CN104588634A - 一种高硬度聚晶金刚石拉丝模的放电等离子烧结制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高硬度聚晶金刚石拉丝模的放电等离子烧结制作工艺，镶套由金属粉经放电等离子烧结得到；真空度为2-8Pa，起始压力为20-30MPa，以80-100℃/min的速率升温至300-350℃后降压至10-20MPa，以50-80℃/min的速率升温至420-450℃降压至8-10MPa，以30-50℃/min的速率升温至500-520℃后以20℃/min的速率升温至550-570℃，保温保压30-50秒，冷却得到拉丝模。放电等离子烧结中，脉冲放电产生的冲击波以及电子、离子能净化、活化粉末，使颗粒粒子同时受到离子放电、导电加热以及加压的综合作用，降低了活化能，缩短烧结的时间，抑制了晶粒的生长；脉冲电流可以降低成核的能量，增大成核率，获得细小的组织。本发明通过采用新的镶套用金属粉配方和放电等离子烧结工艺，得到了高强度、高硬度和高致密度的模具。
Description
技术领域
本发明涉及拉丝模技术领域，尤其涉及一种高硬度聚晶金刚石拉丝模的放电等离子烧结制作工艺。
背景技术
在金属压力加工中，在外力的作用下使金属强行通过模具，金属横截面积被压缩，并获得所需要的横截面积、形状和尺寸的工具称为拉丝模，它是一种使金属丝由粗到细，逐步达到人们所需要的尺寸的工具，由模套和模芯两部分组成，在使用的过程中，由于拉拔的作用，会使模具发生不同程度的损伤，质量好的模具对于提高企业的生产效率，降低企业的成本是至关重要的，要想降低成本，获得稳定长时间的拉拔，精确地尺寸，较好的表面质量，没有高质量的拉丝模具是难以实现的。
聚晶金刚石是用经过认真挑选的质量优良的人造金刚石单晶加上少量的硅、钛等结合剂，在高温高压的条件下聚合而成，以其高硬度、高耐磨性以及优良的性价比等特点越来越受到拉丝行业的青睐，成为拉丝行业应用最广泛的模芯材料，但是金刚石脆性较大，难于加工，在制备模具以及模具的使用过程中会发生脆性爆裂，影响企业的产品质量，拉丝模在模芯表面会进行镶套保护模芯。拉丝模芯的镶套是模具生产过程中的一个重要环节，其中镶套的成分以及镶套工艺是直接影响拉丝模成品质量的重要因素。目前常用的金刚石拉丝模镶套方法有两种：一种是热镶，一种是粉末镶，其中以粉末镶套最为突出。现有技术中的模具在模芯的利用率，使用寿命和模具修复方面还不能达到另人们满意的程度。
放电等离子烧结是近年来发展起来的一种快速制备材料的新技术，与传统的热压、热等压和无压等烧结技术相比，具有许多优点。在烧结初始阶段利用直流脉冲电压在颗粒间产生散高温等离子体，对被烧结材料进行表面净化、活化和均匀加热，有助于形成均相和高性能的烧结体，采用直流电直接对石墨模具和模具内的烧结材料进行通电加热，具有很高的热效率，可获得极快的加热速度，从而有效地缩短了烧结时间，同时也利于保持原材料的微结构，得到性能优异的烧结材料，但是在拉丝模具镶套过程中未得到充分的应用。
目前，现有技术中的拉丝模具在使用寿命和可修复次数方面还不能达到令人满意的程度，选择合适的镶套用金属粉末的成分和烧结方法，优化镶套工艺，提高模芯的利用率，得的综合性能好的模具，延长模具的使用寿命，提高生产的效率，降低生产成本是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种高硬度聚晶金刚石拉丝模的放电等离子烧结制作工艺，实现了模具的镶套制作工艺的优化，得到综合性能好的模具，提高模具制备过程中模芯的利用率，延长模具的使用寿命，增加模具的修复次数。
