CN103586296B - 一种镶拼式陶瓷拉丝模及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镶拼式陶瓷拉丝模及其制备方法，其特征在于：包括模芯和模套；所述模芯包括通过超塑性挤压成形方法获得依次平滑连接的且同轴的入口区、工作区和定径区，所述模芯的材质为氧化铝基三元共晶熔凝陶瓷；所述模套包括用于固定所述模芯的模芯容纳区和与所述定径区平滑连接的出口区。本发明利用氧化铝基三元共晶熔凝陶瓷所具备的超塑性，通过超塑挤压成形获得拉丝模模芯，再将模芯镶嵌在模套中组成镶拼式拉丝模。本发明的模芯具有很高的硬度、耐磨性及耐高温性能，可以显著提高使用拉丝模使用寿命；超塑成形工艺适合批量生产，整个拉丝模采用镶拼式结构，降低了整个拉丝模的生产成本。
Description
技术领域
本发明属于拉丝模的制造领域，具体地说是一种镶拼式陶瓷拉丝模及其制备方法。
背景技术
拉丝模作为金属材料拉拔行业中的重要零件，是一种典型的易耗损工具。用来制作拉丝模的材料有：合金钢、硬质合金、天然金刚石、人造聚晶金刚石、陶瓷等材料。且较多的拉丝模都采用模芯与模套配合的工艺制作，即采用力学性能好的材料作为模芯，也即模芯工作部分，制作模芯的材料多采用硬质合金或人造金刚石等；采用碳素钢、不锈钢等材料制作模套。
硬质合金拉丝模一般是以碳化物为原料，添加一定量的过渡族金属元素作为粘结剂烧结成形，通过冷压法或热压法将硬质合金模芯镶嵌入钢模外套中成型。硬质合金具有耐磨性高，抛光性好，黏附性小，摩擦系数小，抗蚀性高等特点，使得其寿命及使用性能远远高于钢模，在生产中具有广泛性。但是由于烧结后的材料极难加工，且精度和性能要求较高，产品表面光洁度低，因此，最后的磨削加工用时多，刀具消耗大，生产周期较长，使其价格成本远高于普通的钢制拉丝模。天然金刚石具有较好的硬度与耐磨性，但是相对稀有，价格较高，不能广泛应用与生产。聚晶金刚石拉丝模采用了聚晶模芯，与低碳钢外套组合成镶套拉丝模，由于聚晶金刚石属于多晶体，具有各向同性，因此制成的拉丝模的模孔比较圆润，磨损较为均匀。并且聚晶金刚石硬度普遍比硬质合金高，耐磨性能好，抗冲击能力强，抗破裂能力强。聚晶模可以连续使用较长的时间，减少了调模和穿模的辅助工时，因此提高了拉丝效率，降低了工人的劳动强度。但是由于聚晶金刚石是一种多晶聚合体，其制成的拉丝模光洁度不够高，使得一些拉制的线材表面精度达不到标准。由于聚合强度不够高往往导致晶粒脱落，从工作区脱落到变径带使拉丝阻力不断增加，甚至使得拉丝模整体崩裂。此外，聚晶模的尺寸相对较小，还不能大尺寸的使用，从而限制了聚晶模的应用与发展。CVD金刚石拉丝模采用了金刚石薄膜，是金刚石多晶体，综合了天然金刚石的光洁度、耐温性和聚晶金刚石的硬度、耐磨性及各向同性，所以在某些性能方面比目前广泛使用的天然金刚石和聚晶金刚石拉丝模更加优越。但是CVD金刚石涂层拉丝模的制作工艺比较复杂，加工困难，成本较高。当涂层磨损后模具的光洁度大大降低，使线材精度得不到保障，同时模具也会由于晶粒的脱落而呈现崩裂的倾向，不能重复使用，只能报废。
目前已有使用金属陶瓷、ZTA陶瓷、Al2O3/TiC陶瓷、TZP陶瓷等材料制成的拉丝模具。一般用陶瓷材料制成的拉丝模在拉丝过程中不容易与金属线材发生粘附,有利于提高金属丝材表面性能,尤其是在高温下拉制有色金属材料，可以避免硬质合金拉丝模的缺陷，并且可以延长拉丝模寿命、提高材质的表面质量。但是由于陶瓷材料的塑、韧性以及抗冲击性还不够高，并且由于其硬度太高使得切削加工困难，在拉丝模行业的应用上受到了一定的限制。
