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金剛石涂層拉拔模具制備、性能與優化
發表作者:華晶微鉆發布日期:2018-5-23 9:57:47

  金屬線材行業是我國的主要傳統產業,拉拔模具是金屬線材生產企業重要的易消耗品,拉撥模具的性能決定了金屬線材的質量、生產效率和生產成本。

  硬質合金表面添加金剛石涂層可增強工具的耐磨性能,使其使用壽命大幅提高。應用化學氣相沉積技術可實現在形狀復雜工具上直接沉積金剛石膜,且成本低廉,易于實現批量生產,市場前景極佳。

  金屬(尤其是硬金屬及合金)的拉撥要求拉絲模孔表面具有高硬度、高耐磨性,以滿足金屬制品的尺寸精度和光潔度,并提高拉絲模的工作壽命。在傳統拉絲模行業,硬質合金模具以其成本較低而得到廣泛應用。但該模具易磨損,工作壽命較短,難以適應高速拉拔的發展趨勢。金剛石涂層拉拔模具則以其優異的機械和摩擦學特性被逐漸應用于金屬線材及管材的高速拉撥領域。

  1.制備與性能

  目前,線材行業所用的模具主要為硬質合金模具和聚晶金剛石模具兩大類。硬質合金模具壽命短,易粘料,生產效率低; 聚晶金剛石模具價格高,制作較大尺寸模具和異形模具非常困難,且韌性較差。應用CVD金剛石涂層技術,制成金剛石涂層拉撥模具,克服硬質合金拉拔模具不耐磨和聚晶金剛石拉拔模具韌性較差的缺點,成為新一代拉拔模具。本文擬用熱絲法制作金剛石涂層拉拔模具,用于氣體保護焊絲和不銹鋼絲拉拔,并檢測其使用性能,對其失效方式進行分析。

 

 

  金剛石涂層拉絲模具在金屬制品生產廠家生產線進行實際使用性能測試,以拉制合格絲材的模具使用壽命和絲材的尺寸穩定性為主要指標。

  (1)焊接絲材料拉撥

  金剛石涂層拉拔模具用于氣體保護焊絲拉拔,其性能特點如表1所示。從表1中可以看出,金剛石涂層拉拔模具的使用壽命遠超過硬質合金模具,且單產拉拔絲材量達到1000t,同規格的硬質合金模具單次拉絲材量僅為20—40t。另外,絲材生產效率也有一定提高,廢品率降低。金剛石涂層拉絲模具用于鍍銅焊絲拉拔同樣使用壽命高,單只規格為模具在測試中可拉制絲材量超過50t,是同規格硬質合金模具的50倍。

  表1 金剛石涂層與硬質合金拉拔模具性能對比

     (2)不銹鋼絲拉拔

  金剛石涂層拉拔模具用于不銹鋼絲拉拔,同樣具有優良的性能,如表2所示,金剛石涂層拉拔模具的單次拉拔絲材量是同樣規格硬手質合金的15倍,所拉制的克材尺寸穩定性良好。

  表2 金剛石涂層拉拔模具用于不銹鋼絲的主要性能

    (3)金剛石涂層拉拔模具的失效模式

  經觀察,金剛石涂層拉拔模具在實際使用中,金剛石涂層拉拔模具的失效并非由于磨損導致尺寸變化過大,而是金剛石涂層部分脫落后暴露的粗糙面使絲材表面劃傷導致失效,與普通硬質合金模具和聚晶金剛石模具的失效方式有本質區別。

  胡東平等,通過實踐與分析得到以下幾點結論:

  (1)以硬質合金拉拔模具為基體,表面沉積金剛石涂層,金剛石壓痕儀測試顯示,涂層的抗壓能力達1.5kN,表明結合力良好。

  (2)金剛石涂層經掃描電鏡和原子力顯微鏡觀察結果表明,涂層顆粒的平均尺寸為0.1μm,加工后的粗糙度

  (3)制作的金剛石涂層拉拔模具用于拉制焊接金屬絲和不銹鋼絲,使用壽命達硬質合金模具的15--50倍,性能明顯優于硬質合金和聚晶金剛石拉拔模具。

  (4)金剛石涂層拉拔模具的失效主要是金剛石涂層部分脫落后暴露的粗糙面使絲材表面劃傷導致失效,其主要原因是硬質合金基體和涂層以及界面存在的缺陷和內應力在超長周期的應力作用下演化成為裂紋。

