一种复合材料拉丝模具及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种复合材料拉丝模具，包括模具本体，模具本体由顶部压缩区和底部定径区连接组成，模具本体中心设置有膜孔，压缩区中心的膜孔为锥形孔，定径区中心的膜孔为圆形孔，模具本体按照质量百分比由以下组分组成，WC颗粒72％‑80％、羰基Fe粉3％‑5％、Nb纤维13％‑17％、Nb粉3.5％‑6％和石墨粉0.45％‑0.65％，以上各组分的质量百分比之和为100％；模具本体中的Nb纤维呈网状排布，为中空的网状结构，本发明专利技术还公开了一种复合材料拉丝模具的制备方法，采用该方法制备的复合材料拉丝模具具有较高的强度和良好的韧性。

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料拉丝模具及其制备方法
本专利技术属于拉丝模具
，涉及一种复合材料拉丝模具及其制备方法。
技术介绍
拉丝模具是指各种拉制金属线的模具，其中心都有个一定形状(圆、方、八角或其它特殊形状)的模孔。金属在拉(压)应力作用下穿过模孔时发生形状、尺寸等变化。常用拉丝模具选用材料一般为硬质合金、聚晶金刚石、陶瓷和天然金刚石等，其中硬质合金和聚晶金刚石应用最为广泛，这是因为硬质合金具备优良的耐磨性和较小的粘附性，而聚晶金刚石具有高硬度和高耐磨性的特点。但是，硬质合金中低硬度粘结相的存在使其在工作过程中对硬质相支撑不足而发生快速磨损和颗粒剥落,影响硬质合金拉丝模具的使用寿命；而聚晶金刚石拉丝模具在持续拉丝过程中容易因磨损而出现环沟，甚至发生开裂。专利号为CN109226301A的专利技术专利公开了一种自润滑硬质合金拉丝模具及制备方法。通过在常规钨钴类硬质合金基体材料中添加润滑相(石墨、CoF2、MgF2)等，实现拉丝模具在工作中的自润滑功效，以减少模具磨损。专利号为CN110102585A的专利技术专利公开了一种多层聚晶金刚石拉丝模胚及其制备方法和制得的模具。利用不同粒度结构的聚晶金刚石具有不同耐磨性和韧性的特点，即粗粒度结构聚晶金刚石耐磨性高，而细粒度结构聚晶金刚石抗开裂性优良，改善聚晶金刚石拉丝模具易磨损和开裂的问题。此外，专利号为CN104525593A的专利技术专利公开了一种碳化物涂层拉丝模具及其制备方法。其在碳钢表面原位引入多层碳化钛涂层，具体为由外向内依次成梯度分布准单晶TiC致密陶瓷层、微米TiC陶瓷层及TiC与基体的复合层。形成工作面“硬”，而基体“韧”的表面强化结构，大幅提高拉丝模具工作表面的耐磨性。综上所述，从现有的技术资料来看，可通过引入自润滑相、层状结构改性和表面改性等方式改善拉丝模具的使用寿命。但是，目前拉丝模具还存在以下问题亟待解决：(1)硬质合金或聚晶金刚石拉丝模具仍离不开贵金属钴的使用。一方面，金属钴与硬质相良好的润湿性提供给硬质合金或聚晶金刚石一定韧性；另一方面，金属钴的稀有性和毒性使其不能作为长期可持续使用的粘结相材料。(2)硬质合金或聚晶金刚石拉丝模具中粘结相含量较低，注定难以获得较高的韧性，“高强低韧”矛盾仍较为突出，亦是其使用寿命受限的主要原因。特别是其工作表面“高硬低韧”的特点，严重影响使用寿命。(3)硬质合金或聚晶金刚石拉丝模具工作表面不同位置受力状态不同，缺乏针对不同位置受力性质要求的微观组织和结构设计。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种复合材料拉丝模具，解决了现有拉丝模具韧性差的问题。本专利技术的另一个目的是提供一种复合材料拉丝模具的制备方法。本专利技术所采用的第一技术方案是，一种复合材料拉丝模具，包括模具本体，模具本体由顶部压缩区和底部定径区连接组成，模具本体中心设置有膜孔，压缩区中心的膜孔为锥形孔，定径区中心的膜孔为圆形孔，模具本体按照质量百分比由以下组分组成，WC颗粒72％-80％、羰基Fe粉3％-5％、Nb纤维13％-17％、Nb粉3.5％-6％和石墨粉0.45％-0.65％，以上各组分的质量百分比之和为100％。本专利技术的技术特征还在于，模具本体中的Nb纤维呈网状排布，为中空的网状结构，由多个横向同心圆Nb纤维、径向Nb纤维和竖直Nb纤维连接组成，同一水平面的横向同心圆Nb纤维通过周向分布的径向Nb纤维连接，不同水平面的横向同心圆Nb纤维通过竖直Nb纤维连接，径向Nb纤维在模具本体的工作面上呈点状分布。