CN101588877B - 拉丝模 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供强度或耐磨损性优越的拉丝模。作为拉丝模的芯，使用一种多晶体，其是将包含非金刚石型碳物质的原料组合物在超高压高温下不添加烧结助剂或催化剂而直接变换烧结为金刚石的、基本上仅由金刚石构成的多晶体，该多晶金刚石是具有最大粒径为100nm以下、平均粒径为50nm以下的微粒金刚石结晶和最小粒径为50nm以上、最大粒径10000nm以下的板状或粒状粗粒金刚石结晶的混合组织的高硬度金刚石多晶体。

Description

拉丝模
技术领域
本发明涉及金属线等的拉丝用金刚石模，尤其涉及铜或金等极细线、或不锈钢线、钢帘线等的高硬度线拉丝用模。
背景技术
以往，在孔径50μm以下的极细线的拉丝用模中，将天然单晶金刚石、或合成单晶金刚石作为原材料，使用图1所示的形状的材料。但是，单晶金刚石在长时间进行拉丝的情况下，发生图2B所示的不均匀磨损，导致线肌(線肌)变差的问题。金刚石单晶中晶格面的间隔根据方位而不同，另外，面内的原子密度根据各晶格面而不同。因此，在耐磨损性上存在显著的依赖性，在拉丝后发生不均匀磨损，线肌肉变差。
另外，不锈钢线、钢帘线等的高硬度线拉丝用模存在：在拉丝时，过度的应力施加于模，劈开引起的裂纹发生的问题。因此，在这样的用途中，现状是通常使用多晶金刚石。
当前，就作为工具用市售的多晶金刚石来说，作为烧结助剂或结合剂，均使用Co、Ni、Fe等铁族金属、或SiC等陶瓷。这些是通过将金刚石的粉末与烧结助剂或结合剂一同在金刚石的热力学上稳定的高压高温条件下(通常，压力5～6GPa、温度1300～1500℃)烧结而得到。但是，包含10体积％左右的烧结助剂或结合材料，因此，得不到高精度的孔面，不能适用于极细线的拉丝。还知道天然产出的多晶金刚石(黑金刚石或玫红尖晶石)，一部分用作挖掘钻，但缺陷多，材质的不均也大，因此，未使用在模用途。
另一方面，通过将石墨(graphite)或玻璃碳、无定型碳等非金刚石碳在超高压高温下，无催化剂或溶媒下，直接变换为金刚石，同时进行烧结，得到没有结合材料的金刚石单相的多晶体。
作为这样的多晶体，例如，在J.Chem.Phys.，38(1 963)631-643[F.P.Bundy](非专利文献1)或Japan.J.Appl.Phys.，11(1972)578-590[M.Wakatsuki，K.Ichinose，T.Aoki](非专利文献2)、Nature 259(1976)38[S.Naka，K.Horii，Y.Takeda，T.Hanawa](非专利文献3)中公开了将石墨作为起始物质，通过14-18GPa、3000K以上的超高压高温下的直接变换，得到多晶金刚石的技术。
另外，在特开2002-66302号公报(专利文献1)中记载了将碳纳米管加热为10GPa以上、1600℃以上，合成微细的金刚石的方法。
进而，在新金刚石和前沿碳技术(New Diamond andFrontier Carbon Technology)，14(2004)313[T.Irifune，H.Sumiya](非专利文献4)或SEI技术评论165(2004)68[角谷、入舩](非专利文献5)中公开了将高纯度石墨作为起始物质，通过基于在12GPa以上、2200℃以上的超高压高温下的间接加热的直接变换烧结，得到致密且高纯度的单晶金刚石的方法。
专利文献1  特开2002-66302号公报
非专利文献1  J.Chem.Phys.，38(1963)631-643[F.P.Bundy]
非专利文献2  Japan.J.Appl.Phys.，11(1972)578-590[M.Wakatsuki，K.Ichinose，T.Aoki]
非专利文献3  Nature 259(1976)38[S.Naka，K.Horii，Y.Takeda，T.Hanawa]
非专利文献4  New Diamond and Frontier Carbon Technology，14(2004)313[T.Irifune，H.Sumiya]
非专利文献5  SEI技术评论165(2004)68[角谷、入舩]
