受压面混合料进行局部加热后进行压制，得到压坯；

S4.对S3步骤中的压坯进行烧结、机械加工，制得所述硬质合金顶锤毛坯；

S5.对S4硬质合金顶锤毛坯在设定温度条件下进行真空处理，得到硬质合金顶锤；

所述 S3 步骤中，局部加热温度为 35～55℃，压制的压强为 100 200MPa；所述的非受~

压面也就是压坯模具的底部，对应的位置为顶锤工作面；

所述S4步骤中，烧结温度为 1410 1450℃；

~

所述S5步骤中，设定温度为 200～250℃，真空处理时间为 40 50 h。

~

2.根据权利要求 1 所述的硬质合金顶锤，其特征在于，其原料按照质量百分比，由以下组分组成：12wt％的Co、1wt％的Cr3C2、0.002wt％Y和余量的碳化钨。

3.根据权利要求 1所述的硬质合金顶锤，其特征在于，所述S1步骤中，石蜡的添加量为 

1.5～2.5wt%。

4.根据权利要求 1 或 2 所述的硬质合金顶锤在合成高端复合片中的应用。

说明书

一种硬质合金顶锤及其制备方法与应用

技术领域

[0001] 本发明属于硬质合金技术领域，具体涉及一种硬质合金顶锤及其制备方法与应用。

背景技术

[0002] 硬质合金顶锤是金刚石合成压机的关键部件，其性能与使用寿命决定了金刚石合成的效率、产量与成本。合成过程中，硬质合金顶锤需经升压、升温、保压、保温、降温、降压
(卸压)等程序，通常大顶锤工作时承受着约5700MPa压力、800MPa拉应力和1800MPa剪切应
力，锤面温度超过200℃。整个顶锤受到接近甚至超出材质极限的压应力、拉应力、剪切应
力、热应力的低周期疲劳应力作用。

[0003] 随着我国机械加工、汽车制造、地质和石油钻探、石材加工等支柱产业和传统产业的技术进步和新需求，具有高硬度、高耐磨性、高弹性模量、各向同性和相对高的热导率等
显著优点的金刚石/硬质合金高端复合片需求越来越多，特别是近年来已成为高档机械加
工刀具、地质及石油钻头、陶瓷磨具、石材加工工具、混凝土工具和阀座阀芯等高耐磨设备
的首选材料，也成为高科技新材料领域中最有生命力的支柱产品之一。

[0004] 与合成金刚石相比，合成金刚石复合片的环境更加恶劣，顶锤顶面所受合成压力高7％～10％，合成腔内温度、压力不均匀性大，合成时容易引起塌锤和放炮，这就要求硬质
合金顶锤抗压强度更高，抗冲击性也更好。目前，同种规格、材质的顶锤，合成复合片的使用
寿命为合成金刚石的1/3左右。为此，授权专利《合成金刚石复合片用硬质合金顶锤及其制
备方法》(申请号：201110287292.8，申请日：2011年9月26日)提供了一种材质抗压强度更
高、抗弯强度高、结构细而均匀、用于合成金刚石复合片的硬质合金顶锤，粘结相钴的质量
百分比为6％～9％，添加剂为Cr或Ta的碳化物，其质量百分比为粘接相的2.0％～8.5％，余
量为WC,所述硬质合金顶锤中WC平均晶粒度为0.8～1.2μm，且WC最大晶粒度≤10μm；其制备
方法，依次包括WC原料粉末进行分级筛选；添加剂预磨后与WC原料粉末、粘结相和成型剂一
起碾磨，获得的湿磨混合料经喷雾干燥、冷等静压压制、一体式脱蜡低压烧结，获得所述硬
质合金顶锤；本发明工艺流程短，批量控制稳定，生产成本低，且能大大提高顶锤使用寿命。
虽然该专利采用了常规的6％～9％wt％Co粘结相和0.8～1.2μm的细小WC晶粒的材质，取得
了良好的使用效果，但硬质合金材料的潜力仍有待进一步挖掘。

