一種鑲拼式陶瓷拉絲模及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鑲拼式陶瓷拉絲模及其制備方法，其特征在于：包括模芯和模套；所述模芯包括通過超塑性擠壓成形方法獲得依次平滑連接的且同軸的入口區(qū)、工作區(qū)和定徑區(qū)，所述模芯的材質(zhì)為氧化鋁基三元共晶陶瓷；所述模套包括用于固定所述模芯的模芯容納區(qū)和與所述定徑區(qū)平滑連接的出口區(qū)。本發(fā)明利用氧化鋁基三元共晶陶瓷所具備的超塑性，通過超塑擠壓成形獲得拉絲模模芯，再將模芯鑲嵌在模套中組成鑲拼式拉絲模。本發(fā)明的模芯具有很高的硬度、耐磨性及耐高溫性能，可以顯著提高使用拉絲模使用壽命；超塑成形工藝適合批量生產(chǎn)，整個(gè)拉絲模采用鑲拼式結(jié)構(gòu)，降低了整個(gè)拉絲模的生產(chǎn)成本。
【專利說明】一種鑲拼式陶瓷拉絲模及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于拉絲模的制造領(lǐng)域，具體地說是一種鑲拼式陶瓷拉絲模及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]拉絲模作為金屬材料拉拔行業(yè)中的重要零件，是一種典型的易耗損工具。用來制作拉絲模的材料有:合金鋼、硬質(zhì)合金、天然金剛石、人造聚晶金剛石、陶瓷等材料。且較多的拉絲模都采用模芯與模套配合的工藝制作，即采用力學(xué)性能好的材料作為模芯，也即模芯工作部分，制作模芯的材料多采用硬質(zhì)合金或人造金剛石等；采用碳素鋼、不銹鋼等材料制作模套。
[0003]硬質(zhì)合金拉絲模一般是以碳化物為原料，添加一定量的過渡族金屬元素作為粘結(jié)劑燒結(jié)成形，通過冷壓法或熱壓法將硬質(zhì)合金模芯鑲嵌入鋼模外套中成型。硬質(zhì)合金具有耐磨性高，拋光性好，黏附性小，摩擦系數(shù)小，抗蝕性高等特點(diǎn)，使得其壽命及使用性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼模，在生產(chǎn)中具有廣泛性。但是由于燒結(jié)后的材料極難加工，且精度和性能要求較高，產(chǎn)品表面光潔度低，因此，最后的磨削加工用時(shí)多，刀具消耗大，生產(chǎn)周期較長，使其價(jià)格成本遠(yuǎn)高于普通的鋼制拉絲模。天然金剛石具有較好的硬度與耐磨性，但是相對稀有，價(jià)格較高，不能廣泛應(yīng)用與生產(chǎn)。聚晶金剛石拉絲模采用了聚晶模芯，與低碳鋼外套組合成鑲套拉絲模，由于聚晶金剛石屬于多晶體，具有各向同性，因此制成的拉絲模的?？妆容^圓潤，磨損較為均勻。并且聚晶金剛石硬度普遍比硬質(zhì)合金高，耐磨性能好，抗沖擊能力強(qiáng)，抗破裂能力強(qiáng)。聚晶模可以連續(xù)使用較長的時(shí)間，減少了調(diào)模和穿模的輔助工時(shí)，因此提高了拉絲效率，降低了工人的勞動強(qiáng)度。但是由于聚晶金剛石是一種多晶聚合體，其制成的拉絲模光潔度不夠高，使得一些拉制的線材表面精度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。由于聚合強(qiáng)度不夠高往往導(dǎo)致晶粒脫落，從工作區(qū)脫落到變徑帶使拉絲阻力不斷增加，甚至使得拉絲模整體崩裂。此夕卜，聚晶模的尺寸相對較小，還不能大尺寸的使用，從而限制了聚晶模的應(yīng)用與發(fā)展。CVD金剛石拉絲模采用了金剛石薄膜，是金剛石多晶體，綜合了天然金剛石的光潔度、耐溫性和聚晶金剛石的硬度、耐磨性及各向同性，所以在某些性能方面比目前廣泛使用的天然金剛石和聚晶金剛石拉絲模更加優(yōu)越。但是CVD金剛石涂層拉絲模的制作工藝比較復(fù)雜，加工困難，成本較高。當(dāng)涂層磨損后模具的光潔度大大降低，使線材精度得不到保障，同時(shí)模具也會由于晶粒的脫落而呈現(xiàn)崩裂的傾向，不能重復(fù)使用，只能報(bào)廢。
