CN107460390A - 水刀喷嘴及其制备方法 - Google Patents

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黄泽兰
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Abstract

本发明提出了水刀喷嘴及其制备方法，该制备水刀喷嘴的方法包括：(1)将碳化钨与成核剂进行混合处理，以便获得混合粉末，其中，成核剂选自碳化钒和碳化铬的至少一种；(2)将混合粉末进行制粒和干燥处理，以便获得球形颗粒；(3)将球形颗粒放入模具中，进行快速加压烧结处理，以便获得水刀喷嘴的毛坯。本发明所提出的制备方法，可获得硬度高、密度高、耐磨性高的水刀喷嘴，该水刀喷嘴可承受超高压(200MPa以上)且带磨料的工况，并且该制备方法的加压烧结材料的时间短、真空度高且节约能耗，具有工业化批量生产的潜力。

Description

水刀喷嘴及其制备方法
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，具体的，本发明涉及水刀喷嘴及其制备方法。
背景技术
目前，水刀喷嘴主要有三大类：金属水刀喷嘴、陶瓷水刀喷嘴和硬质合金水刀喷嘴。其中，金属水刀喷嘴制造简单、成本低廉，但其耐磨性差，使用寿命短；而陶瓷水刀喷嘴硬度高，但制作工艺复杂，成本高，韧性差；传统的硬质合金水刀喷嘴主要为碳化钨-钴(WC-Co)系硬质合金，具有一定的硬度和耐磨性。但是现阶段，以上三种水刀喷嘴在超高压(200MPa以上)且带磨料的工况下，均会出现耐磨性差且易发生喷嘴碎裂的情况。
因此，为满足超高压且带磨料的使用要求，现阶段的水刀喷嘴的材料与制备方法均需要进行改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
本发明是基于发明人的下列发现而完成的：
本发明人在研究过程中发现，对于硬质合金材料而言，当其晶粒细化至亚微米级别、甚至是纳米级别时，其硬度及韧性都会得到显著地提升，从而对于只能耐受100MPa压力的传统硬质合金材料组成的水刀喷嘴产品，通过添加成核剂来控制硬质合金晶粒的大小，就可使该新型的硬质合金材料组成的水刀喷嘴可承受超高压(200MPa以上)且带磨料的工况，既能满足金属、复合材料及混凝土的快速切割，还可提高切割的效率。
本发明的发明人经过深入研究，提出一种制备水刀喷嘴的方法，该方法以碳化钨和成核剂为主要原料，其中成核剂可有效地控制硬质合金晶粒的大小，从而可有效地提升该硬质合金材料的硬度；并且采用快速高温烧结的工艺，最大限度地降低了硬质合金晶粒长大的可能性，进而使该材料制作的水刀喷嘴的断裂韧性显著提升，最终满足超高压且带磨料的工况使用要求。
有鉴于此，本发明的一个目的在于提出一种硬度高、密度高、断裂韧性高或者能耐200MPa超高压且带磨料的工况的水刀喷嘴的制备方法。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种制备水刀喷嘴的方法。
根据本发明的实施例，所述方法包括：(1)将碳化钨与成核剂进行混合处理，以便获得混合粉末，其中，所述成核剂选自碳化钒和碳化铬的至少一种；(2)将所述混合粉末进行制粒和干燥处理，以便获得球形颗粒；(3)将所述球形颗粒放入模具中，进行快速加压烧结处理，以便获得所述水刀喷嘴的毛坯。
发明人意外地发现，采用本发明实施例的制备方法，可获得硬度高、密度高、耐磨性高的水刀喷嘴，该水刀喷嘴可承受超高压(200MPa以上)且带磨料的工况，并且该制备方法的加压烧结材料的时间短、真空度高且节约能耗，具有工业化批量生产的潜力。
另外，根据本发明上述实施例的方法，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的实施例，将所述碳化钨、所述成核剂与钴粉进行混合。
根据本发明的实施例，基于所述混合粉末的总重量，所述碳化钨、所述成核剂与所述钴粉的重量比为(96～99.99)：(0.01～2)：(0～4)。
根据本发明的实施例，所述混合处理是在球磨机中加入纯净水或无水乙醇进行50～150小时。
根据本发明的实施例，所述球形颗粒的粒径为0.6～3微米。
根据本发明的实施例，所述加压烧结处理的真空度为3～20Pa，烧结压力为20～60MPa。
根据本发明的实施例，所述快速加压烧结处理的温度为1300～2100摄氏度，升温速率为30～150摄氏度/分钟。
根据本发明的实施例，所述快速加压烧结处理采用分段加热方式。
根据本发明的实施例，所述方法进一步包括：(4)对所述水刀喷嘴的毛坯进行精细机械加工，以便获得所述水刀喷嘴。