[0005] 由于高端复合片对其材质稳定性和一致性要求较高，合成尺寸较大，这就要求合成过程中的顶锤的抗压、刚性、韧性提出了更高的要求，顶锤尺寸普遍要求提高到Ф199mm
以上，相应地，这对顶锤材质和制造带来了挑战。为了解决这个难题，材质方面，细晶粒硬质
合金的基本特点是硬度和强度均比相同粘接剂含量的常规硬质合金要高，其中硬度提高
1.5～2.0HRA，抗弯强度提高600～800MPa，且高温硬度高于常规合金，故细晶、亚微细晶硬
质合金也成为了合成复合片用顶锤新材料发展的重要方向。如授权专利《一种亚微晶粒硬
质合金顶锤及其制备方法》(申请号201310542232.5，申请日：2013年11月6日)提供了一种
亚微晶粒硬质合金顶锤及其制备方法。亚微晶粒硬质合金顶锤的合金成分为WC–10Co–0.4
～0.6Cr3C2–0.2～0.3VC，合金晶粒度为0.8～0.9μm，合金孔隙度为A00B00C00，合金硬度为
90.5～91.5HRA，合金矫顽磁力为205～245Oe。采用费氏粒度分别为1.0～1.2μm和0.8～1.0
μm的WC粉和球形Co粉为原料，合金中Cr、V添加剂在WC粉末制备过程中添加。采用滚动湿磨
工艺制备合金混合料，湿磨时间为55～60h，球料质量比为4:1；采用喷雾干燥制粒方法对湿
磨混合料进行干燥制粒；采用压力烧结工艺对冷等静压成形的顶锤压坯进行烧结，烧结温
度为1400～1410℃。采用–180～–190℃液氮深冷处理、随后350～400℃中温回火处理工艺
对精加工顶锤进行后续强化处理。虽然该专利采用了10wt％Co粘结相，0.8～0.9μm的更加
细小WC晶粒的材质，但使用寿命仍然没有完全满足客户的需求。

[0006] 在大尺寸顶锤(大于Φ160mm)制备方面，主要难点在压制方面，现有技术有对WC/Co纳米复合粉直接采用冷等静压的。如论文《WC/Co纳米复合粉原料制备硬质合金细晶粒顶
锤的方法研究》(超硬材料工程，2017，29(05):17‑24)采用流态化制备方法生产的WC/Co纳
米复合粉作原料，研究制备硬质合金细晶粒Φ175顶锤的生产方法。WC/Co纳米复合粉中加
入微量抑制剂，配制成含钴量为10％的细晶粒合金配方，经搅拌球磨、喷雾干燥、冷等静压、
低压烧结后检测其合金特性值。生产合格Φ175顶锤，进行使用效果验证。研究结果表明:
WC/Co纳米复合粉可应用于搅拌球磨制备硬质合金细晶粒大顶锤，这种顶锤在使用中表现
出卸压回弹性小的特点，可解决大顶锤在合成保压后卸压瞬间易发生裂纹失效的难题。

[0007] 此外还有直接采用热等静压，如论文《大尺寸亚微米硬质合金顶锤的热等静压研制》(稀有金属与硬质合金，2020,48(02):82‑89)以超细晶WC‑Co喷雾干燥混合粉为原料，通
过成形、脱蜡、真空烧结和热等静压(HIP)等工序制备出Φ160mm以上的大尺寸YG10X亚微米
硬质合金顶锤。研究了真空烧结与HIP处理相匹配工艺，以及不同脱蜡气氛对顶锤组织和性
能的影响。采用200～300℃×40h缓慢的氢气连续脱蜡、匹配的烧结工艺辅以1380℃热等静
压制得的Ф188mm顶锤，其组织均匀，晶粒细小，性能稳定，各部位横向断裂强度均高于
4100MPa，顶锤平均使用寿命在9 000～11 500次以上。

[0008] 以上技术在超细硬质合金顶锤压制方面普遍存在生产效率低、成本高，批量化生产难度大。

发明内容

[0009] 本发明针对高端复合片合成的特点，提供了一种较高粘结相含量的超细硬质合金顶锤材料，其具有优良的抗压性能，将该硬质合金用作合成复合片用硬质合金顶锤时，能够
有效提高高端复合片合成次数。

[0010] 根据本发明的第一方面，提供了一种硬质合金顶锤，其原料按照质量百分比，由以下组分组成：11～13wt％的Co、0.85～1.15wt％的Cr3C2、0.001～0.003wt％Y和余量的碳化
钨，其中，所述的WC平均晶粒度为0.50～0.70μm，且WC最大晶粒度≤2.0μm。