[0004]目前已有使用金屬陶瓷、ZTA陶瓷、Al203/TiC陶瓷、TZP陶瓷等材料制成的拉絲模具。一般用陶瓷材料制成的拉絲模在拉絲過程中不容易與金屬線材發(fā)生粘附，有利于提高金屬絲材表面性能，尤其是在高溫下拉制有色金屬材料，可以避免硬質(zhì)合金拉絲模的缺陷，并且可以延長拉絲模壽命、提高材質(zhì)的表面質(zhì)量。但是由于陶瓷材料的塑、韌性以及抗沖擊性還不夠高，并且由于其硬度太高使得切削加工困難，在拉絲模行業(yè)的應(yīng)用上受到了一定的限制。
[0005]在金屬線材拉拔成形中，拉絲模的模芯部分作為主要受力部位，其溫度升高很快，磨損也是最嚴(yán)重的，從而導(dǎo)致整個(gè)拉絲模的失效。因此，如何改善模芯的硬度及耐磨損性能，同時(shí)減少整個(gè)拉絲模的制作成本是關(guān)鍵問題。此外，由于制作整個(gè)拉絲模需要的陶瓷粉體較多，特別的是在制作成形后需要對出口區(qū)進(jìn)行磨削加工比較困難。通常單一的陶瓷拉絲模由于陶瓷材料的抗沖擊性及韌性低等天然缺陷而易于產(chǎn)生熱疲勞裂紋等缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)上述提出的技術(shù)問題，而提供一種鑲拼式陶瓷拉絲模及其制備方法。本發(fā)明采用氧化鋁基三元共晶陶瓷來制作拉絲模的模芯，模芯包括入口區(qū)、工作區(qū)與定徑區(qū)部分，利用氧化鋁基三元共晶陶瓷所具備的超塑性，通過超塑擠壓成形獲得模芯部分的形狀和尺寸，最終將制得的共晶陶瓷拉絲模模芯，然后將模芯鑲嵌在鋼制的模套中組合成鑲拼式拉絲模。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下:
[0008]一種鑲拼式陶瓷拉絲模，其特征在于:包括模芯和模套；
[0009]所述模芯包括通過超塑性擠壓成形方法獲得依次平滑連接的且同軸的入口區(qū)、工作區(qū)和定徑區(qū)，所述模芯的材質(zhì)為氧化鋁基三元共晶陶瓷；
[0010]所述模套包括用于固定所述模芯的模芯容納區(qū)和與所述定徑區(qū)平滑連接的出口區(qū)。
[0011]作為優(yōu)選，所述模芯的材質(zhì)為以Al2O3為基體，加入ZrO2和Y2O3獲得的三元共晶陶瓷，所述三元共晶陶瓷按其中64?66mol%Al203，18?20mol%Zr02，18?14%mol Y2O3進(jìn)行配比，所述配比為摩爾比。
[0012]本發(fā)明還公開了上述鑲拼式陶瓷拉絲模的制備方法，其特征在于:所述拉絲模的模芯的材質(zhì)為氧化鋁基三元共晶陶瓷，所述模芯通過超塑性擠壓成形方法獲得，具體制備包括如下步驟:
[0013]①制備納米陶瓷粉體；
[0014]所述納米陶瓷粉體可以通過購買市售納米粉體，然后按配比混合均勻后獲得三元共晶納米陶瓷粉體，所述三元共晶陶瓷按其中64?66mol%Al203，18?20mol%Zr02，18?14%mol Y2O3進(jìn)行配比，所述配比為摩爾比，其成分配比是通過最初稱量三種粉體來實(shí)現(xiàn)的，隨后將三種粉體混合均勻獲得三元共晶納米陶瓷粉體；也可以通過化學(xué)方法直接制備三元共晶納米陶瓷粉體，如液相沉淀法、溶膠-凝膠法等。
[0015]②將制得的納米陶瓷粉體在1400?1600°C的溫度下燒結(jié)獲得圓柱形的陶瓷燒結(jié)體；
[0016]③將獲得的陶瓷燒結(jié)體放入模具內(nèi)在1850?1950°C的熔融溫度內(nèi)進(jìn)行真空熔化，保溫30-60min后隨爐冷卻，獲得共晶陶瓷坯體；
