CN101289313B - 一种氧化铝基纳米复相陶瓷拉丝模的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化铝基纳米复相陶瓷拉丝模及其制备方法。其采用氧化铝基纳米复相陶瓷来制备拉丝模，所述纳米复相陶瓷拉丝模的基体成分为Al2O3，第二相为ZrO2(3Y)和MgAl2O4。本发明所述纳米复相陶瓷拉丝模的制备方法为首先获得具有一定外形的氧化铝基纳米复相陶瓷烧结体，作为制备拉丝模的坯料，然后采用超塑性挤压的方法成形拉丝模的孔形，后经过少量的精密磨削加工，获得氧化铝基纳米复相陶瓷拉丝模。本发明具有以下优点和益处：所述拉丝模力学性能高，机加工量少，适合批量生产。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷拉丝模的制造技术领域，主要涉及的是一种氧化铝基纳米复相陶瓷拉丝模及其制备方法。
背景技术
拉丝模作为金属线材拉丝成形工艺中的关键部件，是一种典型的易耗损零件。通常用的金属线材拉丝模多采用硬质合金粉末或陶瓷粉末烧结制成，其生产工艺为：粉体混合—素坯成型—高温烧结—磨削加工。由于烧结后的材料极难加工，因此，最后的磨削加工用时多，刀具消耗大，使得高品质拉丝模的成本居高不下。此外，在拉丝成形过程中模口部分温度升高很快，同时服役环境恶劣，因此拉丝模很快磨损失效，不得不停止生产，更换新的拉丝模，这也使得模具成本在拉丝成形的金属线材产品中所占比重居高不下；同时由于频繁更换模具，降低了生产效率。
氧化铝基纳米复相陶瓷是一种性能优良的人工合成材料，其不仅具有优良的力学性能，同时还具有超塑变形的特性，利用其超塑变形特性，可以使得该陶瓷材料如同金属和塑料一样，可以用挤压成形的方法直接制成精密尺寸的陶瓷拉丝模。采用氧化铝基纳米复相陶瓷制造拉丝模充分利用了纳米复相陶瓷的优良性能，可以提高拉丝模的使用寿命，从而降低模具消耗，降低拉丝工艺的生产成本，提高产品的市场竞争力。
氧化铝基纳米复相陶瓷拉丝模除具有高温稳定性好、耐磨性高、寿命长的特点外，还将具有较高的韧性和表面光洁度以及低的摩擦系数，因而特别适合于金属拉丝，所拉出的金属线材表面质量好。目前在现有技术中还没有采用氧化铝基纳米复相陶瓷来制备拉丝模，也没有利用超塑性成形技术来生产陶瓷拉丝模。
发明内容
本发明的目的是提供一种氧化铝基纳米复相陶瓷拉丝模及其制备方法。本发明采用氧化铝基纳米复相陶瓷来制备拉丝模，将超塑性成形技术应用于氧化铝基纳米复相陶瓷拉丝模的制备，根据拉丝模的不同尺寸和形状，其超塑成形模具的尺寸和形状可以进行变化。
本发明实现上述方法采取的技术方案是：将Al2O3、MgO和ZrO2(3Y)三种纳米粉体混合均匀，其中Al2O3粉体为主要原料，作为基体材料。在1450～1550℃的温度下进行真空热压烧结获得圆柱形的陶瓷烧结体；或者将混合后的纳米复合粉体在室温下冷等静压成圆柱形坯料，之后在1450～1550℃的温度下无压烧结获得圆柱形的陶瓷烧结体。随后，将获得的烧结体放入高强石墨模具内在1650～1750℃的超塑变形温度下进行挤压成形，使烧结体产生超塑性变形直至与模具贴合，取出变形后的拉丝模粗坯经过精密磨削加工，即可得到陶瓷拉丝模。
本发明制备拉丝模的上述方法可概括为：粉体制备、处理—烧结，可采用真空热压烧结或者冷等静压成型+无压烧结—超塑挤压成形拉丝模孔形—精密磨削加工。其中，烧结后所得烧结体毛坯的外形接近成品的最终外形，一般为圆柱形或圆锥形；拉丝模主要工作部分的孔形由超塑挤压变形获得，包括入口区、压缩区和定径区；拉丝模的最终尺寸经精密磨削后获得。
