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金刚石涂层拉拔模具制备、性能与优化

日期:2018-4-12
来源:中国研磨网《中国研磨》杂志

   ■ 王光祖/文

  金属线材行业是我国的主要传统产业,拉拔模具是金属线材生产企业重要的易消耗品,拉拨模具的性能决定了金属线材的质量、生产效率和生产成本。

  硬质合金表面添加金刚石涂层可增强工具的耐磨性能,使其使用寿命大幅提高。应用化学气相沉积技术可实现在形状复杂工具上直接沉积金刚石膜,且成本低廉,易于实现批量生产,市场前景极佳。

  金属(尤其是硬金属及合金)的拉拨要求拉丝模孔表面具有高硬度、高耐磨性,以满足金属制品的尺寸精度和光洁度,并提高拉丝模的工作寿命。在传统拉丝模行业,硬质合金模具以其成本较低而得到广泛应用。但该模具易磨损,工作寿命较短,难以适应高速拉拔的发展趋势。金刚石涂层拉拔模具则以其优异的机械和摩擦学特性被逐渐应用于金属线材及管材的高速拉拨领域。

  1.制备与性能

  目前,线材行业所用的模具主要为硬质合金模具和聚晶金刚石模具两大类。硬质合金模具寿命短,易粘料,生产效率低; 聚晶金刚石模具价格高,制作较大尺寸模具和异形模具非常困难,且韧性较差。应用CVD金刚石涂层技术,制成金刚石涂层拉拨模具,克服硬质合金拉拔模具不耐磨和聚晶金刚石拉拔模具韧性较差的缺点,成为新一代拉拔模具。本文拟用热丝法制作金刚石涂层拉拔模具,用于气体保护焊丝和不锈钢丝拉拔,并检测其使用性能,对其失效方式进行分析。

  金刚石涂层拉丝模具在金属制品生产厂家生产线进行实际使用性能测试,以拉制合格丝材的模具使用寿命和丝材的尺寸稳定性为主要指标。

  (1)焊接丝材料拉拨

  金刚石涂层拉拔模具用于气体保护焊丝拉拔,其性能特点如表1所示。从表1中可以看出,金刚石涂层拉拔模具的使用寿命远超过硬质合金模具,且单产拉拔丝材量达到1000t,同规格的硬质合金模具单次拉丝材量仅为20—40t。另外,丝材生产效率也有一定提高,废品率降低。金刚石涂层拉丝模具用于镀铜焊丝拉拔同样使用寿命高,单只规格为模具在测试中可拉制丝材量超过50t,是同规格硬质合金模具的50倍。

  表1 金刚石涂层与硬质合金拉拔模具性能对比

  (2)不锈钢丝拉拔

  金刚石涂层拉拔模具用于不锈钢丝拉拔,同样具有优良的性能,如表2所示,金刚石涂层拉拔模具的单次拉拔丝材量是同样规格硬手质合金的15倍,所拉制的克材尺寸稳定性良好。

  表2 金刚石涂层拉拔模具用于不锈钢丝的主要性能

  (3)金刚石涂层拉拔模具的失效模式

  经观察,金刚石涂层拉拔模具在实际使用中,金刚石涂层拉拔模具的失效并非由于磨损导致尺寸变化过大,而是金刚石涂层部分脱落后暴露的粗糙面使丝材表面划伤导致失效,与普通硬质合金模具和聚晶金刚石模具的失效方式有本质区别。

  胡东平等,通过实践与分析得到以下几点结论:

  (1)以硬质合金拉拔模具为基体,表面沉积金刚石涂层,金刚石压痕仪测试显示,涂层的抗压能力达1.5kN,表明结合力良好。

  (2)金刚石涂层经扫描电镜和原子力显微镜观察结果表明,涂层颗粒的平均尺寸为0.1μm,加工后的粗糙度

  (3)制作的金刚石涂层拉拔模具用于拉制焊接金属丝和不锈钢丝,使用寿命达硬质合金模具的15--50倍,性能明显优于硬质合金和聚晶金刚石拉拔模具。

  (4)金刚石涂层拉拔模具的失效主要是金刚石涂层部分脱落后暴露的粗糙面使丝材表面划伤导致失效,其主要原因是硬质合金基体和涂层以及界面存在的缺陷和内应力在超长周期的应力作用下演化成为裂纹。