[0011] 优选的，所述硬质合金顶锤，其原料按照质量百分比，由以下组分组成：12wt％的Co、1wt％的Cr3C2、0.002wt％Y和余量的碳化钨。

[0012] 本发明这种硬质合金顶锤的制备方法，包括以下步骤：

[0013] S1.按合金成分要求，将各原料粉末与成型剂石蜡混合进行研磨处理，得到混合料，其中Y以硝酸钇方式添加到原料粉末中，得到混合料；

[0014] S2.将S1所述混合料进行喷雾制粒后，得到粉料；

[0015] S3.将S2步骤中的粉料置于压制模具中并对非受压面混合料进行局部加热后进行压制，得到压坯；

[0016] S4.对S3步骤中的压坯进行烧结、机械加工，制得所述硬质合金顶锤毛坯；

[0017] S5.对S5硬质合金顶锤毛坯在设定温度条件下进行真空处理，得到硬质合金顶锤。

[0018] 所述S1步骤中，石蜡的添加量为1.5～2.5wt％(相对原料总量)。

[0019] 所述S3步骤中，局部加热温度为35～55℃，压制的压强为100～200MPa；所述的非受压面也就是压坯模具的底部，对应的位置为顶锤工作面。

[0020] 所述S4步骤中，烧结温度为1410～1450℃。

[0021] 所述S5步骤中，设定温度为200～250℃，真空处理时间为40～50h。

[0022] 根据上述硬质合金顶锤在合成高端复合片中的应用。

[0023] 本发明的有益效果：

[0024] (1)本发明的硬质合金粘结相重量百分含量在11％～13％，保证了断裂韧性不降低的条件下，可以采用更细0.50～0.70μm WC晶粒，提高合金的抗压强度。

[0025] (2)本发明的原料采用添加较高含量0.85～1.5wt％的Cr3C2和稀土Y作为复合抑制剂，能够有效抑制WC晶粒的异常长大，从而有效保障合金中WC最大晶粒度≤2.0μm；此外，避
免了添加VC对合金晶界的有害影响，从而提高合金性能的稳定性和一致性。

[0026] (3)本发明中添加0.001～0.003wt％稀土Y可以净化硬质合金晶界，提高顶锤材料的抗剪切能力，且Y是以硝酸钇形式添加，易溶于酒精，分散性好。

[0027] (4)针对更高钴含量和颗粒更细的WC原料，现有技术难以解决压制成型问题，本发明在压制过程中对非受压面混合料进行局部加热，提高了压坯底部的压坯密度(由于压坯
底部也是顶锤的工作面，对提高顶锤工作面性能的均匀性有很大的作用)，从而保证了材料
通过制备后性能的一致性。

[0028] 在以上(1)～(4)因素的综合作用下，提高硬质合金顶锤的抗压强度，提高合成复合片的寿命和次数。

附图说明

[0029] 图1是本发明实施例1硬质合金扫描电镜组织结构。

[0030] 图2是本发明实施例2的硬质合金光学金相组织结构。

[0031] 图3本发明中压制时局部加热的示意图。

具体实施方式

[0032] 实施例1

[0033] 将占总重量的11wt％钴粉、0.85wt％碳化铬粉、含0.001wt％Y的硝酸溶液和余量0.5μm的超细WC粉末与1.5wt％成型剂石蜡进行湿磨混合，将所述混合料制粒进行喷雾制粒
后，在压制模具中对非受压面混合料进行局部加热到35℃后，在100MPa进行压制、1410℃烧
结，制得所述硬质合金顶锤毛坯，然后对硬质合金顶锤毛坯在200℃温度条件下进行真空处
理40h。通过使用跟踪，该顶锤平均使用寿命为9550次。

[0034] 压制过程中的局部加热示意图，可见图3，主要是对顶锤模具的底部(对应的位置为顶锤工作面)的地方进行局部加热。

[0035] 实施例2～3与对比文件1的制备过程基本相同，其原料配比的区别，以及有区别工艺参数可见表1。

[0036] 实施例1制备的顶锤的扫描电镜图如图1所示，实施例2制备的顶锤的金相图如图2所示，由图1和2可知，实施例1和2中，WC平均晶粒度为0.50～0.70μm，且WC最大晶粒度≤2.0
μm。

[0037] 对比例1

[0038] 本对比例1与实施例1合金的制备方法过程基本相同，区别主要在于钴的添加量为10wt％。

[0039] 从实施例1和对比例1的比较可以看出，当钴粉末的添加量从11wt％降到为10wt％时，由于钴加量减少后，匹配平均晶粒度0.50～0.70μm的碳化钨来说，合金的断裂韧性相对
不足。其合成次数从9550降到5000。

[0040] 对比例2

[0041] 本对比例2与实施例2合金的制备方法过程基本相同，区别主要在于混合料压制时未进行局部加热。

[0042] 从实施例2和对比例2的比较可以看出，未对混合料进行局部加热容易造成顶锤材料制备过程中材质不均匀。其合成次数从10200降到7300。

[0043] 对比例3

[0044] 本对比例3与实施例3合金的制备方法过程基本相同，区别主要在于钴的添加量为14wt％。

[0045] 从实施例3和对比例3的比较可以看出，当钴粉末的添加量从13wt％增加为14wt％时，由于钴加量增加后，匹配平均晶粒度0.50～0.70μm的碳化钨来说，合金的硬度和刚性相
对不足。其合成次数从8400降到4200。

[0046] 表1实施例1‑实施例3和部分对比例的硬质合金顶锤生产过程的制备参数

[0047]