但是，通过在非专利文献1或非专利文献2、非专利文献3中记载的 多晶金刚石均通过向石墨等具有导电性的非金刚石碳直接流过电流来加热的直接通电加热法而进行，因此，不能避免未变换石墨残留的情况。另外，金刚石粒径不均一，另外，容易使烧结部分地不充分。因此，硬度或强度等机械特性不充分，而且，只得到片状多晶体，得不到能够用作拉丝模的物质。
另外，在专利文献1中公开的方法中，用金刚石砧台对碳纳米管加压，用二氧化碳气体激光器聚光加热，因此，不能制造能够适用于拉丝模的尺寸的均质的多晶金刚石。
进而，在利用非专利文献4或非专利文献5中公开的方法得到的金刚石有时具有非常高的硬度，但其再现性不充分，机械特性不稳定，因此，在用作拉丝模的情况下，根据试料，存在性能不均的问题。
发明内容
本发明是为了解决以上的以往的技术问题而做成的，其目的在于提供将通过直接变换烧结来得到的多晶金刚石的特性最佳化为拉丝模用，不存在以往的单晶金刚石中的不均匀磨损、或劈开破裂的问题，与从以往开始市售的包含结合材料的多晶金刚石相比为高强度，耐热性优越，尤其在极细线或不锈钢线或钢帘线的拉丝中具有非常优越的性能的拉丝模。
本发明人等为了调查上述问题的原因，详细调查通过直接变换来得到的多晶金刚石的微细结构和机械特性或耐磨损特性的关系的结果知道，有时具有层状结构和微细的均质结构混合的复合组织，这些以适当的比例分布的情况下，高硬度且耐磨损性优越。另外，知道在以往的方法中，层状结构和微细的均质结构的比率根据起始物质的石墨的状态或升温时间、压力条件的微妙的差异而不均，这导致机械特性、耐磨损特性不稳定的原因。
因此，本发明人等为了解决如上所述的问题，在超高压高温下将非金刚石碳直接变换为金刚石的方法中，将向比较粗的板状石墨或比较粗的金刚石中添加了非石墨型碳物质或低结晶性或微粒的石墨的物质作为起始物质的结果，发现了得到在微粒的金刚石的基质中分散有层状或比较粗的金刚石结晶的组织的多晶金刚石，通过该层状或粗粒金刚石中的塑性变形、微细裂纹的进展阻止效果，极其稳定地得到非常硬且强韧的多晶金刚 石的事实。另外，还发现了通过石墨也能够根据升温时间、压力条件，进行微细结构的控制，形成为如上所述的适当的组织。
还有，使用该原材料，制作模，进行了拉丝测试的结果判断出，根据起始物质或合成条件，得到耐磨损性高，不均匀磨损或劈开裂纹也少的模，通过利用起始物质的最佳化，最佳化多晶金刚石的微细结构，发现得到具有以往材质的三倍以上的耐久性的、非常优越的拉丝模的事实，从而实现了本发明。
即，本发明的特征如下，即：其特征在于，形成为使用了如下所述的多晶金刚石的模，该多晶金刚石是将非金刚石型碳物质作为起始物质，在超高压高温下不添加烧结助剂或催化剂而直接变换烧结为金刚石的、基本上由金刚石构成的多晶金刚石，金刚石具有：最大粒径为100nm以下、平均粒径为50nm以下的微粒的金刚石和最小粒径为50nm以上、最大粒径10000nm以下的板状或粒状粗粒金刚石的混合组织。在多晶金刚石中设置有使被拉丝加工的线材料通过的孔，其中，在形成于所述多晶金刚石的孔中，观察轴承部的剖面时的所述孔的正圆度为0.01μm以上且0.2μm以下。
另外，优选微粒的金刚石的最大粒径为50nm以下，平均粒径为30nm以下，优选粗粒的金刚石的最小粒径为50nm以上，最大粒径为1000nm以下。
优选在将该多晶金刚石使用于模时，在多晶金刚石形成的孔中，至少作用于加工的面的面粗糙度按Ra为0.001μm以上且0.2μm以下。还有，本申请中正圆度是指在360°的各方向上观察了孔的直径时的最大的直径和最小的直径之差。
另外，优选根据被拉丝加工的线材料，将孔的形状中的圆锥(reduction)角度设为适当的大小。作为具体的大小，优选在拉丝加工金线的情况下为8～16°，在拉丝加工铜线的情况下为8～16°，在拉丝加工钨线的情况下为6～14°，在拉丝加工不锈钢线的情况下为6～14°，在拉丝加工钢帘线的情况下为6～14°。
附图说明
图1是观察了以往的单晶金刚石模的剖面的概略图。
图2A是表示以往的单晶金刚石模的磨损状态的照片，是磨损前的状态的照片。
图2B是表示以往的单晶金刚石模的磨损状态的照片，是磨损后的状态的照片。
图3A是确认了本发明的金刚石模和以往的天然单晶金刚石模的、孔径变化的状况的试验结果，是表示在该试验中使用的模的概略形状的图表。