本发明公开了一种高硬度聚晶金刚石拉丝模的放电等离子烧结制作工艺，所述拉丝模包括聚晶金刚石模芯、镶套和具有内腔的钢套，镶套包裹模芯并设于钢套的内腔中，镶套由顶部、底部和环绕模芯的周部组成，镶套采用金属粉末烧结而成；镶套制作工艺包括如下步骤：
S1、按质量百分比将34-37wt％的铁粉、20-25wt％的镍粉、15-19wt％的铜粉、8-10wt％的铝粉、8-10wt％的锌粉、1-2wt％的锡粉、1-2wt％的镁粉、2-3wt％的银粉、1-2wt％的磷粉、2-3wt％的锌-30wt％铝中间合金粉混合均匀得到金属粉；
S2、将钢套放置在石墨模具中；称取A单位S1中配制的金属粉倒入钢套中，将石墨压柱插入石墨模具中压住金属粉，放入烧结机内冷压将金属粉压实形成镶套底部；将聚晶金刚石模芯某一面固定在镶套底部，聚晶金刚石模芯与钢套处于同一中心轴线；称取B单位S1中配制的金属粉倒入钢套中，将石墨压筒插入石墨模具中压住金属粉，放入烧结机内冷压将金属粉压实形成镶套周部；称取C单位S1中配制的金属粉倒入钢套中，将石墨压柱插入石墨模具中压住金属粉，放入烧结机内冷压形成镶套顶部；其中装入B单位的金属粉使金属粉充满聚晶金刚石模芯的周围空间，装入A单位的金属粉和C单位的金属粉后震动石墨模具使金属粉均匀平整；
S3、将S2中装有冷压成型的金属粉、聚晶金刚石模芯和钢套的模具放入放电等离子烧结机内进行放电等离子烧结，在放电等离子烧结过程中，镶套底部、周部和顶部放电等离子烧结形成一体镶套，并且，镶套、聚晶金刚石模芯和钢套放电等离子烧结成一体形成聚晶金刚石拉丝模；其中，放电等离子烧结过程如下：调节真空度为2-8Pa，起始压力为20-30MPa，以80-100℃/min的升温速率升温至300-350℃后，降压至10-20MPa，以50-80℃/min的速率升温至420-450℃，降压至8-10MPa，以30-50℃/min的速率升温至500-520℃后以20℃/min的速率升温至550-570℃，保温保压30-50秒，冷却至室温，卸压后取出得到高硬度聚晶金刚石拉丝模。
优选地，放电等离子烧结过程如下：调节真空度为3-6Pa，起始压力为22-28MPa，以88-95℃/min的升温速率升温至305-348℃后，降压至12-18MPa，以55-75℃/min的速率升温至428-448℃，降压至8.5-9.5MPa，以32-48℃/min的速率升温至508-518℃后以20℃/min的速率升温至555-565℃，保温保压32-48秒。
优选地，放电等离子烧结过程如下：调节真空度为5Pa，起始压力为25MPa，以90℃/min的升温速率升温至330℃后，降压至16MPa，以73℃/min的速率升温至439℃，降压至9MPa，以45℃/min的速率升温至512℃后以20℃/min的速率升温至563℃，保温保压41秒。
优选地，所述金属粉按质量百分比包括：35wt％的铁粉、22wt％的镍粉、16wt％的铜粉、9wt％的铝粉、9wt％的锌粉、1.5wt％的锡粉、1.5wt％的镁粉、2.2wt％的银粉、1wt％磷粉、2.8wt％的锌-30wt％铝中间合金粉。
在本发明中，采用了新的镶套用金属粉配方，配方以铁-镍-铜系为基并添加了其他元素组成。一方面，配方中提高了锌的含量同时相应的调整了镍、锡的含量，在降低成本的同时，易于形成金属间化合物，使形成的镶套与模芯和钢套紧密贴合，在模具使用过程中不易剥落，增加镶套的耐磨性，延长了模具的使用寿命，增加了模具可修复次数，一方面，添加了磷粉，在烧结的过程中助熔，加快了烧结的速度，另一方面，减小了金属粉的颗粒大小，金属粉末粒度为160目左右，细化了晶粒，增加了形成镶套的致密度，延长模具的使用寿命。