[0017]所述模具為石墨模具，在保溫過程中可以施加較小的力，使得熔融體內(nèi)部的氣體更易排除。本發(fā)明所需的燒結(jié)過程和熔融過程均可以在普通的真空熱壓爐中實(shí)現(xiàn)。之后，隨爐冷卻后在室溫下取出陶瓷材料，即得到具有極高耐磨性的共晶陶瓷坯體。
[0018]④將共晶陶瓷坯體放入擠壓模具內(nèi)在1600?1800°C的超塑性變形溫度下進(jìn)行擠壓成形，使燒結(jié)體產(chǎn)生超塑性變形直至與模具貼合，獲得依次平滑連接的且同軸的入口區(qū)、工作區(qū)和定徑區(qū)，然后進(jìn)行磨削加工；所述擠壓模具為高強(qiáng)石墨模具。優(yōu)選地，擠壓成形的壓頭速度為I?3mm/min ;變形時(shí)間為5?30min。
[0019]將制備好的模芯鑲嵌入設(shè)有出口區(qū)的模套內(nèi)制成鑲拼式陶瓷拉絲模?？刹捎脽釅禾籽b等方法將模芯鑲拼在鋼制模套內(nèi)。
[0020]作為優(yōu)選，所述模芯的材質(zhì)為以Al2O3為基體，加入ZrO2和Y2O3獲得的三元共晶陶瓷，所述三元共晶陶瓷按其中64?66mol%Al203，18?20mol%Zr02，18?14%mol Y2O3進(jìn)行配比，所述配比為摩爾比。
[0021 ] 作為優(yōu)選，步驟②中的納米陶瓷粉體可采用在1400?1600°C的溫度下，保溫60?75min，熱壓壓力大于等于25MPa下，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)獲得圓柱形的陶瓷燒結(jié)體；或者在室溫下，冷等靜壓成圓柱形坯料，冷等靜壓成型壓力大于等于200MPa，保壓時(shí)間大于等于5min，之后再在1400?1600°C的溫度下無壓燒結(jié)獲得圓柱形的陶瓷燒結(jié)體。
[0022]較現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明中所采用的氧化鋁基三元共晶陶瓷具有良好力學(xué)性能，其具有良好的高溫超塑性，采用超塑性擠壓成形工藝來成形拉絲模模芯的關(guān)鍵尺寸及孔形。所獲得的氧化鋁基三元共晶陶瓷坯體在合適的變形速率及變形溫度下即可出現(xiàn)超塑性現(xiàn)象，可以通過控制擠壓條件及擠壓模具的尺寸與形狀改變模芯的尺寸及形狀，最后只需要通過少量的精密打磨即可獲得模芯，大大減少了對陶瓷坯體的切削，降低了生產(chǎn)工藝及成本，同時(shí)利用超塑性成形工藝也適合于批量生產(chǎn)。此外，經(jīng)過超塑性成形后的氧化鋁基三元共晶陶瓷模芯的硬度及耐磨性都會得到一定提高。本發(fā)明中所采用的氧化鋁基共晶陶瓷只用于模芯部分的生產(chǎn)，而模套部分可以采用鋼制模套，這樣既能提高拉絲模的耐磨性，也能降低整個(gè)拉絲模的生產(chǎn)成本，并提高其使用壽命。
[0023]本發(fā)明的模芯工作部分具有很高的硬度、耐磨性及耐高溫性能，可以顯著提高使用拉絲模使用壽命；模芯采用超塑成形技術(shù)加工，超塑成形工藝適合批量生產(chǎn)，整個(gè)拉絲模采用鑲拼式結(jié)構(gòu)，降低了整個(gè)拉絲模的生產(chǎn)成本?；谏鲜隼碛杀景l(fā)明可在拉絲模領(lǐng)域廣泛推廣。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0025]圖1是本發(fā)明鑲拼式陶瓷拉絲模的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖2本發(fā)明擠壓模具的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖中:1、模套11、出口區(qū)2、模芯21、入口區(qū)22、工作區(qū)23、定徑區(qū)3、擠壓模具31、擠壓筒32、墊塊33、壓頭4、共晶陶瓷坯體
【具體實(shí)施方式】