WC颗粒的粒度为20μm-30μm，羰基Fe粉的粒度为1μm-5μm，Nb纤维的直径为180μm-820μm。本专利技术所采用的第二技术方案是，一种复合材料拉丝模具的制备方法，包括以下步骤：步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分，WC颗粒72％-80％、羰基Fe粉3％-5％、Nb纤维13％-17％、Nb粉3.5％-6％和石墨粉0.45％-0.65％，以上各组分的质量百分比之和为100％；步骤2，编制中空的Nb纤维网，Nb纤维网包括顶部压缩区和底部定径区，Nb纤维网由多个横向同心圆Nb纤维、径向Nb纤维和竖直Nb纤维连接组成，同一水平面的横向同心圆Nb纤维通过周向分布的径向Nb纤维连接，不同水平面的横向同心圆Nb纤维通过竖直Nb纤维连接，最后将编制的Nb纤维网放置于钢模具中，并在Nb纤维网中间插入钢型芯；步骤3，混料，将步骤1称取的WC颗粒、羰基Fe粉、Nb粉和石墨粉混合均匀，形成混合粉末；步骤4，将混合粉末与塑化剂混合后放进混炼机中进行混炼、造粒，形成混合物料，通过注射口将混合物料高压注射于放置有Nb纤维网的模具中，使钢模具与钢型芯之间填满混合物料，最后待冷却后脱模，抽出中间钢型芯，即得预制件；步骤5，将预制件放入石墨模具中，在预制件中间的孔中插入石墨型芯，然后将带有石墨模具的预制件放入高温真空烧结炉中进行脱脂烧结，先将炉温从室温升至650-700℃进行脱脂处理，脱脂完全后将炉温升高至1340℃～1360℃保温一段时间，最后随炉冷却至室温，取出烧结体进行脱模，抽出中间石墨型芯，即制得复合材料拉丝模具毛坯；步骤6，对复合材料拉丝模具毛坯进行脱模后打磨、抛光和倒角处理，即制得一种复合材料拉丝模具。步骤2中，压缩区的同心圆Nb纤维直径为180μm-210μm，压缩区的径向Nb纤维直径为180μm-220μm，定径区的同心圆Nb纤维直径为780μm-820μm，定径区的径向Nb纤维直径为280μm-320μm，竖直Nb纤维的直径为780μm-820μm。步骤2中，压缩区含有4-6层Nb纤维网，定径区含有2-4层Nb纤维网。步骤3中，采用低能球磨机混料，混料过程中，低能球磨机转速为80±5r/min，混料时间为3h～8h。步骤4中，混合物料中混合粉末与塑化剂质量百分比为99.2％～99.4％：0.6％～0.8％；通过注射机将混合物料高压注射于放置有Nb纤维网的钢模具中，注射温度为110±5℃，注射压力为150±10MPa，注射过程中，模具温度为60±2℃。步骤5中，脱脂完全后将炉温升高至1340℃～1360℃保温8min-12min，再将炉温降至1145℃～1155℃保温4h～8h，最后随炉冷却至室温，取出烧结体。步骤5中，在将炉温升高至1340℃～1360℃时，对烧结体进行加压，后期施加的压力随着温度进行梯度变化，烧结体单位面积承受的最大压力为7MPa-9MPa。本专利技术的有益效果是，采用WC颗粒、羰基Fe粉、Nb纤维、Nb粉和石墨粉制成复合材料拉丝模具，Nb纤维的加入能够提高拉丝模具的韧性，Nb纤维周围原位生成的NbC可弥补Nb纤维所在部位的强度损失，使该拉丝模具整体具有较高的强度和良好的韧性，使得拉丝模具整体力学性能提高；本申请脱离了现有拉丝模具对贵金属钴使用，有效解决了现有金属钴拉丝模具有毒性和稀有性的问题；根据压缩区和定径区的受力情况不同，设计了不同的纤维网分布，使得模具工作面上的纤维点状分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合材料拉丝模具，其特征在于，包括模具本体(6)，模具本体(6)由顶部压缩区(8)和底部定径区(9)连接组成，模具本体(6)中心设置有膜孔(7)，压缩区(8)中心的膜孔(7)为锥形孔，定径区(9)中心的膜孔(7)为圆形孔，所述模具本体(6)按照质量百分比由以下组分组成，WC颗粒72％-80％、羰基Fe粉3％-5％、Nb纤维13％-17％、Nb粉3.5％-6％和石墨粉0.45％-0.65％，以上各组分的质量百分比之和为100％。/n