在本发明中，优化了镶套的工艺，采用冷压成型与放电等离子烧结工艺相结合的过程，采用冷压，减少热量投入的同时能防止聚晶金刚石在高温条件下的脆裂，提高模芯的利用率，同时储存了能量，为之后的烧结提供了基础；放电等离子烧结将脉冲大电流作用与模具上，脉冲放电产生的冲击波以及电子、离子在电场中的反方向高速运动，使粉末表面的起始氧化膜在一定程度上被击穿，使粉末净化、活化，颗粒粒子同时受到离子放电、导电加热以及加压的综合作用，降低了活化能，促进颗粒原子的扩散，提高了烧结的速率，缩短烧结的时间，使烧结体从低温区快速进入高温区，抑制了晶粒的生长；晶粒受到脉冲电流加热和垂直单向压力的作用，体扩散、界面扩散都得到了加强，能够加速致密化过程；脉冲电流可以降低成核的能量，增大成核率，获得细小的组织，得到综合性能好的模具；放电等离子烧结不仅有传统烧结过程中通电产生的焦耳热和加压造成的塑性变形的作用促进烧结过程，还有效的利用了颗粒间放电产生的自发热，消耗能量少，操作简单；在放电等离子烧结过程中，控制升温速率和压力，压力逐渐减小，升温速率逐渐变小，防止在高温时驱动力过大而造成晶粒长大过快的现象，得到了高强度、高硬度和高致密度的模具。
附图说明
图1是本发明中高硬度聚晶金刚石拉丝模的放电等离子烧结制作工艺流程图。
图2是本发明中高硬度聚晶金刚石拉丝模的结构示意图。
图3、图4、图5和图6为本发明实施例中S2的工作状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明做出详细说明，应当了解，实施例只用于说明本发明，而不是用于对本发明进行限定，任何在本发明基础上所做的修改、等同替换等均在本发明的保护范围内。
图1是本发明中一种高硬度聚晶金刚石拉丝模的放电等离子烧结制作工艺的流程图，如图1所示，本发明所述的聚晶金刚石拉丝模镶套制作工艺包括金属粉配制、装金属粉和放电等离子烧结三个步骤。
图2是本发明中一种高硬度聚晶金刚石拉丝模的结构示意图，如图2所示，聚晶金刚石拉丝模包括聚晶金刚石模芯A、镶套B和具有内腔的钢套C，镶套B包裹聚晶金刚石模芯A并设于钢套C的内腔中，镶套B与钢套C的内腔紧密贴合，基于聚晶金刚石模芯A与镶套B的位置关系，将镶套B分为顶部、底部和环绕模芯的周部，其中，镶套底部位于模芯A的底部，镶套周部位于模芯A的外周，镶套顶部位于模芯A的顶部；镶套B、聚晶金刚石模芯A和钢套C沿着同一中心轴线对称分布。
本发明实施例中，在高硬度聚晶金刚石拉丝模的镶套制作过程中，采用石墨模具进行镶套压制。
图3、图4、图5和图6是本发明中实施例1-3中S2的工作状态图，如图3、图4、图5和图6所示，所述石墨模具包括上模1、下模2和压模，其中，压模包括石墨压柱3和石墨压筒4，石墨压柱3为圆柱状结构，石墨压筒4为设有轴向的通孔的圆筒状结构；上模1是具有内腔的柱状模具，上模1的内腔分为上下连通的上腔和下腔，上腔的内径与石墨压柱和石墨压筒的外径相等，下腔的直径与钢套的外径相等；下模2是具有突出圆柱的柱状模具，圆柱的直径与上模1的下腔直径相等，下模2的圆台与钢套的高度之和与上模1的下腔高度相等；
实施例1-3中，在对聚晶金刚石模芯进行定位时设计了定位压柱5，定位压柱5也可以采用石墨制成，聚晶金刚石模芯可套在石墨压筒4的通孔中，定位压柱5可插入石墨压筒的通孔中并对聚晶金刚石模芯进行安装和定位。
本发明所公开的高硬度聚晶金刚石拉丝模的放电等离子烧结制作工艺中各实施例中金属粉成分配比(质量百分比)如表1所示：
表1各实施例中镶套用金属粉末的成分配比(质量百分比)
实施例1
S1、按照表1中实施例1所列出的质量配比将各金属粉末混合均匀；