  2.优化分析

  随着化学气相沉积金刚石薄膜技术的日益成熟,以硬质合金拉拨模具为衬底,在其内孔表面涂覆一层均匀的、附着力能满足实际拉拔要求的金刚石薄膜技术已应用于生产。

  但目前为止,有关金刚石涂层拉拔模具有限元仿真优化的研究却比较缺乏。于是杨晓静等着重研究线材不同压缩率时,金刚石涂层拉拔模具孔型参数对其拉拔过程的影响。并利用弹塑性有限元模型对铜材的整个拉拔过程进行模拟仿真,得到了铜材及金刚石涂层模具的轴向和径向应力分布规律。

  2.1正交实验分析

  (1)因素选择:在金刚石涂层线材拉拔模具的拉拔中,为延长模具使用寿命,获得高质量的拉拔线材,就必须深入研究涂层模具孔型参数对线材拉拔过程的影响。

  (2)极差分析:极差的大小反映了相应影响因素作用的大小,极差大的因素表示不同水平下对分析结果的影响较大,是主要因素。无论压缩率大小,工作锥半角都是影响铜材表面残余应力的主要因素,过渡圆弧半径是影响模具涂层上最大等效应力的主要因素。

  在相同拉拨条件下,随着铜材压缩率的增加,各因素铜材表面残余应力的极差值在增加,这表明压缩率越大,各因素对铜材表面的残余应力的影响越显著。

  在直径相近的同一材质线材的拉拨时,线材压缩率越大,工作锥角也越大。同时考虑到线材表面残余应力随压缩率的增加而减小,因此在拉拔条件允许时尽量选取较大的线材压缩率。

  (3)方差分析:无论线材压缩率大小,合理的工作锥半径过渡圆弧半径的选择可显著减税小铜材表面残余应力及模具涂层上最大等效应力,从而获得高质量的拉拔线材凹及延长模具寿命。

  2.2拉拔实验

  对不同压缩率下优化后的金刚石涂层模具进行拉拔实验,传统的硬质合金模具铜材约为400t,而相同拉拔条件下,优化的金刚石涂层模具的铜材产量为4000t。因此,相对于硬质合金模具而言,在铜材拉拔中金刚石涂层模具的寿命可以提高10倍。同时,由于金刚石涂层的优异性能,拉拔铜材的表面光洁度也有很大改善。

  2.3结论

  采用正交实验法模拟分析了不同压缩率下金刚石涂层模型孔型参数工作锥半角、过渡圆弧半径、定径带长度远对铜材拉拔过程的影响,得出以下结论:

  (1)通过正交实验分析得到不同压缩率下金刚石涂层拉拔模具的最佳孔型参数:压缩率为13.7%时,模具工作锥半角为60,过渡圆弧半径为4mm,定径带长度为4.5mm; 压缩率为25.8%时,模具工作锥半角为70,过渡圆弧半径为3mm,定径带长度为4.5mm。

  (2)由极差分析知,当铜材拉拔直径相近时,无论铜材压缩率大小,工作锥半径都是铜材表面轴向残余应力的主要影响因素;过渡圆弧半径是模具涂层上最大等效应力的主要影响因素。

  (3)由方差分析得知,随着铜材压缩率的增加,过渡圆弧半径及定径带长度对铜材表面轴向残余应力的影响程度在增加,但工作锥半径的影响仍是最大。在模具涂层上最大等效应力的影响因素中,过渡圆弧半径的影响程度始终最大,其它因素由于方差较小,其影响可忽略。

  (4)随着材料压缩率的增大,拉拔后铜材表面轴向残余应力及涂层模具上的最大等效应力在减小,因此,在拉拔条件允许的情况下,适当增加线材压缩率有利于获得高质量的拉拔丝材及提高模具使用寿命。

  (5)对参数优化后的金刚石涂层模具进行实际拉拔实验。实验表明,在相同拉拔条件下,相对于硬质合金模具而言,优化后的金刚石涂层铜材拉拔模具的工作寿命可提高10倍。

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