CN104588652B - 一种高强度聚晶金刚石拉丝模的真空二次热压制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度聚晶金刚石拉丝模的真空二次热压制作工艺，镶套由金属粉真空二次热压得到：真空度为2×10‑3‑8×10‑3Pa，压制压力为20‑45MPa，以20‑30℃/min的速率升温至500‑550℃，保温保压10‑20min，以10‑15℃/min的速率，升温至600‑650℃，保温10‑15min，保压15‑20min冷却得到拉丝模。本发明采用真空二次热压的方法，提高材料的致密度；能消除冷压过程中的弹性应变，减少脱模后尺寸增大的不利影响；真空烧结为无氧无还原气体的中性烧结，使得到的拉丝模镶套与模芯和钢套贴合紧密；二次热压使颗粒充分填充在烧结体的空隙中，提高模具的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及拉丝模技术领域，尤其涉及一种高强度聚晶金刚石拉丝模的真空二次热压制作工艺。
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。
因此，如何选择镶套用金属粉末的成分，优化镶套工艺，提高模芯的利用率，得到综合性能好的模具，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，提供了一种高强度聚晶金刚石拉丝模的真空二次热压制作工艺，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强度聚晶金刚石拉丝模的真空二次热压制作工艺，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，所述金属粉颗粒度为160目左右；
S2、将钢套放置在石墨模具中；
S3、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，将石墨压柱插入石墨模具中压住金属粉，放入烧结机内压力冷压将金属粉压实形成镶套底部；
S4、在聚晶金刚石模芯的第一端面固定在镶套底部，聚晶金刚石模芯与钢套的处于同一中心轴线；
S5、称取B单位S1中配制的金属粉倒入钢套中，使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；
S6、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，将石墨压柱插入石墨模具中压住金属粉，放入烧结机内冷压后形成镶套顶部；
S7、将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真空烧结机内进行真空热压烧结；在真空热压烧结过程中，镶套底部、周部和顶部真空热压形成一体镶套，并且，镶套、聚晶金刚石模芯和钢套真空热压成一体形成聚晶金刚石拉丝模；其中，真空一次热压过程如下：真空度为2×10-3-8×10-3Pa，压制压力为20-45MPa，以20-30℃/min的速率升温至500-550℃，保温保压10-20min；真空二次热压过程如下：2×10-3-8×10-3Pa，压制压力为 20-45MPa，以10-15℃/min的速率，升温至600-650℃，保温10-15min，保压15-20min，随炉冷却到200℃以下；
S8、卸压后取出得到高强度聚晶金刚石拉丝模。
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。
优选地，真空一次热压过程如下：真空度为5×10-3-7×10-3Pa，压制压力为22-42MPa，以22-28℃/min的速率升温至505-545℃，保温保压12-18min；真空二次热压过程如下：真空度为5×10-3-7×10-3Pa，压制压力为22-42MPa，以11-14℃/min的速率，升温至610-648℃，保温11-14min，保压16-19min，随炉冷却到200℃以下。
优选地，真空一次热压过程如下：真空度为6×10-3Pa，压制压力为35MPa，以26℃/min 的速率升温至532℃，保温保压16min；真空二次热压过程如下：真空度为6×10-3Pa，压制压力为35MPa，以12℃/min的速率，升温至634℃，保温13min，保压17min，随炉冷却到200℃以下。
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；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；优化了镶套的工艺，采用了真空二次热压的方法，一方面，热压烧结能够使颗粒在表面能和外在压力的作用下扩散、滑移，排除烧结体中的气孔，提高材料的致密度；真空热压能消除冷压过程中的弹性应变，提高有效压力，促使材料的塑性流动，使烧结体密度增大，不存在弹性失效，减少脱模后尺寸增大的不利影响；真空烧结为无氧无还原气体的中性烧结，对表面已经氧化的金属又有还原作用，能够提高界面的结合，使得到的拉丝模镶套与模芯和钢套贴合紧密；二次热压使颗粒充分填充在烧结体的空隙中，得到的材料裂缝少，提高模具的利用率，同时控制了烧结过程的温度变化速率，使一次晶粒生长成熟，没有过分的二次结晶，得到综合性能好的模具。
附图说明
图1是本发明中高强度聚晶金刚石拉丝模的真空二次热压制作工艺的流程图。
图2是本发明中高强度聚晶金刚石拉丝模的结构示意图。
图3为本发明中高强度聚晶金刚石拉丝模的真空二次热压制作工艺中S3步骤的工作状态示意图。
图4为本发明中高强度聚晶金刚石拉丝模的真空二次热压制作工艺中S5步骤的工作状态示意图。
图5为本发明中高强度聚晶金刚石拉丝模的真空二次热压制作工艺中S6步骤的工作状态示意图。
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是本发明中聚晶金刚石拉丝模的真空二次热压制作工艺的流程图，如图1所示，聚晶金刚石拉丝模镶套的制作工艺包括金属粉配制、放置钢套、装底粉、坯料定位、装周粉、装顶粉、真空二次热压和卸压取件八个步骤。
图2是本发明中一种高强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，在高强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和图5是本发明中高强度聚晶金刚石拉丝模的镶套制作中步骤S3、S5和S6的工作状态图，如图3、图4和图5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，定位压柱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。
本发明所公开的高强度聚晶金刚石拉丝模的真空二次热压制作工艺中各实施例中金属粉末成分配比(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，这样，钢套安装在上模1和下模2之间；
S3、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，在烧结机上以10MPa压力冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成镶套底部；
S4、在聚晶金刚石模芯的第一端面固定在镶套底部，聚晶金刚石模芯与钢套的处于同一中心轴线；可以选用的方法为：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；
S5、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4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，在烧结机上以5MPa的压力冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成镶套周部；
S6、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，放入烧结机上以0.5MPa压力冷压将金属粉压实形成镶套顶部，如图5所示；