本发明方法中用于制备拉丝模的氧化铝基纳米复相陶瓷烧结后的主要成分为：Al2O3、MgAl2O4和ZrO2(3Y)，3Y表示采用3％Y2O3稳定的ZrO2；其中Al2O3的摩尔含量为60％～80％，MgAl2O4的摩尔含量为10％～20％，ZrO2(3Y)的摩尔含量为10％～20％。其成分配比是通过最初称量三种粉体来实现的。其中MgAl2O4是在烧结过程中通过以下反应获得：
Al2O3+MgO＝Mg Al2O4
也即本发明方法中烧结前最初采用的三种粉体为：Al2O3、MgO和ZrO2(3Y)。三种粉体均应保证分散良好，无硬团聚，且每一种粉体的平均粒径均小于50纳米。
本发明方法中采用真空热压烧结制备烧结体的热压烧结温度为1450～1550℃，热压烧结的保温时间为60～75min，热压压力为≥25MPa。若采用冷等静压+无压烧结法制备烧结体，则冷等静压的压力应为≥200MPa，保压时间为≥5min；随后无压烧结的温度为1450～1550℃，可以在真空炉中烧结或者在非真空设备中烧结。
本发明方法中超塑挤压成形拉丝模孔形的变形温度为1650～1750℃，变形时间根据拉丝模的尺寸大小不同，一般为5～30min。超塑挤压成形所采用的模具材料应为耐高温的结构材料，可以为高强石墨材料或碳化硅。
本发明利用氧化铝基纳米复相陶瓷本身所具有的良好力学性能和超塑性变形能力，提出采用氧化铝基纳米复相陶瓷来制作拉丝模，并采用超塑性挤压成形工艺来成形拉丝模的关键尺寸、孔形。由于获得的烧结体纳米复相陶瓷在挤压成形过程中具有足够的塑性，可满足超塑性成形的要求，因而在合适的变形温度和变形速度条件下即可呈现出超塑性效应，可以通过挤压成形的方法在烧结体坯料中直接挤压成形出拉丝模的孔形，包括拉丝模的入口区、压缩区和定径区。最后通过少量的精密磨修，加工出口区，最终获得成品。
本发明的一种氧化铝基纳米复相陶瓷拉丝模及其制备方法具有以下优点和益处：
拉丝模的孔形主要是通过超塑性挤压变形形成的，经超塑成形后氧化铝基纳米复相陶瓷拉丝模具有很好的综合力学性能，除具有高温稳定性好、耐磨性高、寿命长的特点外，还具有较高的韧性和表面光洁度以及低的摩擦系数。由于拉丝模的主要孔形经挤压变形获得，需要磨削加工的量少，机加工工时少；同时材料利用率显著提高。采用超塑性成形工艺，制件的形状由模具的形状来保证，适合于批量生产。
附图说明
附图1为本发明超塑挤压成形拉丝模所用的挤压模具结构示意图。
附图2为附图1中挤压模具结构中所用挤压压头的结构示意图。
附图3为经超塑挤压成形后的拉丝模制件结构示意图。
附图4为经精密磨削加工后的的拉丝模成品结构示意图。
图1中：1压头，2挤压筒，3陶瓷坯料，4下垫块。
图2中：11压头入口区段，12压头压缩区段，13压头定径区段。
图3中：31入口区，32压缩区，33定径区。
图4中：31入口区，32压缩区，33定径区，34出口区。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
本发明实施例中所述的拉丝模材料为氧化铝基纳米复相陶瓷，该材料为一种以氧化铝为基体，加入氧化锆和镁铝尖晶石形成第二相的三元复合陶瓷。首先将Al2O3、MgO和ZrO2(3Y)三种初始纳米粉体均匀混合，通过烧结工艺，获得致密的圆柱或圆锥形烧结体坯料。利用其超塑性，通过超塑性挤压工艺，实现烧结体陶瓷坯料的超塑成形，获得拉丝模的主要孔形，最后经磨削加工，获得精密尺寸的拉丝模。挤压成形时，将烧结体陶瓷坯料放入模具中，模具压头下行，在坯料中挤压出拉丝模的主要孔形，直至陶瓷坯料与模具贴合而成形。本发明所需的烧结过程与超塑挤压过程均可以在普通真空热压机上进行。