在本发明的第二方面，本发明提出了一种水刀喷嘴。
根据本发明的实施例，所述水刀喷嘴是通过上述的方法制备的。
发明人意外地发现，本发明实施例的水刀喷嘴，由于其硬质合金材料的晶粒在微米级别以下，从而使该水刀喷嘴的硬度高、密度大且断裂韧性高，可承受超高压(200MPa以上)且带磨料的工况，既能满足金属、复合材料及混凝土的快速切割，还可提高切割的效率。本领域技术人员能够理解的是，前面针对制备水刀喷嘴的方法所描述的特征和优点，仍适用于该水刀喷嘴，在此不再赘述。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的制备水刀喷嘴的方法流程图；
图2是本发明一个实施例的水刀喷嘴产品的外观示意图；
图3是本发明一个实施例的水刀喷嘴的电子扫描显微镜照片。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，本技术领域人员会理解，下面实施例旨在用于解释本发明，而不应视为对本发明的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过市购到的常规产品。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备水刀喷嘴的方法。参照图1～2，对本发明的制备方法进行详细的描述。
根据本发明的实施例，参照图1，该方法包括：
S100：将碳化钨与成核剂进行混合处理，以便获得混合粉末。
在该步骤中，将碳化钨与成核剂进行混合处理，以便获得混合粉末，其中，成核剂选自碳化钒和碳化铬的至少一种。如此，添加的成核剂可以有效地控制后续烧结处理过程中硬质合金晶粒的大小，从而使该新型的硬质合金材料组成的水刀喷嘴的硬度高。
根据本发明的实施例，还可以将碳化钨、成核剂与钴粉进行混合。其中，钴粉可以作为硬质合金晶粒间的粘结相，从而进一步增强该硬质合金材料的断裂韧性，进而使该水刀喷嘴的耐磨性和耐压性更好。根据本发明的实施例，混合粉末中碳化钨、成核剂与钴粉的具体重量比不受特别的限制，本领域技术人员可根据后续快速加压烧结处理获得水刀喷嘴毛坯的性能结果进行调整。在本发明的一些实施例中，基于混合粉末的总重量，碳化钨、成核剂与钴粉的重量比可以为(96～99.99)：(0.01～2)：(0～4)。如此，采用上述比例获得的混合粉末，在经过制粒、烧结后，可获得硬度更高、断裂韧性更好、更耐磨耐压的水刀喷嘴。
根据本发明的实施例，混合处理的具体方法和工艺都不受特别的限制，只要该混合处理可以将碳化钨、成核剂充分地均匀混合即可，本领域技术人员可根据带混合的各组分的重量和性能进行选择。在本发明的一些实施例中，混合处理可以是在球磨机中加入纯净水或无水乙醇进行50～150小时。如此，采用上述条件的混合处理，可以获得混合效果更均匀的混合粉末，从而有利于获得硬质合金晶粒尺寸分散性低的材料，进而有利于水刀喷嘴的耐压性更好。
S200：将混合粉末进行制粒和干燥处理，以便获得球形颗粒。
在该步骤中，将上述的混合粉末再进行制粒和干燥处理，以便获得球形颗粒。如此，可将充分混合均匀的混合粉末压实，从而有利于后续烧结处理的毛坯材料的致密度更好。在本发明的一些实施例中，可以将混合粉末放入喷雾塔中进行制粒和干燥处理，如此，可大批量地获得粒径分布均匀的球形颗粒。
根据本发明的实施例，经过制粒和干燥处理获得的球形颗粒的具体尺寸，不受特别的限制，本领域技术人员可根据水刀喷嘴的毛坯尺寸进行设计和调整。在本发明的一些实施例中，球形颗粒的粒径可以为0.6～3微米。如此，采用上述粒径尺寸的球形颗粒，能使烧结获得的硬质合金材料的致密度更好，从而能使该水刀喷嘴的密度更大、硬度更高且耐压性更好。
S300：将球形颗粒放入模具中，进行快速加压烧结处理，以便获得水刀喷嘴的毛坯。
在该步骤中，将上述制备好的球形颗粒放入模具中，进行快速加压烧结处理，以便获得水刀喷嘴的毛坯。需要说明的是，本文中“快速”加压烧结处理具体是指在1小时以内完成加压烧结处理。如此，短时间内快速升温并烧结，不利于产品中硬质合金晶粒的长大，从而可使硬质合金晶粒被进一步控制在微米级别及以下，在保证产品硬度的同时，也提高了产品的断裂韧性。
根据本发明的实施例，用于放入球形颗粒的模具的具体材料不受特别的限制，本领域技术人员可根据快速加压烧结处理的具体温度进行选择。在本发明的一些实施例中，模具的材质可以为石墨或C/C复合材料组成的。如此，采用上述材料的模具，能具有更好的尺寸精度和抗高温变形性能。
