一种高致密度聚晶金刚石拉丝模的微波烧结制作工艺

摘要

本发明公开了一种高致密度聚晶金刚石拉丝模的微波烧结制作工艺，采用微波烧结方法成型镶套，在微波烧结过程中，镶套底部、周部和顶部微波烧结形成一体镶套，镶套、聚晶金刚石模芯和钢套微波烧结成一体形成聚晶金刚石拉丝模；以N

说明书

技术领域

本发明涉及拉丝模技术领域，尤其涉及一种高致密度聚晶金刚石拉丝模的微波烧结制作工艺。

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，粉末镶套的烧结过程是镶套制作工艺中的关键步骤，常用的烧结工艺包括无压烧结、加压烧结。

微波烧结是一种利用微波加热对材料进行烧结的方法，是近年来广泛开展的一种烧结新技术。与常规烧结相比，微波烧结具有烧结温度低、时间短、加热均匀等特点，可以有效抑制晶粒长大，细化显微组织，有利于改善烧结体的性能，因此选择合适的镶套用金属粉末的成分，控制微波烧结工艺，能够提高模芯的利用率，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。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种高致密度聚晶金刚石拉丝模的微波烧结制作工艺，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致密度聚晶金刚石拉丝模的微波烧结制作工艺，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，所述金属粉的颗粒度为160目左右；

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，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，放入烧结机内进行冷压将金属粉压实形成镶套底部；将聚晶金刚石模芯的其中一个端面粘接在镶套底部上，聚晶金刚石模芯与钢套处于同一中心轴线上；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，放入烧结机内进行冷压将金属粉压实形成镶套周部；

S3、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，放入微波烧结机内进行微波烧结将金属粉压实形成镶套顶部；其中，微波烧结过程如下：以85％N₂+15％H₂为烧结气氛，采用300-320W起始输入功率，待温度升至380-400℃，将输入功率调整为380-400W，待温度升至450-480℃，将输入功率调整为300-320W，待温度升至520-540℃，在520-540℃保温60-80s；在微波烧结过程中，镶套底部、周部和顶部微波烧结形成一体镶套，并且，镶套、聚晶金刚石模芯和钢套微波烧结成一体形成聚晶金刚石拉丝模；

S4、降温后取出得到高致密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，在S3的微波烧结过程中，以85％N₂+15％H₂为烧结气氛，采用305-315W起始输入功率，待温度升至390-395℃，将输入功率调整为385-395W，待温度升至455-475℃，将输入功率调整为305-315W，待温度升至522-535℃，在522-535℃保温65-75s。

优选地，在S3的微波烧结过程中，以85％N₂+15％H₂为烧结气氛，采用310W起始输入功率，待温度升至393℃，将输入功率调整为390W，待温度升至460℃，将输入功率调整为310W，待温度升至530℃，在530℃保温72s。

本发明中，通过采用新的镶套用金属粉配方和微波烧结工艺，提升了聚晶金刚石拉丝模模套的综合性能，提高模具制备过程中聚晶金刚石模芯的利用率，延长拉丝模具的使用寿命，增加模具的修复次数。

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。

在本发明中，优化了镶套的工艺，采用了微波烧结的方法，一方面，微波烧结可以通过降低活化能而降低烧结驱动力，使得材料相变点发生变化，从而降低了烧结温度，缩短了烧结时间，既可以节约能源，又由于烧结时间短，晶粒缺乏长大时间而获得细小晶粒结构，从而获得更加优异的性能；另一方面，微波烧结过程中，由于内部电场和能量密度在晶粒间的气孔区域被增强，从而促使局部迅速致密化，有助于消除残余气孔和缺陷，使材料整体均匀致密；同时在烧结过程中，通过设定合理的起始输入功率，使得材料烧结过程中，孕育期合理，同时根据温度的变化，调整输入功率，一方面可以防止出现热点和热失控，另一方面，可以调整升温速率，从而调控烧结过程。

