[发明专利]一种硬质合金顶锤及其在六面顶压机上合成超硬材料的应用

说明书

技术领域

本发明属于超硬材料合成与超高压技术领域，涉及到一种硬质合金顶锤，具体为一种硬质合金顶锤及其在六面顶压机上合成超硬材料的应用。

背景技术

六面顶压机和两面顶压机是超硬材料如金刚石、立方氮化硼及其复合材料等的超高压合成中采用的两种主要装备，六面顶压机和两面顶压机都是采用液压系统加压从而在合成腔内产生超高压强，通过顶锤和内部加热系统的连接进行导电加热，实现产品的高温高压合成。世界上最早的金刚石、立方氮化硼、宝石级金刚石及多晶金刚石PCD复合片等产品的研发和生产都是在两面顶压机上实现的，并在超高压产品的研究和生产中长期处于主导地位。1963年我国也是在两面顶压机中实现了第一颗人造金刚石的合成，然而我国实现金刚石、立方氮化硼及PCD、PCBN复合片等的大规模稳定生产是在铰链梁六面顶压机上实现的。

一方面，两面顶压机由于整体主机和液压系统结构相对简单，系统维修率低，大型化容易，且对中精度高，装卸料简单，自动化容易实现，其组装特性决定了其温度场均匀容易调节，压力利用率高，合成后的产品变形量小，因此特别适合宝石级金刚石、高档PCD复合片、PCBN以及6GPa以上压力要求的产品生产。另一方面，两面顶压机硬质合金模具系统的设计和制造要求严格，对各配件硬度和尺寸要求极高，生产难度大，制作和维护成本不菲，因此只有极少数厂家能够加工，并且在产品合成过程中两面顶压机的硬质合金顶锤需要更大的冲程，密封边长，升压和卸压速度慢，浪费时间多，合成效率低。

六面顶压机组装结构的配件制作简单，正常合成过程中各配件不需要进行尺寸调整，合成过程中的压力、温度测量简单，可操作性强，且六面顶压机的高压腔体主要靠六个顶锤挤压形成，顶锤系统主要由一个顶锤、预紧钢环和大小两个垫块组装而成，结构简单，便于组装和维修，合成过程中顶锤主要承受压应力，单位成本硬质合金消耗比两面顶压机少得多，因而合成成本低，并且在合成中顶锤前进冲程小，升压和卸压速度快，生产效率高。六面顶压机适合磨料级金刚石、立方氮化硼、细颗粒金刚石、矿用或地质用PCD、低档石油PCD及6GPa以下压力要求的产品生产。但是，六面顶压机在长时间高压高温合成过程中会出现保温性和压力传递性下降的问题，当腔体压力达到5.5GPa以上时，密封边部分对系统的加载力消耗严重，内部压力传递效率明显降低低，使用寿命明显缩短，难以应用于高档PCD、大直径PCD、PCBN及宝石级金刚石的合成。

对于六面顶压机来说，其硬质合金顶锤是超高压高温合成超硬材料的核心部件与关键消耗件，顶锤需具有高强度、高硬度、合适的韧性及热稳定性，顶锤安装在六面顶压机活塞的大垫块顶部，通过预紧钢环进行固定与对中调节。硬质合金顶锤在合成超硬材料时承受着压应力、拉应力、剪切应力和高温，处于高温高应力极端条件状态下工作。我国从60年代中期开始对硬质合金顶锤进行了试验研究，曾选用YG6、YG6X、YG8、YG8C、YG11C、YG15等牌号进行筛选试验，最后确定了YG8成分，采用中颗粒碳化物制取顶锤，目前国内对于超硬材料高压制备普遍采用的铰链式六面顶压机，其顶锤材料为WC-Co硬质合金，通常含钴量为8%，即为YG8硬质合金顶锤，其中碳化钨晶粒平均尺寸约为2μm，由于材料自身强度所限，所产生最高压强约为6GPa，难以用于高档PCD、大直径PCD、PCBN及宝石级金刚石的合成。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开一种硬质合金顶锤及其在六面顶压机上合成超硬材料的应用，采用的硬质合金顶锤材料为低钴含量和/或微细晶粒的硬质合金，其硬度高、强度大、使用寿命长，能提高六面顶压机的压力极限和适用范围，将其应用到六面顶压机上能够合成高性能的超硬材料。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种硬质合金顶锤，其采用的硬质合金材料，以质量分数计，合金材料中钴的含量为3～8%，其添加剂Cr₃C₂含量为0.1～1.5%，VC含量为0.05～1.5%，余量为WC，合金材料平均晶粒度为0.3～3μm，合金材料孔隙度小于5%,合金维氏硬度为10.8～18GPa，压缩强度为9000～15500MPa，所产生的压力极限为6.5～8.9GPa。