图3B是确认了本发明的金刚石模和以往的天然单晶金刚石模的、孔径变化的状况的试验结果，是表示本发明的金刚石模的孔径变化的结果的图表。
图3C是确认了本发明的金刚石模和以往的天然单晶金刚石模的、孔径变化的状况的试验结果，是表示以往的天然单晶金刚石模的孔径变化的结果的图表。
图中：1-单晶金刚石；2-箱。
具体实施方式
向粒径50nm以上的板状石墨或金刚石中添加适量的非石墨型碳物质，将其作为起始物质，在金刚石的热力学稳定的压力条件下直接变换烧结为金刚石的情况下，得到在平均粒径例如为10～20nm的非常微细的金刚石的基质中分散有例如100～200nm的比较粗的金刚石的组织的多晶金刚石。塑性变形或裂纹的进展在比较粗的金刚石部被阻止，因此，显示非常强韧且高的硬度特性，试料引起的特性不均也大幅度减小。
在此，粒径50nm以上的板状石墨或金刚石中添加的非石墨型碳物质的添加量优选10体积％以上，95体积％以下。若少于10体积％，则层状或粗粒的金刚石之间接触，应力在其界面集中，容易发生破裂或龟裂，因此不优选。另外，若超过95体积％，则层状或粗粒的金刚石产生的塑性变形或微细裂纹的进展阻止效果变得不充分。
另外，作为上述非石墨型碳物质，可以举出珐琅碳、无定形碳、富勒烯、碳纳米管等。另外，还可以使用用行星球磨机等机械粉碎了石墨的粒径50nm以下的微细的碳。
将以上的混合物填充于Mo等金属包囊中。使用粉碎的微细碳的情况下，需要在高纯度的惰性气体中进行填充作业。其次，使用能够进行多砧台型(multi-anvil)超高压装置或带型超高压装置等的各向同性加压或静水压加压的超高压高温产生装置，以温度1500℃以上，且金刚石的热力学稳定的压力保持规定时间。非石墨型碳直接变换为金刚石，进行同时烧结。在使用粒径50nm的板状石墨的情况下，为了将其完全地变换为金刚石，需要在2000℃以上的高温下进行处理。
这样，稳定地得到在微粒的金刚石的基质中分散有层状或比较粗的金刚石结晶的组织的多晶金刚石。
另外，将石墨作为起始物质，进行上述高压高温处理时，通过将加热速度设为100～1000℃/分钟，也得到相同的组织的多晶金刚石。
由于该层状或粗粒金刚石中的塑性变形、微细裂纹的进展阻止效果，多晶体的硬度为120GPa以上，非常高，因此，耐磨损性非常优越，特性的不均也少。
将该多晶金刚石作为芯，利用激光器等形成孔，抛光孔的面。抛光的孔的面的面粗糙度按Ra为0.001μm以上且0.2μm以下。若形成为这样的面粗糙度，则在进行拉丝加工的情况下，降低抑制拉丝阻力，磨损量也变少，因此，寿命提高，而且，无论是耐磨损性高的多晶金刚石，均能够比较容易且短时间内加工磨削。
另外，若使利用这样的激光加工和抛光加工，观察轴承部的剖面时的孔的正圆度成为0.01μm以上且0.2μm以下地进行加工，则能够得到高精度且高品质的线材料，能够形成为长寿命的尺寸。
实施例
向粒径0.05～10μm、纯度99.95％以上的结晶性良好的石墨粉末或粒径0.05～3μm的合成金刚石粉末中添加超微细粉碎了石墨的粉末或珐琅碳粉末、C60粉末、碳纳米管粉末的各种非石墨型碳材料，将其填充、密封于Mo包囊中，将其使用超高压产生装置，以各种压力、温度条件进行30分钟处理。利用X射线衍射，同定得到的试料的生成相，通过TEM观察，调查构成粒子的粒径。另外，将得到的试料的表面抛光为镜面，用微型努氏硬度计测定所述抛光面处的硬度。实验结果示出在表1中。
Figure G2008800022963D00071
从该结果可知，若将向平均粒径50nm以上的石墨或金刚石中以10体积％以上，且95体积％以下添加了微粒粉碎石墨或非石墨型碳物质的物质作为起始物质，在超高压高温下直接变换烧结，则稳定地得到在平均粒径50nm以下的微粒的金刚石的基质中分散有粒径50nm以上的层状金刚石或比较粗的金刚石结晶的组织的多晶金刚石。得到的多晶体的硬度远比以往的Co粘合剂的烧结体(60～80GPa)高，另外，在将石墨作为起始物质的多晶体中所显示的硬度特性的不均也没有。
其次，制作使用了上述金刚石中实施例1的金刚石的模和使用了天然单晶金刚石的模，确认模的孔径变化的状况。作为试验条件，由于两者的模的初始的孔径略不同，因此，拉丝的线材料形成为比初始的孔径大约2μm的直径的铜线，以100mm/秒的拉丝速度进行，每拉丝1m时切除拉丝加工的线的中央部的20cm，基于该重量，算出平均直径。还有，反复进行30次该作业，求出30次的直径的数据的最大值、最小值、平均值。从而，这些值成为拉丝30m的过程中的值。将其反复进行8次，形成为图标，该图标为图3B和图3C。