在金属线材拉拔成形中，拉丝模的模芯部分作为主要受力部位，其温度升高很快，磨损也是最严重的，从而导致整个拉丝模的失效。因此，如何改善模芯的硬度及耐磨损性能，同时减少整个拉丝模的制作成本是关键问题。此外，由于制作整个拉丝模需要的陶瓷粉体较多，特别的是在制作成形后需要对出口区进行磨削加工比较困难。通常单一的陶瓷拉丝模由于陶瓷材料的抗冲击性及韧性低等天然缺陷而易于产生热疲劳裂纹等缺陷。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种镶拼式陶瓷拉丝模及其制备方法。本发明采用氧化铝基三元共晶熔凝陶瓷来制作拉丝模的模芯，模芯包括入口区、工作区与定径区部分，利用氧化铝基三元共晶熔凝陶瓷所具备的超塑性，通过超塑挤压成形获得模芯部分的形状和尺寸，最终将制得的共晶熔凝陶瓷拉丝模模芯，然后将模芯镶嵌在钢制的模套中组合成镶拼式拉丝模。
本发明采用的技术手段如下：
一种镶拼式陶瓷拉丝模，其特征在于：包括模芯和模套；
所述模芯包括通过超塑性挤压成形方法获得依次平滑连接的且同轴的入口区、工作区和定径区，所述模芯的材质为氧化铝基三元共晶熔凝陶瓷；
所述模套包括用于固定所述模芯的模芯容纳区和与所述定径区平滑连接的出口区。
作为优选，所述模芯的材质为以Al2O3为基体，加入ZrO2和Y2O3获得的三元共晶熔凝陶瓷，所述三元共晶熔凝陶瓷按其中64～66mol％Al2O3，18～20mol％ZrO2，14～18mol％Y2O3进行配比，所述配比为摩尔比。
本发明还公开了上述镶拼式陶瓷拉丝模的制备方法，其特征在于：所述拉丝模的模芯的材质为氧化铝基三元共晶熔凝陶瓷，所述模芯通过超塑性挤压成形方法获得，具体制备包括如下步骤：
①制备纳米陶瓷粉体；
所述纳米陶瓷粉体可以通过购买市售纳米粉体，然后按配比混合均匀后获得三元共晶纳米陶瓷粉体，所述三元共晶熔凝陶瓷按其中64～66mol％Al2O3，18～20mol％ZrO2，14～18mol％Y2O3进行配比，所述配比为摩尔比，其成分配比是通过最初称量三种粉体来实现的，随后将三种粉体混合均匀获得三元共晶纳米陶瓷粉体；也可以通过化学方法直接制备三元共晶纳米陶瓷粉体，如液相沉淀法、溶胶-凝胶法等。
②将制得的纳米陶瓷粉体在1400～1600℃的温度下烧结获得圆柱形的陶瓷烧结体；
③将获得的陶瓷烧结体放入模具内在1850～1950℃的熔融温度内进行真空熔化，保温30-60min后随炉冷却，获得共晶熔凝陶瓷坯体；
所述模具为石墨模具，在保温过程中可以施加较小的力，使得熔融体内部的气体更易排除。本发明所需的烧结过程和熔融过程均可以在普通的真空热压炉中实现。之后，随炉冷却后在室温下取出陶瓷材料，即得到具有极高耐磨性的共晶熔凝陶瓷坯体。
④将共晶熔凝陶瓷坯体放入挤压模具内在1600～1800℃的超塑性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，获得依次平滑连接的且同轴的入口区、工作区和定径区，然后进行磨削加工；所述挤压模具为高强石墨模具。优选地，挤压成形的压头速度为1～3mm/min；变形时间为5～30min。
将制备好的模芯镶嵌入设有出口区的模套内制成镶拼式陶瓷拉丝模。可采用热压套装等方法将模芯镶拼在钢制模套内。
作为优选，所述模芯的材质为以Al2O3为基体，加入ZrO2和Y2O3获得的三元共晶熔凝陶瓷，所述三元共晶熔凝陶瓷按其中64～66mol％Al2O3，18～20mol％ZrO2，14～18mol％Y2O3进行配比，所述配比为摩尔比。
作为优选，步骤②中的纳米陶瓷粉体可采用在1400～1600℃的温度下，保温60～75min，热压压力大于等于25MPa下，进行真空热压烧结获得圆柱形的陶瓷烧结体；或者在室温下，冷等静压成圆柱形坯料，冷等静压成型压力大于等于200MPa，保压时间大于等于5min，之后再在1400～1600℃的温度下无压烧结获得圆柱形的陶瓷烧结体。