根据本发明的实施例，加压烧结处理的具体压力要求不受特别的限制，只要该压力要求能够促进快速加压烧结处理的进行即可，本领域技术人员可根据烧结处理的实际过程和烧结获得的产品的力学性能进行调整。在本发明的一些实施例中，加压烧结处理的真空度可以为3～20Pa，而烧结压力可以为20～60MPa。如此，采用上述真空度和压力的烧结处理，可有效地避免空气中的氧气与金属元素发生氧化，且在真空的基础上进行压力加大，更有利于改变产品中碳原子的结构，进而可进一步提高产品的硬度和韧性。
根据本发明的实施例，快速加压烧结处理的具体温度条件也不受特别的限制，只要该温度范围内的快速加压烧结处理能有效地控制硬质合金晶粒的生长即可，本领域技术人员可根据烧结处理后获得产品的性能进行调整和设计。在本发明的一些实施例中，快速加压烧结处理的温度可以为1300～2100摄氏度，而升温速率可以为30～150摄氏度/分钟。如此，在快速升温的同时设定合适的烧结温度，有利于对硬质合金晶粒的生长的进一步控制，更有利于获得亚微米级的晶粒，从而使该产品的硬度和断裂韧性都更好了。
根据本发明的实施例，快速加压烧结处理还可以采用分段加热方式。具体的，当温度升至400～800摄氏度时可保温1～5分钟，然后继续升温，当升至烧结温度后仍可保温1～10分钟。如此，采用分段升温的方式，可更有效地控制硬质合金的成核与生长过程，从而有利于将硬质合金晶粒控制在亚微米级别，并且还可使硬质合金的结晶更完善，从而都可使该产品的硬度和断裂韧性都更好。
根据本发明的实施例，水刀喷嘴毛坯的具体形状不受特别的限制，本领域技术人员可根据最终产品的水刀喷嘴对模具内腔的形貌进行相应地设计，在此不再赘述。
在本发明的一些实施例中，该制备方法还可进一步包括：
S400：对水刀喷嘴的毛坯进行精细机械加工，以便获得水刀喷嘴。
在该步骤中，对上一步骤获得的水刀喷嘴的毛坯继续进行精细机械加工，以便获得尺寸精度更高的水刀喷嘴。
根据本发明的实施例，精细机械加工的具体类型不受特别的限制，本领域技术人员可根据该水刀喷嘴的测量精度和表面质量进行选择。在本发明的一些实施例中，精细机械加工具体可以选择先通过数控加工中心进行铣削加工、再通过外圆磨床进行磨削加工、最后进行电火花的放电加工，如此，可获得尺寸精度在±0.01mm的高精度的水刀喷嘴产品。在本发明的一些具体示例中，铣削加工可以采用金刚石道具，而磨削加工可以采用金刚石砂轮。
根据本发明的实施例，水刀喷嘴的具体形状不受特别的限制，本领域技术人员可根据该水刀喷嘴的实际使用状况进行设计。在本发明的一些实施例中，该水刀喷嘴可以为图2所示的设计。如此，可提高水刀喷嘴的壁厚，从而有利于该水刀喷嘴可承受超高压(200MPa以上)且带磨料的工况，且使用寿命也更长。
综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种制备方法，可获得硬度高、密度高、耐磨性高的水刀喷嘴，该水刀喷嘴可承受超高压(200MPa以上)且带磨料的工况，并且该制备方法的加压烧结材料的时间短、真空度高且节约能耗，具有工业化批量生产的潜力。
并且，与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.采用低粘结相细晶粒的材料构成，提高了该种产品的硬度，硬度为HV1＝2400以上；由于材料中WC的含量达到了96％以上，甚至达到99.9％，大大提高了该产品的密度，密度达15.53g/cm3以上。
2.采用快速加压烧结工艺，多而最大限度降低了该产品中硬质合金晶粒长大的可能性，从而得到亚微米级别的晶粒，在保证产品硬度的同时，也提高了产品的断裂韧性，断韧性达K1c＝12.5MPa·m1/2以上。
3.采用金刚石刀具进行铣销加工及采用金刚石砂轮进行磨铣加工，从而使加工效率明显提高，加工精度及质量得到保证。
在本发明的另一个方面，本发明提出了一种水刀喷嘴。
根据本发明的实施例，该水刀喷嘴是通过上述的方法制备的。
综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种水刀喷嘴，由于其硬质合金材料的晶粒在微米级别以下，从而使该水刀喷嘴的硬度高、密度大且断裂韧性高，可承受超高压(200MPa以上)且带磨料的工况，既能满足金属、复合材料及混凝土的快速切割，还可提高切割的效率。本领域技术人员能够理解的是，前面针对制备水刀喷嘴的方法所描述的特征和优点，仍适用于该水刀喷嘴，在此不再赘述。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例1
在该实施例中，制备出水刀喷嘴。该制备方法包括以下步骤：
(1)将纯WC粉末、VC粉末、纯钴粉末按99.95：0.02：0.03的比例进行混合，于球磨机中加入纯水进行球磨50小时，其中WC粉末粒径为0.4微米；
(2)将步骤(1)所制得球磨态混合粉末进于喷雾塔中进行制粒和干燥，得到粒径为0.6微米的球形颗粒；