在图3B和图3C中记载的试验结果的线中，上侧的虚线表示最大直径的变化，下侧的虚线表示最小直径的变化，中央的实线表示平均直径的变化。从该结果可确认，就孔径变化的速度来说，与本发明的多晶金刚石的模相比，以往的天然单晶金刚石的模快三倍左右，本发明的模的耐久性非常优越。
为了进一步比较，利用使用了上述金刚石中实施例1的金刚石(模原材料为A的)的模(本发明1～49)、使用了平均粒径为1μm的金刚石(模原材料为B的)构成的以往的多晶金刚石(包含几十％的Co的结合材料)的模(以往例1、2、5、6、11、12、15、16、21、22、25、26、31、32、35、36、41、42、45、46)、和使用了以往的天然单晶金刚石(模原材料为C的)的模(以往例3、4、7、13、14、17、23、24、27、33、34、37、43、44、47)，制作孔形状不同的多个形状的模，进行五种线材料的拉丝加工，进行比较。使用的金刚石的原材料、作用面的面粗糙度、正圆度、圆锥角度如表2～6所述，其结果也一同示出在表2～6中。还有，关于线 材料为钢帘线的例子，由于没有其他线材料的例子的40μm的直径的线材料，因此形成为孔径为200μm的模。从而，关于钢帘线的结果，成为不能在与其他线材料相同的基准下比较的结果。在表2～6的结果中，关于寿命，用指数表示，寿命与指数成比例而变长。另外，线表面的损伤是通过将50km(钢帘线20km)的长度拉丝加工的时点下的线表面的损伤的状态，进行如3的评价的，○表示没有确认到损伤，△表示确认到浅的损伤，×表示确认到线材料被切削之类的深的损伤。进而，确认线表面的损伤的同时，还测定正圆度。
[表2]
Figure G2008800022963D00101
Figure G2008800022963D00121
Figure G2008800022963D00131
Figure G2008800022963D00141
从这些结果可知，根据面粗糙度的差异、正圆度的差异或圆锥角度的差异，比较本发明的模和以往的模的情况下，本发明的模在寿命或线表面的损伤的发生中优越，能够长时间进行正圆度的变化少，精度良好的拉丝加工。

Claims (9)

1.一种拉丝模，其特征在于，其是将多晶金刚石作为芯的拉丝模，该多晶金刚石是将非金刚石型碳物质作为起始物质，在超高压高温下不添加烧结助剂或催化剂而直接变换烧结为金刚石的、基本上仅由金刚石构成的多晶金刚石，其中，所述多晶金刚石具有：最大粒径为100nm以下、平均粒径为50nm以下的微粒的金刚石和最小粒径为50nm以上、最大粒径为10000nm以下的板状或粒状的粗粒金刚石的混合组织，在所述多晶金刚石设置有使被拉丝加工的线材料通过的孔，
其中，形成于所述多晶金刚石的孔中，观察轴承部的剖面时的所述孔的正圆度为0.01μm以上且0.2μm以下。
2.根据权利要求1所述的拉丝模，其中，
所述微粒的金刚石的最大粒径为50nm以下，平均粒径为30nm以下。
3.根据权利要求1所述的拉丝模，其中，
所述粗粒的金刚石的最小粒径为50nm以上，最大粒径为1000nm以下。
4.根据权利要求1所述的拉丝模，其中，
形成于所述多晶金刚石的孔中，至少作用于加工的面的面粗糙度按Ra为0.001μm以上且0.2μm以下。
5.根据权利要求1所述的拉丝模，其中，
被拉丝加工的线材料为金线，所述孔的形状中圆锥角度为8～16°。
6.根据权利要求1所述的拉丝模，其中，
被拉丝加工的线材料为铜线，所述孔的形状中圆锥角度为8～16°。
7.根据权利要求1所述的拉丝模，其中，
被拉丝加工的线材料为钨线，所述孔的形状中圆锥角度为6～14°。
8.根据权利要求1所述的拉丝模，其中，
被拉丝加工的线材料为不锈钢线，所述孔的形状中圆锥角度为6～14°。
9.根据权利要求1所述的拉丝模，其中，
被拉丝加工的线材料为钢帘线，所述孔的形状中圆锥角度为6～14°。
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