[0028]如圖1所示，一種鑲拼式陶瓷拉絲模，包括模芯2和模套I ;所述模芯2包括通過超塑性擠壓成形方法獲得依次平滑連接的且同軸的入口區(qū)21、工作區(qū)22和定徑區(qū)23，所述模芯2的材質(zhì)為氧化鋁基三元共晶陶瓷；所述模套I包括用于固定所述模芯的模芯容納區(qū)和與所述定徑區(qū)平滑連接的出口區(qū)11。所述模芯2的材質(zhì)為以Al2O3為基體，加入ZrO2和Y2O3獲得的三元共晶陶瓷。
[0029]下面結(jié)合具體技術(shù)方案詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0030]實(shí)施例1[0031]所述模芯2材料為一種以Al2O3為基體，加入ZrO2及Y2O3形成的三元共晶納米陶瓷。首先將摩爾比為65mol%Al203、19mol%Zr02、16mol Y2O3的三種市售納米粉體在球磨機(jī)中混合均勻?；旌虾蟮募{米陶瓷粉體放入石墨制作的圓筒模具中，在普通壓力機(jī)上緩慢加壓到200MPa，保壓5min，緩慢卸載取出壓制成形圓柱形陶瓷坯體。然后將該陶瓷坯體放入普通加熱爐中緩慢加熱到1450°C，保溫2個(gè)小時(shí)，取出后獲得陶瓷燒結(jié)體。將陶瓷燒結(jié)體放入石墨模具內(nèi)在1900°C的熔融溫度內(nèi)進(jìn)行真空熔化，之后，隨爐冷卻后至室溫，取出陶瓷材料，即得到具有極高耐磨性的共晶陶瓷坯體4。
[0032]將共晶陶瓷坯體4放入如圖2所示的擠壓模具3中，其中，31為擠壓筒，32為墊塊，33為壓頭，組裝好后將擠壓模具3及共晶陶瓷坯體4放入真空熱壓爐內(nèi)，加熱到1700°C，給予變形時(shí)間為5min，然后打開熱壓爐取出擠壓模具3及模芯2粗坯。此時(shí)的模芯2粗坯已經(jīng)具有很好的表面光潔度，只需要經(jīng)過精細(xì)的打磨入口區(qū)21及工作區(qū)22即可鑲嵌到鋼制模的模套I中，最后組合成如圖1所示的鑲拼式拉絲模。
[0033]實(shí)施例2
[0034]所述模芯2材料為一種以Al2O3為基體，加入ZrO2及Y2O3后得到的三元共晶納米陶瓷。首先按反應(yīng)產(chǎn)物摩爾比為6411101°從1203、1811101%2102、1811101￥203計(jì)算稱量412(吣3).9Η20:65%，ZrOCl2.8H20:20%, Y(NO3)3.6Η20:15%三種原料，將所述三種原料混合后加入無水乙醇和蒸餾水的混合溶劑中，該溶劑中首先加入少量的聚乙二醇作為分散劑，以防止加入的三種納米粉體發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，同時(shí)在添加藥品過程中要不停地?cái)嚢枞芤?。攪?0分鐘后在65°C水浴加熱5小時(shí),然后 向溶液中加入少量氨水,靜置I天。由于藥品反應(yīng)后會生成粉體沉淀出來，通過長時(shí)間的靜置可以使溶液分層，將上層溶液倒掉，通過反復(fù)加水與靜置洗去氨水。之后過濾出沉淀，放入坩堝內(nèi)加熱到180°C干燥，再用研缽反復(fù)研磨，最后在1000°C條件下煅燒，即獲得了所需的用于燒結(jié)的氧化鋁基三元共晶納米陶瓷粉體。
[0035]將由液相沉淀法制得的納米陶瓷粉體放入真空熱壓爐中通過真空熱壓燒結(jié)成所需尺寸及形狀的圓柱體。真空熱壓燒結(jié)中，將粉體加熱到1450°C，壓力升高到30MPa保溫保壓60分鐘。取出陶瓷燒結(jié)體，此時(shí)獲得了較高致密度的氧化鋁基三元陶瓷燒結(jié)體。
[0036]將獲得的燒結(jié)體放入石墨模具內(nèi)在1850°C的熔融溫度內(nèi)進(jìn)行真空熔化，之后，隨爐冷卻后在室溫下取出，即得到具有極高耐磨性的共晶陶瓷坯體4。