S7：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真空烧结机内进行真空二次热压；具体地，真空一次热压过程如下：真空度为4×10-3Pa，压制压力为22MPa，以25℃/min的速率升温至545℃，保温保压12min；真空二次热压过程如下：真空度为4×10-3Pa，压制压力为25MPa，以11℃/min的速率，升温至645℃，保温14min，保压19min，随炉冷却到200℃以下；
在真空热压烧结过程中，镶套底部、周部和顶部真空热压形成一体镶套，并且，镶套、聚晶金刚石模芯和钢套真空热压成一体形成聚晶金刚石拉丝模；
S8、卸压后取出得到高强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；
S3、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，在烧结机上以15MPa压力冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成镶套底部；
S4、在聚晶金刚石模芯的第一端面固定在镶套底部，聚晶金刚石模芯与钢套的处于同一中心轴线；可以选用的方法为：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；
S5、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4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，在烧结机上以7MPa的压力冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成镶套周部；
S6、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，放入烧结机上以0.6MPa压力冷压将金属粉压实形成镶套顶部，如图5所示；
S7：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真空烧结机内进行真空二次热压；具体地，真空一次热压过程如下：真空度为7×10-3Pa，压制压力为44MPa，以28℃/min的速率升温至510℃，保温保压13min；真空二次热压过程如下：真空度为7×10-3Pa，压制压力为38MPa，以14℃/min的速率，升温至633℃，保温13min，保压20min，随炉冷却到200℃以下；
在真空热压烧结过程中，镶套底部、周部和顶部真空热压形成一体镶套，并且，镶套、聚晶金刚石模芯和钢套真空热压成一体形成聚晶金刚石拉丝模；
S8、卸压后取出得到高强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；
S3、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，在烧结机上以10MPa压力冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成镶套底部；
S4、在聚晶金刚石模芯的第一端面固定在镶套底部，聚晶金刚石模芯与钢套的处于同一中心轴线；可以选用的方法为：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；
S5、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4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，在烧结机上以5MPa的压力冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成镶套周部；
S6、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5所示，放入烧结机上以0.5MPa压力冷压将金属粉压实形成镶套顶部；
S7：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真空烧结机内进行真空二次热压:具体地，真空一次热压过程如下：真空度为6×10-3Pa，压制压力为35MPa，以26℃/min的速率升温至532℃，保温保压16min；真空二次热压过程如下：真空度为6×10-3Pa，压制压力为35MPa，以12℃/min的速率，升温至634℃，保温13min，保压17min，随炉冷却到200℃以下。
在真空热压烧结过程中，镶套底部、周部和顶部真空热压形成一体镶套，并且，镶套、聚晶金刚石模芯和钢套真空热压成一体形成聚晶金刚石拉丝模；
S8、卸压后取出得到高强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；采用真空二次热压工艺，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)
1.一种高强度聚晶金刚石拉丝模的真空二次热压制作工艺，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，所述金属粉颗粒度为160目；
S2、将钢套放置在石墨模具中；
S3、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，将石墨压柱插入石墨模具中压住金属粉，放入烧结机内压力冷压将金属粉压实形成镶套底部；
S4、将聚晶金刚石模芯的第一端面固定在镶套底部，聚晶金刚石模芯与钢套处于同一中心轴线；
S5、称取B单位S1中配制的金属粉倒入钢套中，使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；
S6、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，将石墨压柱插入石墨模具中压住金属粉，放入烧结机内冷压后形成镶套顶部；
S7、将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真空烧结机内进行真空热压烧结；在真空热压烧结过程中，镶套底部、周部和顶部真空热压形成一体镶套，并且，镶套、聚晶金刚石模芯和钢套真空热压成一体形成聚晶金刚石拉丝模；其中，真空一次热压过程如下：真空度为2×10-3-8×10-3Pa，压制压力为20-45MPa，以20-30℃/min的速率升温至500-550℃，保温保压10-20min；真空二次热压过程如下：真空度为2×10-3-8×10- 3Pa，压制压力为20-45MPa，以10-15℃/min的速率，升温至600-650℃，保温10-15min，保压15-20min，随炉冷却到200℃以下；
S8、卸压后取出得到高强度聚晶金刚石拉丝模。
2.根据权利要求1所述的高强度聚晶金刚石拉丝模的真空二次热压制作工艺，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。
3.根据权利要求1所述的高强度聚晶金刚石拉丝模的真空二次热压制作工艺，其特征在于，真空一次热压过程如下：真空度为5×10-3-7×10-3Pa，压制压力为22-42MPa，以22-28℃/min的速率升温至505-545℃，保温保压12-18min；真空二次热压过程如下：真空度为5×10-3-7×10-3Pa，压制压力为22-42MPa，以11-14℃/min的速率，升温至610-648℃，保温11-14min，保压16-19min，随炉冷却到200℃以下。
4.根据权利要求3所述的高强度聚晶金刚石拉丝模的真空二次热压制作工艺，其特征在于，真空一次热压过程如下：真空度为6×10-3Pa，压制压力为35MPa，以26℃/min的速率升温至532℃，保温保压16min；真空二次热压过程如下：真空度为6×10-3Pa，压制压力为35MPa，以12℃/min的速率，升温至634℃，保温13min，保压17min，随炉冷却到200℃以下。
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2014
- 2014-05-27 CN CN201410229367.0A patent/CN104588652B/zh not_active Expired - Fee Related
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