S2、将钢套放置在上模1的下腔内，再将下模2的圆柱置于上模1的下腔内，使钢套安装在上模1和下模2之间；称取A单位S1中配制的金属粉倒入钢套中，震动石墨模具使金属粉均匀平整，将石墨压柱从上腔插入上模1中，如图3所示，石墨压柱压住金属粉，将上模1、下模2、钢套、金属粉和石墨压柱的组合体放入烧结机，冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成镶套底部；将聚晶金刚石模芯粘在石墨压筒的通孔中，在聚晶金刚石模芯的下端面涂抹粘结剂，将石墨压筒从上腔插入上模1中，将聚晶金刚石模芯与镶套底部粘贴牢固，然后将定位压柱插入石墨压筒的通孔中并压住聚晶金刚石模芯，通过旋转方式拔起石墨压筒，然后将石墨压筒和定位压柱取出，如图4所示；称取B单位S1中配制的金属粉倒入钢套中，并将金属粉充满聚晶金刚石模芯的周围空间，震动石墨模具使金属粉均匀平整，将石墨压筒从上腔插入上模1中，如图5所示，石墨压筒压住钢套中聚晶金刚石模芯周围的金属粉，将上模1、下模2、钢套、金属粉、聚晶金刚石模芯和石墨压筒的组合体放入烧结机，在烧结机上冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成镶套周部；称取C单位S1中配制的金属粉倒入钢套中，震动石墨模具使金属粉均匀平整，将石墨压柱从上腔插入上模1中，石墨压柱压住金属粉，如图6所示，将上模1、下模2、钢套、聚晶金刚石模芯、金属粉和石墨压柱的组合体放入烧结机冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成了镶套顶部；
S3、将S2中装有冷压成型的金属粉、聚晶金刚石模芯和钢套的模具放入放电等离子烧结机烧结，在放电等离子烧结过程中，镶套底部、周部和顶部放电等离子烧结形成一体镶套，并且，镶套、聚晶金刚石模芯和钢套放电等离子烧结成一体形成聚晶金刚石拉丝模；
具体地，放电等离子烧结过程如下：调节真空度为5Pa，起始压力为25MPa，以90℃/min的升温速率升温至330℃后，降压至16MPa，以73℃/min的速率升温至439℃，降压至9MPa，以45℃/min的速率升温至512℃后以20℃/min的速率升温至563℃，保温保压41秒。
S4、卸压后取出得到高硬度聚晶金刚石拉丝模。
实施例2
S1、按照表1中实施例2所列出的质量配比将各金属粉末混合均匀；
S2、将钢套放置在上模1的下腔内，再将下模2的圆柱置于上模1的下腔内，这样，钢套安装在上模1和下模2之间；称取A单位S1中配制的金属粉倒入钢套中，震动石墨模具使金属粉均匀平整，将石墨压柱从上腔插入上模1中，如图3所示，石墨压柱压住金属粉，将上模1、下模2、钢套、金属粉和石墨压柱的组合体放入烧结机，冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成镶套底部；将聚晶金刚石模芯粘在石墨压筒的通孔中，在聚晶金刚石模芯的下端面涂抹粘结剂，将石墨压筒从上腔插入上模1中，将聚晶金刚石模芯与镶套底部粘贴牢固，然后将定位压柱插入石墨压筒的通孔中并压住聚晶金刚石模芯，通过旋转方式拔起石墨压筒，然后将石墨压筒和定位压柱取出，如图4所示；称取B单位S1中配制的金属粉倒入钢套中，并将金属粉充满聚晶金刚石模芯的周围空间，震动石墨模具使金属粉均匀平整，将石墨压筒从上腔插入上模1中，如图5所示，石墨压筒压住钢套中聚晶金刚石模芯周围的金属粉，将上模1、下模2、钢套、金属粉、聚晶金刚石模芯和石墨压筒的组合体放入烧结机，在烧结机上冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成镶套周部；称取C单位S1中配制的金属粉倒入钢套中，震动石墨模具使金属粉均匀平整，将石墨压柱从上腔插入上模1中，石墨压柱压住金属粉，如图6所示，将上模1、下模2、钢套、聚晶金刚石模芯、金属粉和石墨压柱的组合体放入烧结机冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成了镶套顶部；