附图说明

图1是本发明中聚晶金刚石拉丝模的镶套制作工艺流程图。

图2是本发明中聚晶金刚石拉丝模的结构示意图。

图3为本发明中进行镶套底部冷压成型的工作状态示意图。

图4为本发明中进行镶套周部冷压成型的工作状态示意图。

图5为本发明中进行镶套顶部冷压成型的工作状态示意图。

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是本发明中一种高致密度聚晶金刚石拉丝模的微波烧结制作工艺流程图，如图1所示，所述高致密度聚晶金刚石拉丝模的微波烧结制作工艺包括金属粉配制、装底粉和周粉、装顶粉并微波烧结、降温取件四个步骤。

图2是本发明中一种高致密度聚晶金刚石拉丝模的结构示意图，如图2所示，高致密度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，在高致密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和图4为本发明中聚晶金刚石拉丝模的镶套制作工艺中S2步骤的工作状态示意图,图5为本发明中聚晶金刚石拉丝模的镶套制作工艺中S3步骤的工作状态示意图。

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；在实施例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。

本发明所公开的高致密度聚晶金刚石拉丝模的微波烧结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；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5.0MPa压力冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成镶套底部；

S3、将聚晶金刚石模芯的其中一个端面粘接在镶套底部上，聚晶金刚石模芯与钢套处于同一中心轴线上，可采用的方法如下：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；

S4、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4.5MPa的压力冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成镶套周部；

S5、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，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微波烧结机内进行微波烧结将金属粉压实，压实的金属粉形成了镶套顶部；

具体地，微波烧结过程如下：以85％N₂+15％H₂为烧结气氛，采用320W起始输入功率，待温度升至390℃，将输入功率调整为395W，待温度升至450℃，将输入功率调整为320W，待温度升至521℃，在521℃保温69s；

在微波烧结过程中，镶套底部、周部和顶部微波烧结形成一体镶套，并且，镶套、聚晶金刚石模芯和钢套微波烧结成一体形成聚晶金刚石拉丝模；

S6、降温后取出得到高致密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，在烧结机上以4.5MPa压力冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成镶套底部；

S3、将聚晶金刚石模芯的其中一个端面粘接在镶套底部上，聚晶金刚石模芯与钢套处于同一中心轴线上，可采用的方法如下：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；

S4、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5.2MPa的压力冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成镶套周部；

S5、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，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微波烧结机内进行微波烧结将金属粉压实，压实的金属粉形成了镶套顶部；

具体地，微波烧结过程如下：以85％N₂+15％H₂为烧结气氛，采用300W起始输入功率，待温度升至380℃，将输入功率调整为400W，待温度升至465℃，将输入功率调整为300W，待温度升至538℃，在538℃保温65s；

在微波烧结过程中，镶套底部、周部和顶部微波烧结形成一体镶套，并且，镶套、聚晶金刚石模芯和钢套微波烧结成一体形成聚晶金刚石拉丝模；

S6、降温后取出得到高致密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，在烧结机上以2.5MPa压力冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成镶套底部；

S3、将聚晶金刚石模芯的其中一个端面粘接在镶套底部上，聚晶金刚石模芯与钢套处于同一中心轴线上，可采用的方法如下：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；

S4、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3.4MPa的压力冷压将金属粉压实，压实的金属粉形成镶套周部；

S5、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，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微波烧结机内进行微波烧结将金属粉压实，压实的金属粉形成了镶套顶部；

具体地，微波烧结过程如下：以85％N₂+15％H₂为烧结气氛，采用310W起始输入功率，待温度升至393℃，将输入功率调整为390W，待温度升至460℃，将输入功率调整为310W，待温度升至530℃，在530℃保温72s。

在微波烧结过程中，镶套底部、周部和顶部微波烧结形成一体镶套，并且，镶套、聚晶金刚石模芯和钢套微波烧结成一体形成聚晶金刚石拉丝模；

S6、降温后取出得到高致密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；采用了微波烧结工艺，确定了合适的功率、最高烧结温度和保温时间，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。