硬質合金頂錘磨損機理

硬質合金頂錘是由硬質相碳化鎢與粘結相鈷組成的，其具有極高的密度、硬度以及優良的耐磨耐蝕性，在一些超硬材料，如人造金剛石、立方氮化硼等製備工藝中扮演著極其重要的角色。硬質合金頂錘的使用壽命將直接影響人造金剛石的的製備性能以及整體的加工效率。通常評價硬質合金頂錘品質優劣的標準有兩種，一種是使用的次數，而另一種則是萬克拉消耗量。另外，頂錘常用的硬質合金牌號為YG6、YG8、YG12等，其中細顆粒的粉末會顯著提高頂錘硬度、抗壓強度、抗彎強度以及衝擊韌性等綜合性能。中顆粒燒結出的硬質合金頂錘使用壽命約為5000次左右，萬克拉消耗＞3kg，而細顆粒硬質合金金剛石頂錘硬度普遍可達HRA90.5以上，抗彎強度達3000MPa，平均使用壽命超過了8000次，萬克拉消耗＜1.5kg。

國內普遍採用的是六面頂壓機製備人造金剛石等超硬材料，六個頂錘在六個面同時進行壓實，而每組頂錘都由錘頭、鋼環以及墊塊構成。其工作原理是通過鋼環與錘頭的過盈配合，鋼環對頂錘施以一定的徑向預緊力，在六個液壓缸油壓的推動下，六個硬質合金頂錘同時作用於由六面體的葉臘石所組成的高壓型腔上，使得型腔內的石墨在觸媒作用下通過高溫高壓轉變為金剛石。葉臘石是一種四面體層狀結構的含水鋁矽酸鹽，在合成過程中起著傳壓、密封以及保溫的作用。由於頂錘結構具有一定的複雜性，很難通過一個實驗直接獲取頂錘在超高壓環境下的應力分佈等情況，而這也是分析其磨損機理、應力分佈以及幾何參數見關係的關鍵要素。因此相關學者和研究人員通過有限元理論分析和相關軟體進行建模實現硬質合金頂錘在實際工作中的受力情況。

通過有限元分析模型可知作用在頂錘圓柱表面上的徑向預緊力來源於頂錘與預緊環間的過盈配合。預緊力本質上就是接觸壓力，其主要作用是為頂錘提供側面支撐，從而改善實際工作狀態下的應力分佈。從應力分佈圖上看預緊力的分佈是非常不均勻的，由下到上逐漸遞減。在四個棱角部位應力相對集中，也是最容易產生裂紋的部位，其產生的細小裂紋從應力集中處開始發生微裂並逐漸加劇，向頂錘的的頂面擴展。而這些都不在葉臘石的包覆範圍內，也沒有充分利用到頂錘鋼環的加固力，大多數情況下完全靠自身的強度來承擔外應力。此外，硬質合金材料具有一定的脆性，其抗剪切能力較差，在頂錘工作的過程中常常出現拉應力與剪切應力複合的情況，載入後內部的應力會急劇增加。當疲勞累積或載荷過大時，內部材料會在剪切應力的作用下屈服並造成高壓砧面邊緣處形成裂紋；徑向剪切應力會使得裂紋區發生擴大，造成硬質合金材料在軸向擠壓應力下滑移，最終導致邊緣發生斷裂或壓潰。

為了減小磨損，避免發生頂錘開裂或者壓潰的情況，相關研究人員從兩個方面進行了研究，一個是對內應力的釋放，另一個是改善過盈配合量。這裏的內應力包括頂錘製作時和磨削加工時所產生的內應力。剛磨好的頂錘內部存在較大的應力，存放三個月後在使用能滿足內應力的釋放。也有學者提出對磨好的頂錘在馬弗爐中進行升溫並保溫3-7h後逐步冷卻。但是這項工藝需要控制參數的精確性要求較高，否者升溫和冷卻會使得原本存在的微裂紋擴大。而增加頂錘和鋼環的過盈配合量有利於提高頂錘的強度，但卻會增大鋼環的工作量，降低預緊環的強度，其使用壽命也會大大縮短。

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