S3、将S2中装有冷压成型的金属粉、聚晶金刚石模芯和钢套的模具放入放电等离子烧结机烧结，在放电等离子烧结过程中，镶套底部、周部和顶部放电等离子烧结形成一体镶套，并且，镶套、聚晶金刚石模芯和钢套放电等离子烧结成一体形成聚晶金刚石拉丝模；
具体地，放电等离子过程如下调节真空度为6Pa，起始压力为20MPa，以98℃/min的升温速率升温至345℃后，降压至10MPa，以78℃/min的速率升温至422℃，降压至9MPa，以45℃/min的速率升温至505℃后以20℃/min的速率升温至565℃，保温保压45秒，冷却至室温；
S4、卸压后取出得到高硬度聚晶金刚石拉丝模。
实施例3
S1、按照表1中实施例3所列出的质量配比将各金属粉末混合均匀；
S2、将钢套放置在上模1的下腔内，再将下模2的圆柱置于上模1的下腔内，这样，钢套安装在上模1和下模2之间；称取A单位S1中配制的金属粉倒入钢套中，震动石墨模具使金属粉均匀平整，将石墨压柱从上腔插入上模1中，如图3所示，石墨压柱压住金属粉，将上模1、下模2、钢套、金属粉和石墨压柱的组合体放入烧结机，冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成镶套底部；将聚晶金刚石模芯粘在石墨压筒的通孔中，在聚晶金刚石模芯的下端面涂抹粘结剂，将石墨压筒从上腔插入上模1中，将聚晶金刚石模芯与镶套底部粘贴牢固，然后将定位压柱插入石墨压筒的通孔中并压住聚晶金刚石模芯，通过旋转方式拔起石墨压筒，然后将石墨压筒和定位压柱取出，如图4所示；称取B单位S1中配制的金属粉倒入钢套中，并将金属粉充满聚晶金刚石模芯的周围空间，震动石墨模具使金属粉均匀平整，将石墨压筒从上腔插入上模1中，如图5所示，石墨压筒压住钢套中聚晶金刚石模芯周围的金属粉，将上模1、下模2、钢套、金属粉、聚晶金刚石模芯和石墨压筒的组合体放入烧结机，在烧结机上冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成镶套周部；称取C单位S1中配制的金属粉倒入钢套中，震动石墨模具使金属粉均匀平整，将石墨压柱从上腔插入上模1中，石墨压柱压住金属粉，如图6所示，将上模1、下模2、钢套、聚晶金刚石模芯、金属粉和石墨压柱的组合体放入烧结机冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成了镶套顶部；
S3、将S2中装有冷压成型的金属粉、聚晶金刚石模芯和钢套的模具放入放电等离子烧结机烧结，在放电等离子烧结过程中，镶套底部、周部和顶部放电等离子烧结形成一体镶套，并且，镶套、聚晶金刚石模芯和钢套放电等离子烧结成一体形成聚晶金刚石拉丝模；
具体地，放电等离子烧结过程如下：调节真空度为4Pa，起始压力为25MPa，以82℃/min的升温速率升温至315℃后，降压至17MPa，以70℃/min的速率升温至434℃，降压至10MPa，以33℃/min的速率升温至508℃后以20℃/min的速率升温至559℃，保温保压48秒，冷却至室温；
S4、卸压后取出得到高硬度聚晶金刚石拉丝模。
在实施例1-3中，选用新的镶套用金属粉末配方，提高了组成中锌元素的含量，并根据锌元素含量的变化，调整了铁、镍、锰、锡元素的含量值，增加了铝元素、镁元素和锌铝合金，并选用了相同的金属粉末粒度，为获得优良的综合性能提供了基础；选择了放电等离子烧结，对镶套工艺进行了优化，确定了合适的温度变化速率、最高温度、烧结压力，改善了烧结条件，获得了具有低气孔率、高强度和高致密度的模具。