(3)将步骤(2)所制得的球形颗粒装入石墨所制得的模具中，进行快速加压加压烧结，得到水刀喷嘴毛坯；其中，烧结工艺为：真空度10Pa，烧结压力为30MPa，烧结温度为1450℃，升温速度为50℃/min，中间600℃保温3min，到达烧结温度时保温6min；
(4)将步骤(3)所制得的水刀喷嘴毛坯进行机械加工，得到最终的水刀喷嘴产品。
该实施例的水刀喷嘴的SEM微观形貌图，如图3所示。由图3可看出，该硬质合金材料结构致密，晶粒尺寸为亚微粒级。
该实施例的水刀喷嘴还经测试可知，其密度为15.56g/cm3，孔隙率为A02，硬度为HV1＝2459，断裂韧性为12.56MPa·m1/2；并且，该喷嘴在210MPa带磨料工况下，可正常使用。
实施例2
在该实施例中，按照与实施例1基本相同的方法和条件，制备出水刀喷嘴。区别在于，在该实施例中，
(1)纯WC粉末、CrC粉末、纯钴粉末的比例为99.98：0.02：0，于球磨机中加入纯水进行球磨130小时，其中WC粉末的粒径为0.6微米；
(2)得到粒径为1.1微米的球形颗粒；
(3)将步骤(2)所制得的球形颗粒装入C/C复合材料所制得的模具中；烧结工艺为：真空度5Pa，烧结压力为50MPa，烧结温度为1900℃，升温速度为120℃/min，中间750℃保温5min，到达烧结温度时保温10min。
该实施例的水刀喷嘴经测试可知，其密度为15.53g/cm3，孔隙率为A02，硬度为HV1＝2512，断裂韧性为13.04MPa·m1/2；并且，该喷嘴在210MPa带磨料工况下，可正常使用。
实施例3
在该实施例中，按照与实施例1基本相同的方法和条件，制备出水刀喷嘴。区别在于，在该实施例中，
(1)纯WC粉末、VC粉末、CrC粉末的比例为96：2：2，于球磨机中加入纯水进行球磨150小时，；
(2)得到粒径为3微米的球形颗粒；
(3)将步骤(2)所制得的球形颗粒装入C/C复合材料所制得的模具中；烧结工艺为：真空度3Pa，烧结压力为20MPa，烧结温度为1300℃，升温速度为30℃/min，中间400℃保温1min，到达烧结温度时保温1min。
该实施例的水刀喷嘴，在210MPa带磨料工况下，可正常使用。
总结
综合实施例1～3可得出，本发明所提出的制备方法，可获得硬度高、密度高、耐磨性高的水刀喷嘴，该水刀喷嘴可承受超高压(200MPa以上)且带磨料的工况，并且该制备方法的加压烧结材料的时间短、真空度高且节约能耗，具有工业化批量生产的潜力。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种制备水刀喷嘴的方法，其特征在于，包括：
(1)将碳化钨与成核剂进行混合处理，以便获得混合粉末，其中，所述成核剂选自碳化钒和碳化铬的至少一种；
(2)将所述混合粉末进行制粒和干燥处理，以便获得球形颗粒；
(3)将所述球形颗粒放入模具中，进行快速加压烧结处理，以便获得所述水刀喷嘴的毛坯。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述碳化钨、所述成核剂与钴粉进行混合。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于所述混合粉末的总重量，所述碳化钨、所述成核剂与所述钴粉的重量比为(96～99.99)：(0.01～2)：(0～4)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合处理是在球磨机中加入纯净水或无水乙醇进行50～150小时。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述球形颗粒的粒径为0.6～3微米。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加压烧结处理的真空度为3～20Pa，烧结压力为20～60MPa。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述快速加压烧结处理的温度为1300～2100摄氏度，升温速率为30～150摄氏度/分钟。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述快速加压烧结处理采用分段加热方式。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
(4)对所述水刀喷嘴的毛坯进行精细机械加工，以便获得所述水刀喷嘴。
10.一种水刀喷嘴，其特征在于，通过权利要求1～9任一项所述的方法制备的。
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