  2.優化分析

  隨著化學氣相沉積金剛石薄膜技術的日益成熟,以硬質合金拉撥模具為襯底,在其內孔表面涂覆一層均勻的、附著力能滿足實際拉拔要求的金剛石薄膜技術已應用于生產。

  但目前為止,有關金剛石涂層拉拔模具有限元仿真優化的研究卻比較缺乏。于是楊曉靜等著重研究線材不同壓縮率時,金剛石涂層拉拔模具孔型參數對其拉拔過程的影響。并利用彈塑性有限元模型對銅材的整個拉拔過程進行模擬仿真,得到了銅材及金剛石涂層模具的軸向和徑向應力分布規律。

  2.1正交實驗分析

  (1)因素選擇:在金剛石涂層線材拉拔模具的拉拔中,為延長模具使用壽命,獲得高質量的拉拔線材,就必須深入研究涂層模具孔型參數對線材拉拔過程的影響。

  (2)極差分析:極差的大小反映了相應影響因素作用的大小,極差大的因素表示不同水平下對分析結果的影響較大,是主要因素。無論壓縮率大小,工作錐半角都是影響銅材表面殘余應力的主要因素,過渡圓弧半徑是影響模具涂層上最大等效應力的主要因素。

  在相同拉撥條件下,隨著銅材壓縮率的增加,各因素銅材表面殘余應力的極差值在增加,這表明壓縮率越大,各因素對銅材表面的殘余應力的影響越顯著。

  在直徑相近的同一材質線材的拉撥時,線材壓縮率越大,工作錐角也越大。同時考慮到線材表面殘余應力隨壓縮率的增加而減小,因此在拉拔條件允許時盡量選取較大的線材壓縮率。

  (3)方差分析:無論線材壓縮率大小,合理的工作錐半徑過渡圓弧半徑的選擇可顯著減稅小銅材表面殘余應力及模具涂層上最大等效應力,從而獲得高質量的拉拔線材凹及延長模具壽命。

  2.2拉拔實驗

  對不同壓縮率下優化后的金剛石涂層模具進行拉拔實驗,傳統的硬質合金模具銅材約為400t,而相同拉拔條件下,優化的金剛石涂層模具的銅材產量為4000t。因此,相對于硬質合金模具而言,在銅材拉拔中金剛石涂層模具的壽命可以提高10倍。同時,由于金剛石涂層的優異性能,拉拔銅材的表面光潔度也有很大改善。

  2.3結論

  采用正交實驗法模擬分析了不同壓縮率下金剛石涂層模型孔型參數工作錐半角、過渡圓弧半徑、定徑帶長度遠對銅材拉拔過程的影響,得出以下結論:

  (1)通過正交實驗分析得到不同壓縮率下金剛石涂層拉拔模具的最佳孔型參數:壓縮率為13.7%時,模具工作錐半角為60,過渡圓弧半徑為4mm,定徑帶長度為4.5mm; 壓縮率為25.8%時,模具工作錐半角為70,過渡圓弧半徑為3mm,定徑帶長度為4.5mm。

  (2)由極差分析知,當銅材拉拔直徑相近時,無論銅材壓縮率大小,工作錐半徑都是銅材表面軸向殘余應力的主要影響因素;過渡圓弧半徑是模具涂層上最大等效應力的主要影響因素。

  (3)由方差分析得知,隨著銅材壓縮率的增加,過渡圓弧半徑及定徑帶長度對銅材表面軸向殘余應力的影響程度在增加,但工作錐半徑的影響仍是最大。在模具涂層上最大等效應力的影響因素中,過渡圓弧半徑的影響程度始終最大,其它因素由于方差較小,其影響可忽略。

  (4)隨著材料壓縮率的增大,拉拔后銅材表面軸向殘余應力及涂層模具上的最大等效應力在減小,因此,在拉拔條件允許的情況下,適當增加線材壓縮率有利于獲得高質量的拉拔絲材及提高模具使用壽命。

  (5)對參數優化后的金剛石涂層模具進行實際拉拔實驗。實驗表明,在相同拉拔條件下,相對于硬質合金模具而言,優化后的金剛石涂層銅材拉拔模具的工作壽命可提高10倍。

 

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