Claims (4)
1.一种高硬度聚晶金刚石拉丝模的放电等离子烧结制作工艺，其特征在于，所述拉丝模包括聚晶金刚石模芯、镶套和具有内腔的钢套，镶套包裹模芯并设于钢套的内腔中，镶套由顶部、底部和环绕模芯的周部组成，镶套采用金属粉烧结而成；镶套制作工艺包括如下步骤：
S1、按质量百分比将34-37wt％的铁粉、20-25wt％的镍粉、15-19wt％的铜粉、8-10wt％的铝粉、8-10wt％的锌粉、1-2wt％的锡粉、1-2wt％的镁粉、2-3wt％的银粉、1-2wt％的磷粉、2-3wt％的锌-30wt％铝中间合金粉混合均匀得到金属粉；
S2、将钢套放置在石墨模具中；称取A单位S1中配制的金属粉倒入钢套中，将石墨压柱插入石墨模具中压住金属粉，放入烧结机内冷压将金属粉压实形成镶套底部；将聚晶金刚石模芯某一面固定在镶套底部，聚晶金刚石模芯与钢套处于同一中心轴线；称取B单位S1中配制的金属粉倒入钢套中，将石墨压筒插入石墨模具中压住金属粉，放入烧结机内冷压将金属粉压实形成镶套周部；称取C单位S1中配制的金属粉倒入钢套中，将石墨压柱插入石墨模具中压住金属粉，放入烧结机内冷压形成镶套顶部；其中装入B单位的金属粉使金属粉充满聚晶金刚石模芯的周围空间，装入A单位的金属粉和C单位的金属粉后震动石墨模具使金属粉均匀平整；
S3、将S2中装有冷压成型的金属粉、聚晶金刚石模芯和钢套的模具放入放电等离子烧结机内进行放电等离子烧结，在放电等离子烧结过程中，镶套底部、周部和顶部放电等离子烧结形成一体镶套，并且，镶套、聚晶金刚石模芯和钢套放电等离子烧结成一体形成聚晶金刚石拉丝模；其中，放电等离子烧结过程如下：调节真空度为2-8Pa，起始压力为20-30MPa，以80-100℃/min的升温速率升温至300-350℃后，降压至10-20MPa，以50-80℃/min的速率升温至420-450℃，降压至8-10MPa，以30-50℃/min的速率升温至500-520℃后以20℃/min的速率升温至550-570℃，保温保压30-50秒，冷却至室温，卸压后取出得到高硬度聚晶金刚石拉丝模。
2.根据权利要求1所述的高硬度聚晶金刚石拉丝模的放电等离子烧结制作工艺，其特征在于，放电等离子烧结过程如下：调节真空度为3-6Pa，起始压力为22-28MPa，以88-95℃/min的升温速率升温至305-348℃后，降压至12-18MPa，以55-75℃/min的速率升温至428-448℃，降压至8.5-9.5MPa，以32-48℃/min的速率升温至508-518℃后以20℃/min的速率升温至555-565℃，保温保压32-48秒。
3.根据权利要求2所述的高硬度聚晶金刚石拉丝模的放电等离子烧结制作工艺，其特征在于，放电等离子烧结过程如下：调节真空度为5Pa，起始压力为25MPa，以90℃/min的升温速率升温至330℃后，降压至16MPa，以73℃/min的速率升温至439℃，降压至9MPa，以45℃/min的速率升温至512℃后以20℃/min的速率升温至563℃，保温保压41秒。
4.根据权利要求1所述的高硬度聚晶金刚石拉丝模的放电等离子烧结制作工艺，其特征在于，所述金属粉按质量百分比包括：35wt％的铁粉、22wt％的镍粉、16wt％的铜粉、9wt％的铝粉、9wt％的锌粉、1.5wt％的锡粉、1.5wt％的镁粉、2.2wt％的银粉、1wt％磷粉、2.8wt％的锌-30wt％铝中间合金粉。
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