较现有技术相比，本发明中所采用的氧化铝基三元共晶熔凝陶瓷具有良好力学性能，其具有良好的高温超塑性，采用超塑性挤压成形工艺来成形拉丝模模芯的关键尺寸及孔形。所获得的氧化铝基三元共晶熔凝陶瓷坯体在合适的变形速率及变形温度下即可出现超塑性现象，可以通过控制挤压条件及挤压模具的尺寸与形状改变模芯的尺寸及形状，最后只需要通过少量的精密打磨即可获得模芯，大大减少了对陶瓷坯体的切削，降低了生产工艺及成本，同时利用超塑性成形工艺也适合于批量生产。此外，经过超塑性成形后的氧化铝基三元共晶熔凝陶瓷模芯的硬度及耐磨性都会得到一定提高。本发明中所采用的氧化铝基共晶熔凝陶瓷只用于模芯部分的生产，而模套部分可以采用钢制模套，这样既能提高拉丝模的耐磨性，也能降低整个拉丝模的生产成本，并提高其使用寿命。
本发明的模芯工作部分具有很高的硬度、耐磨性及耐高温性能，可以显著提高使用拉丝模使用寿命；模芯采用超塑成形技术加工，超塑成形工艺适合批量生产，整个拉丝模采用镶拼式结构，降低了整个拉丝模的生产成本。基于上述理由本发明可在拉丝模领域广泛推广。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明镶拼式陶瓷拉丝模的结构示意图。
图2本发明挤压模具的结构示意图。
图中：1、模套；11、出口区；2、模芯；21、入口区；22、工作区；23、定径区；3、挤压模具；31、挤压筒；32、垫块；33、压头；4、共晶熔凝陶瓷坯体。
具体实施方式
如图1所示，一种镶拼式陶瓷拉丝模，包括模芯2和模套1；所述模芯2包括通过超塑性挤压成形方法获得依次平滑连接的且同轴的入口区21、工作区22和定径区23，所述模芯2的材质为氧化铝基三元共晶熔凝陶瓷；所述模套1包括用于固定所述模芯的模芯容纳区和与所述定径区平滑连接的出口区11。所述模芯2的材质为以Al2O3为基体，加入ZrO2和Y2O3获得的三元共晶熔凝陶瓷。
下面结合具体技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例1
所述模芯2材料为一种以Al2O3为基体，加入ZrO2及Y2O3形成的三元共晶纳米陶瓷。首先将摩尔比为65mol％Al2O3、19mol％ZrO2、16mol％Y2O3的三种市售纳米粉体在球磨机中混合均匀。混合后的纳米陶瓷粉体放入石墨制作的圆筒模具中，在普通压力机上缓慢加压到200MPa，保压5min，缓慢卸载取出压制成形圆柱形陶瓷坯体。然后将该陶瓷坯体放入普通加热炉中缓慢加热到1450℃，保温2个小时，取出后获得陶瓷烧结体。将陶瓷烧结体放入石墨模具内在1900℃的熔融温度内进行真空熔化，之后，随炉冷却后至室温，取出陶瓷材料，即得到具有极高耐磨性的共晶熔凝陶瓷坯体4。
将共晶熔凝陶瓷坯体4放入如图2所示的挤压模具3中，其中，31为挤压筒，32为垫块，33为压头，组装好后将挤压模具3及共晶熔凝陶瓷坯体4放入真空热压炉内，加热到1700℃，给予变形时间为5min，然后打开热压炉取出挤压模具3及模芯2粗坯。此时的模芯2粗坯已经具有很好的表面光洁度，只需要经过精细的打磨入口区21及工作区22即可镶嵌到钢制模的模套1中，最后组合成如图1所示的镶拼式拉丝模。
实施例2
所述模芯2材料为一种以Al2O3为基体，加入ZrO2及Y2O3后得到的三元共晶纳米陶瓷。首先按反应产物摩尔比为64mol％Al2O3、18mol％ZrO2、18mol％Y2O3计算称量Al2(NO3)·9H2O：65％，ZrOCl2·8H2O：20％，Y(NO3)3·6H2O：15％三种原料，将所述三种原料混合后加入无水乙醇和蒸馏水的混合溶剂中，该溶剂中首先加入少量的聚乙二醇作为分散剂，以防止加入的三种纳米粉体发生团聚现象，同时在添加药品过程中要不停地搅拌溶液。搅拌50分钟后在65℃水浴加热5小时，然后向溶液中加入少量氨水，静置1天。由于药品反应后会生成粉体沉淀出来，通过长时间的静置可以使溶液分层，将上层溶液倒掉，通过反复加水与静置洗去氨水。之后过滤出沉淀，放入坩埚内加热到180℃干燥，再用研钵反复研磨，最后在1000℃条件下煅烧，即获得了所需的用于烧结的氧化铝基三元共晶纳米陶瓷粉体。
