拉絲模具及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有耐磨涂層復(fù)合拉絲模具及其制備方法，尤其涉及一種具有耐磨碳化物涂層復(fù)合拉絲模具及其制備方法，具體涉及一種應(yīng)用于碳鋼表面的耐磨碳化物涂層復(fù)合拉絲模具及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬壓力加工中，在外力作用下使金屬?gòu)?qiáng)行通過(guò)模具，金屬橫截面積被壓縮，并獲得所要求的橫截面積形狀和尺寸的工具稱(chēng)為拉絲模。在金屬制品拉拔行業(yè)中，拉絲模是非常重要的易耗工具。拉絲模用途廣泛，如電子器件、雷達(dá)、電視、儀表及航天等所用的高精度絲材以及常用的鈦絲、鉬絲、不銹鋼絲、電線電纜絲和各種合金絲都是用金剛石拉絲模拉制出來(lái)的。金剛石拉絲模由于采用天然金剛石作原料，從而具有極強(qiáng)的耐磨性，使用壽命極高，但由于天然金剛石在結(jié)構(gòu)上具有各向異性，導(dǎo)致其硬度也成各向異性，使得?？啄p不均勻，制品不圓整，且其成本極高，稀少，導(dǎo)致其使用受限。其次，聚晶金剛石拉絲模雖硬度高，抗磨損性強(qiáng)的特點(diǎn)，但由于其脆性較大，限制了其廣泛使用。眾所周知，拉絲模作為金屬制品形變加工的基本工具，拉絲模的質(zhì)量嚴(yán)重影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、模具使用壽命、生產(chǎn)效率、能源及成本消耗等多種因素。作為金屬加工基本工具來(lái)說(shuō)，還需開(kāi)發(fā)新的廉價(jià)高性能拉絲模具，既能滿足強(qiáng)度、塑韌性和耐磨性的要求，又成本低廉，制備工藝簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模定型生產(chǎn)。
[0003]碳化物材料的涂層是現(xiàn)階段使用較多一種材料，其具有硬度高、耐磨損性能優(yōu)越的特點(diǎn)，以涂層方式覆蓋在金屬合金基體表面可以提高由基體材料制備的零部件的耐磨性與壽命。碳化物材料具有硬度高、耐磨損性能優(yōu)越的特點(diǎn)。其中鈦的碳化物熔點(diǎn)和硬度都較高，且與鐵的相容性較好，是理想的耐磨涂層組分。是一種常見(jiàn)涂層材料，其有如下特點(diǎn)特性:
[0004](I)碳化鈦具有高強(qiáng)度、高硬度及高模量；
[0005](2) TiC韌性好、抗沖擊載荷及抗磨性好，與基體結(jié)合具有較好的抗界面腐蝕能力，而且它與鋼鐵潤(rùn)濕性好，二者之間的潤(rùn)濕角為零；
[0006](3)其次，鈦礦豐富，選擇TiC作為增強(qiáng)相在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益上都十分合適。
[0007]因此，TiC涂層被廣泛地用作無(wú)肩冷熱金屬加工工具、切削刀具、各種模具、耐磨耐熱耐蝕零件表面等。
[0008]目前金屬材料表面涂層的方法有化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積法，熱噴涂方法，熱滲鍍方法等。但是這些方法，存在生產(chǎn)設(shè)備要求苛刻、生產(chǎn)效率低、涂層結(jié)合強(qiáng)度低等不足。
[0009]因此如何在拉絲模具工作表面獲得TiC碳化物相的涂層，并且選擇一種生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝流程短的制備方法，獲得與基體結(jié)合力好、不易脫落且力學(xué)性能、耐磨性能優(yōu)異的涂層是亟待解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種拉絲模具，其工作部位的表面具有一種耐磨碳化物涂層，而模具基體仍為碳鋼，該碳化物涂層為T(mén)iC致密陶瓷層，其化學(xué)穩(wěn)定性和耐磨性好，具有低摩擦系數(shù)、高硬度、低表面能以及低傳熱性；并且進(jìn)一步地，提供一種用于獲得耐磨碳化物涂層的制備方法。
[0011]進(jìn)一步地，本發(fā)明還提供一種復(fù)合拉絲模具，其拉絲模具表面具有一種梯度復(fù)合涂層，所述梯度復(fù)合涂層為碳化物涂層，其優(yōu)選被涂覆于拉絲模具基體表面，以提高其表面的耐磨性和斷裂韌性，特別是碳鋼表面，并且提供一種用于獲得上述涂層的制備方法。