实施例1：
本实施例提供了一种氧化铝基纳米复相陶瓷拉丝模及其制备方法。采用市售的Al2O3、ZrO2(3Y)和MgO纳米粉体，其配比满足烧结得到的烧结体成分为Al2O3∶ZrO2(3Y)∶Mg Al2O4＝60∶20∶20，配比均为摩尔比，将三种粉体按比例混合均匀，获得氧化铝基复合粉体。在ZRY-55型真空热压烧结炉中对所得复合粉体真空热压烧结，烧结过程采用高强石墨作为模具材料，烧结温度为1500℃，烧结压力为25MPa，热压烧结的保温时间为60min。即获得一圆柱形的纳米复相陶瓷烧结体，作为制备拉丝模的陶瓷坯料(3)。
本实施例提供的超塑挤压成形工艺过程为：将烧结体陶瓷坯料(3)放入挤压筒(2)内，如附图1所示装配整个模具。随后，将整个模具放入真空热压烧结炉内，升温至1650℃，保温30min后，挤压压头(1)以1mm/min的速度下行，在陶瓷坯料中挤压成形拉丝模所需的孔形，当压头(1)下行的距离达到设定位置时，停止下行。随后，热压炉降温至室温后，取出成形后的陶瓷拉丝模制件，如附图3所示。最后采用精密磨削加工拉丝模制件至最终尺寸，获得如附图4所示的拉丝模成品。
实施例2：
本实施例提供了一种氧化铝基纳米复相陶瓷拉丝模及其制备方法。采用市售的Al2O3、ZrO2(3Y)和MgO纳米粉体，其配比满足烧结后的烧结体成分为Al2O3∶ZrO2(3Y)∶Mg Al2O4＝80∶10∶10，配比均为摩尔比。将三种粉体按比例混合均匀，后经干燥、研磨，获得氧化铝基纳米复合粉体。在冷等静压机中对所得复合粉体进行冷等静压处理，等静压处理的压力为200MPa，保压时间为5min；随后在箱式炉中无压烧结，烧结温度为1550℃，保温时间60min。即获得圆柱形的纳米复相陶瓷烧结体，作为制备拉丝模的陶瓷坯料。
如附图1所示，本实施例提供的超塑挤压成形工艺过程为：将烧结体陶瓷坯料(3)放入挤压筒(2)内，按照附图1所示装配整个模具。随后，将整个模具放入真空热压烧结炉内，升温至1750℃，保温30min后，挤压压头(1)以3mm/min的速度下行，在陶瓷坯料(3)中挤压出拉丝模所需的孔形，当压头下行的距离达到设定位置时，停止下行。随后，将热压炉降温冷却至室温，取出成形后的拉丝模制件，如附图3所示。最后采用精密磨削加工拉丝模制件至最终尺寸，获得如附图4所示的拉丝模成品。
Claims (2)
1.一种氧化铝基纳米复相陶瓷拉丝模的制备方法，其采用氧化铝基纳米复相陶瓷来制备拉丝模，所述氧化铝基纳米复相陶瓷的每一种粉体的平均粒径均小于50纳米，所述制备过程为首先获得氧化铝基纳米复相陶瓷烧结体，然后通过超塑性挤压成形陶瓷坯料获得拉丝模孔形，而后经过精密磨削加工获得拉丝模成品，其特征在于：
所述拉丝模材料为氧化铝基纳米复相陶瓷，所述氧化铝基纳米复相陶瓷的每一种粉体的平均粒径均小于50纳米，其烧结体基体成分为Al2O3，其中加入了ZrO2(3Y)和MgAl2O4第二相，所述拉丝模材料中Al2O3的摩尔含量为60％～80％，MgAl2O4的摩尔含量为10％～20％，ZrO2(3Y)的摩尔含量为10％～20％。
2.根据权利要求1所述的一种氧化铝基纳米复相陶瓷拉丝模的制备方法，其特征在于：所述拉丝模的孔形是通过超塑性挤压成形的方法获得，所述超塑性挤压成形温度为1650～1750℃，所述超塑性挤压成形的压头速度为1～3mm/min。
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