将由液相沉淀法制得的纳米陶瓷粉体放入真空热压炉中通过真空热压烧结成所需尺寸及形状的圆柱体。真空热压烧结中，将粉体加热到1450℃，压力升高到30MPa保温保压60分钟。取出陶瓷烧结体，此时获得了较高致密度的氧化铝基三元陶瓷烧结体。
将获得的烧结体放入石墨模具内在1850℃的熔融温度内进行真空熔化，之后，随炉冷却后在室温下取出，即得到具有极高耐磨性的共晶熔凝陶瓷坯体4。
将共晶熔凝陶瓷坯体4放入如图2所示的挤压模具3中，在共晶熔凝陶瓷坯体4上方放置压头33，将整个挤压模具3及共晶熔凝陶瓷坯体4放入真空热压炉内，加热到1650℃，保温后挤压变形时间为5min，然后打开热压炉取出挤压模具3及模芯2粗坯。此时的模芯2粗坯为半成品，已经具有很好的表面光洁度，只需要经过精细的磨削入口区21及工作区22即可镶嵌到钢制模的模套1中，最后组合成如图1所示的镶拼式拉丝模。该镶拼拉丝模中由于共晶熔凝陶瓷模芯2具有很高的硬度和高温耐磨性，且加工过程中不需要大量的切削，降低了加工难度，适合于批量生产，此外钢制模的模套具有一定的韧性，可以延长拉丝模使用寿命。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种镶拼式陶瓷拉丝模，其特征在于：包括模芯和模套；
所述模芯包括通过超塑性挤压成形方法获得依次平滑连接的且同轴的入口区、工作区和定径区，所述模芯的材质为氧化铝基三元共晶熔凝陶瓷；
所述模套包括用于固定所述模芯的模芯容纳区和与所述定径区平滑连接的出口区。
2.根据权利要求1所述的一种镶拼式陶瓷拉丝模，其特征在于：所述模芯的材质为以Al2O3为基体，加入ZrO2和Y2O3获得的三元共晶熔凝陶瓷，所述三元共晶熔凝陶瓷按其中64～66mol％Al2O3，18～20mol％ZrO2，14～18mol％Y2O3进行配比，所述配比为摩尔比。
3.一种镶拼式陶瓷拉丝模的制备方法，其特征在于：所述拉丝模的模芯的材质为氧化铝基三元共晶熔凝陶瓷，所述模芯通过超塑性挤压成形方法获得，具体制备包括如下步骤：
①制备纳米陶瓷粉体；
②将制得的纳米陶瓷粉体在1400～1600℃的温度下烧结获得圆柱形的陶瓷烧结体；
③将获得的陶瓷烧结体放入模具内在1850～1950℃的熔融温度内进行真空熔化，保温30-60min后随炉冷却，获得共晶熔凝陶瓷坯体；
④将共晶熔凝陶瓷坯体放入挤压模具内在1600～1800℃的超塑性变形温度下进行挤压成形，获得依次平滑连接的且同轴的入口区、工作区和定径区，然后进行磨削加工；
将制备好的模芯镶嵌入设有出口区的模套内制成镶拼式陶瓷拉丝模。
4.根据权利要求3所述的一种镶拼式陶瓷拉丝模的制备方法，其特征在于：所述模芯的材质为以Al2O3为基体，加入ZrO2和Y2O3获得的三元共晶熔凝陶瓷，所述三元共晶熔凝陶瓷按其中64～66mol％Al2O3，18～20mol％ZrO2，14～18mol％Y2O3进行配比，所述配比为摩尔比。
5.根据权利要求3所述的一种镶拼式陶瓷拉丝模的制备方法，其特征在于：步骤②中的纳米陶瓷粉体采用在1400～1600℃的温度下，保温60～75min，热压压力大于等于25MPa下，进行真空热压烧结获得圆柱形的陶瓷烧结体；或者在室温下，冷等静压成圆柱形坯料，冷等静压成型压力大于等于200MPa，保压时间大于等于5min，之后再在1400～1600℃的温度下无压烧结获得圆柱形的陶瓷烧结体。
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