[0012]所述拉絲模具，在模具工作表面具有耐磨涂層，從而有利保證模具工作表面具有很高的硬度和很好的耐磨性，而模具基體部分具有很好的韌性。
[0013]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
[0014]一種表面具有耐磨涂層的拉絲模具，該耐磨涂層為T(mén)iC致密陶瓷層；優(yōu)選地，TiC致密陶瓷層為準(zhǔn)單晶相，所述準(zhǔn)單晶相是指，介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。
[0015]更優(yōu)選地，沿TiC致密陶瓷層縱向剖面，其厚度為70-200 μ m，優(yōu)選為100-200 μ m，更優(yōu)選為120-200 ym;優(yōu)選的，其中TiC的體積分?jǐn)?shù)大于80%，優(yōu)選大于90% ;優(yōu)選的，其粒徑為8-50 μ m，優(yōu)選為10-50 μ m。
[0016]此外，本發(fā)明還提供一種表面具有梯度復(fù)合涂層的拉絲模具，所述梯度復(fù)合涂層為碳化物涂層，包括依次呈梯度分布的TiC致密陶瓷層、微米TiC陶瓷層、TiC與基體的融入PI=I /Ζλ O
[0017]優(yōu)選地，TiC致密陶瓷層為準(zhǔn)單晶相，所述準(zhǔn)單晶相是指，介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。
[0018]優(yōu)選的，沿TiC致密陶瓷層縱向剖面，其厚度為70-200 μ m，優(yōu)選為100-200 μ m，更優(yōu)選的120-200 μπι ;優(yōu)選的，其中TiC的體積分?jǐn)?shù)大于80%，優(yōu)選大于90% ;優(yōu)選的，其粒徑為8-50 μ m，優(yōu)選為10-50 μ m ；
[0019]更優(yōu)選地，沿微米TiC陶瓷層縱向剖面，沿涂層縱向剖面，其厚度為50-150 μ m，優(yōu)選為700-150 μ m，更優(yōu)選為80-150 ;其中TiC的體積分?jǐn)?shù)大于80%，優(yōu)選大于90%，其粒徑為5-15 μ m，優(yōu)選為6-12 μ m，更優(yōu)選為8-10 μ m。
[0020]進(jìn)一步優(yōu)選地，沿TiC與基體的融合層縱向剖面，其厚度為，其厚度為50-200 μ m，優(yōu)選為100-200 μπι;其中TiC的體積分?jǐn)?shù)大于20-80 %，優(yōu)選為50-85 %，其粒徑為1-10 μ m，優(yōu)選為 2-8 μ m。
[0021]優(yōu)選地，梯度復(fù)合涂層總厚度為170-550 μπι;優(yōu)選在300-550 μπι。
[0022]更優(yōu)選地，模具基體組織根據(jù)熱處理方式不同為珠光體、馬氏體、鐵素體、貝氏體、奧氏體和索氏體中的一種或幾種；優(yōu)選地，該梯度復(fù)合涂層被施加于碳鋼表面。
[0023]所述碳鋼基體根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB221-79中規(guī)定，本案中所使用碳鋼的的牌號(hào)分別為:Q275A、Q255AF、45 鋼、T12A、T8、ZG270-450 等。
[0024]本發(fā)明提供一種拉絲模具的制備方法，其拉絲模具的工作表面具有耐磨涂層，包括如下步驟:
[0025]I)先準(zhǔn)備一鈦板，優(yōu)選地，其中鈦的純度控制在99.7-99.99% ;優(yōu)選地，所述鈦板的厚度控制在0.2-3mm ;更優(yōu)選地，所述鈦板先被加以表面處理；
[0026]2)按照拉絲模具尺寸，用聚苯乙烯泡沫塑料制作拉絲模具消失模，根據(jù)拉絲模具的工作受力狀況，其主要磨損是拉絲模具內(nèi)孔與被加工金屬之間強(qiáng)烈的摩擦，據(jù)此在拉絲模具消失模工作表面固定鈦板，然后在鈦板表面固定外部碳源，所述碳源為三級(jí)以上的石墨紙，純度99%，厚度為0.1-0.35mm，使其與鈦板緊密結(jié)合。
[0027]3)按照拉絲模具尺寸，制作砂型；優(yōu)選地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬樹(shù)脂砂或潮模砂制作砂型。
[0028]4)將金屬基材冶煉為鋼液，優(yōu)選地，溫度控制在1610°C -1630°C。