[0037]將共晶陶瓷坯體4放入如圖2所示的擠壓模具3中，在共晶陶瓷坯體4上方放置壓頭33，將整個(gè)擠壓模具3及共晶陶瓷坯體4放入真空熱壓爐內(nèi)，加熱到1650°C，保溫后擠壓變形時(shí)間為5min，然后打開熱壓爐取出擠壓模具3及模芯2粗坯。此時(shí)的模芯2粗坯為半成品，已經(jīng)具有很好的表面光潔度，只需要經(jīng)過精細(xì)的磨削入口區(qū)21及工作區(qū)22即可鑲嵌到鋼制模的模套I中，最后組合成如圖1所示的鑲拼式拉絲模。該鑲拼拉絲模中由于共晶陶瓷模芯2具有很高的硬度和高溫耐磨性，且加工過程中不需要大量的切削，降低了加工難度，適合于批量生產(chǎn)，此外鋼制模的模套具有一定的韌性，可以延長拉絲模使用壽命。
[0038]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種鑲拼式陶瓷拉絲模，其特征在于:包括模芯和模套； 所述模芯包括通過超塑性擠壓成形方法獲得依次平滑連接的且同軸的入口區(qū)、工作區(qū)和定徑區(qū)，所述模芯的材質(zhì)為氧化鋁基三元共晶陶瓷； 所述模套包括用于固定所述模芯的模芯容納區(qū)和與所述定徑區(qū)平滑連接的出口區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鑲拼式陶瓷拉絲模，其特征在于:所述模芯的材質(zhì)為以Al2O3為基體，加入ZrO2和Y2O3獲得的三元共晶陶瓷，所述三元共晶陶瓷按其中64?66mol%Al203，18?20mol%Zr02，18?14%mol Y2O3進(jìn)行配比，所述配比為摩爾比。
3.一種鑲拼式陶瓷拉絲模的制備方法，其特征在于:所述拉絲模的模芯的材質(zhì)為氧化鋁基三元共晶陶瓷，所述模芯通過超塑性擠壓成形方法獲得，具體制備包括如下步驟: ①制備納米陶瓷粉體； ②將制得的納米陶瓷粉體在1400?1600°C的溫度下燒結(jié)獲得圓柱形的陶瓷燒結(jié)體； ③將獲得的陶瓷燒結(jié)體放入模具內(nèi)在1850?1950°C的熔融溫度內(nèi)進(jìn)行真空熔化，保溫30-60min后隨爐冷卻，獲得共晶陶瓷坯體； ④將共晶陶瓷坯體放入擠壓模具內(nèi)在1600?1800°C的超塑性變形溫度下進(jìn)行擠壓成形，獲得依次平滑連接的且同軸的入口區(qū)、工作區(qū)和定徑區(qū)，然后進(jìn)行磨削加工； 將制備好的模芯鑲嵌入設(shè)有出口區(qū)的模套內(nèi)制成鑲拼式陶瓷拉絲模。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種鑲拼式陶瓷拉絲模的制備方法，其特征在于:所述模芯的材質(zhì)為以Al2O3為基體，加入ZrO2和Y2O3獲得的三元共晶陶瓷，所述三元共晶陶瓷按其中64?66mol%Al203，18?20mol%Zr02,18?14%mol Y2O3進(jìn)行配比，所述配比為摩爾比。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種鑲拼式陶瓷拉絲模的制備方法，其特征在于:步驟②中的納米陶瓷粉體可采用在1400?1600°C的溫度下，保溫60?75min，熱壓壓力大于等于25MPa下，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)獲得圓柱形的陶瓷燒結(jié)體；或者在室溫下，冷等靜壓成圓柱形坯料，冷等靜壓成型壓力大于等于200MPa，保壓時(shí)間大于等于5min，之后再在1400?1600°C的溫度下無壓燒結(jié)獲得圓柱形的陶瓷燒結(jié)體。
【文檔編號】B21C3/04GK103586296SQ201310512356
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月23日
【發(fā)明者】陳國清, 付雪松, 駱科廣, 宋士平, 王春光 申請人:大連理工大學(xué)