[0029]5)采用消失模真空吸鑄工藝，將上述鋼液澆入上述放置有拉絲模具消失模、鈦板和外部碳源的砂型內(nèi)，待鋼液冷卻凝固后，取出鑄件，清砂處理，獲得拉絲模具基體為碳鋼，拉絲模具內(nèi)孔工作表面為碳鋼與鈦板的復(fù)合體；優(yōu)選地，澆注溫度控制在1610°C -1630°C ;更優(yōu)選地，饒注時(shí)間為40-50秒為宜；進(jìn)一步優(yōu)選地，一分鐘后，在冒口補(bǔ)饒；優(yōu)選地，室溫冷卻。
[0030]6)將澆鑄完得到的拉絲模具復(fù)合體放入具有保護(hù)氣氛的保溫爐內(nèi)保溫，最后隨爐冷卻至室溫，從而在拉絲模具內(nèi)孔表面形成耐磨涂層，而拉絲模具基體仍為碳鋼基體。
[0031]其中耐磨碳化物涂層為T(mén)iC致密陶瓷層。
[0032]優(yōu)選地，通過(guò)控制步驟6)中保溫時(shí)間、保溫溫度獲得該TiC致密陶瓷層；優(yōu)選地，TiC致密陶瓷層為準(zhǔn)單晶相，所述準(zhǔn)單晶相是指，介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。
[0033]本發(fā)明還提供一種拉絲模具的制備方法，其拉絲模具的工作表面具有梯度復(fù)合涂層，包括如下步驟:
[0034]I)先準(zhǔn)備一鈦板，優(yōu)選，其中鈦的純度控制在99.7-99.99% ;優(yōu)選，所述鈦板的厚度控制在0.2-3mm ；，所述欽板先被加以表面處理；
[0035]2)按照拉絲模具尺寸，用聚苯乙烯泡沫塑料制作拉絲模具消失模，根據(jù)拉絲模具的工作受力狀況，其主要磨損是拉絲模具內(nèi)孔與被加工金屬之間強(qiáng)烈的摩擦，據(jù)此在拉絲模具消失模工作表面固定鈦板，然后在鈦板表面固定外部碳源，使其與鈦板緊密結(jié)合；
[0036]3)按照拉絲模具尺寸，制作砂型；優(yōu)選地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬樹(shù)脂砂或潮模砂制作砂型。
[0037]4)將金屬基材冶煉為鋼液，優(yōu)選地，溫度控制在1610°C -1630°C。
[0038]5)采用消失模真空吸鑄工藝，將上述鋼液澆入上述放置有拉絲模具消失模、鈦板和外部碳源的砂型內(nèi)，待鋼液冷卻凝固后，取出鑄件，清砂處理，獲得拉絲模具基體為碳鋼，拉絲模具內(nèi)孔工作表面為碳鋼與鈦板的復(fù)合體；優(yōu)選地，澆注溫度控制在1610°C -1630°C ;更優(yōu)選地，饒注時(shí)間為40-50秒為宜；進(jìn)一步優(yōu)選地，一分鐘后，在冒口補(bǔ)饒，室溫冷卻。
[0039]6)將澆鑄完得到的拉絲模具復(fù)合體放入具有保護(hù)氣氛的保溫爐內(nèi)保溫，最后隨爐冷卻至室溫，從而在拉絲模具內(nèi)孔表面形成耐磨涂層，而拉絲模具基體仍為碳鋼基體。
[0040]7)所得的具有梯度復(fù)合涂層的拉絲模具被進(jìn)一步熱處理以獲得更合適的基體組織。
[0041]優(yōu)選地，鈦板厚度為0.2-3mm ;若小于0.2mm，則鈦板在饒注復(fù)合過(guò)程中就已經(jīng)完全反應(yīng)，不能獲得TiC致密陶瓷層，直接生成彌散分布TiC顆粒；超過(guò)3mm則導(dǎo)致擴(kuò)散距離增大，反應(yīng)動(dòng)力不足。
[0042]優(yōu)選地，通過(guò)嚴(yán)格控制步驟6)中保溫溫度與時(shí)間的關(guān)系，獲得所述準(zhǔn)單晶相TiC致密陶瓷層。該陶瓷層呈現(xiàn)出較為明顯的準(zhǔn)單晶組織，光學(xué)顯微鏡下表現(xiàn)為晶界減少，影響斷裂韌性的位錯(cuò)也相應(yīng)減少，代之亞晶界增多，有效提高該陶瓷層的抗裂能力。
[0043]優(yōu)選地，通過(guò)控制步驟6)中保溫時(shí)間、保溫溫度獲得該梯度復(fù)合涂層即碳化物涂層，所述碳化物涂層包括依次呈梯度分布的準(zhǔn)單晶相TiC致密陶瓷層、微米TiC陶瓷層、TiC與基體的融合層。
[0044]更優(yōu)選地，上述步驟6)中保溫溫度、保溫時(shí)間以及最終能夠獲得的梯度復(fù)合涂層的總厚度符合如下公式，
[0045]L = kTlogt1/2+b0
[0046]其中:
[0047]L——梯度復(fù)合涂層的總厚度(μ m)，
[0048]k 是常數(shù)，取值為0-