【技术特征摘要】
1.一种复合材料拉丝模具，其特征在于，包括模具本体(6)，模具本体(6)由顶部压缩区(8)和底部定径区(9)连接组成，模具本体(6)中心设置有膜孔(7)，压缩区(8)中心的膜孔(7)为锥形孔，定径区(9)中心的膜孔(7)为圆形孔，所述模具本体(6)按照质量百分比由以下组分组成，WC颗粒72％-80％、羰基Fe粉3％-5％、Nb纤维13％-17％、Nb粉3.5％-6％和石墨粉0.45％-0.65％，以上各组分的质量百分比之和为100％。


2.根据权利要求1所述的一种复合材料拉丝模具，其特征在于，所述模具本体(6)中的Nb纤维呈网状排布，为中空的网状结构，由多个横向同心圆Nb纤维(3)、径向Nb纤维(5)和竖直Nb纤维(4)连接组成，同一水平面的横向同心圆Nb纤维(3)通过周向分布的径向Nb纤维(5)连接，不同水平面的横向同心圆Nb纤维(3)通过竖直Nb纤维(4)连接，径向Nb纤维(5)在模具本体(6)的工作面(10)上呈点状分布。


3.根据权利要求2所述的一种复合材料拉丝模具，其特征在于，所述WC颗粒的粒度为20μm-30μm，羰基Fe粉的粒度为1μm-5μm，Nb纤维的直径为180μm-820μm。


4.一种复合材料拉丝模具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分，WC颗粒72％-80％、羰基Fe粉3％-5％、Nb纤维13％-17％、Nb粉3.5％-6％和石墨粉0.45％-0.65％，以上各组分的质量百分比之和为100％；
步骤2，编制中空的Nb纤维网，Nb纤维网包括顶部压缩区和底部定径区，Nb纤维网由多个横向同心圆Nb纤维(3)、径向Nb纤维(5)和竖直Nb纤维(4)连接组成，同一水平面的横向同心圆Nb纤维(3)通过周向分布的径向Nb纤维(5)连接，不同水平面的横向同心圆Nb纤维(3)通过竖直Nb纤维(4)连接，最后将编制的Nb纤维网放置于钢模具(2)中，并在Nb纤维网中间插入钢型芯；
步骤3，混料，将步骤1称取的WC颗粒、羰基Fe粉、Nb粉和石墨粉混合均匀，形成混合粉末；
步骤4，将混合粉末与塑化剂混合后放进混炼机中进行混炼、造粒，形成混合物料，通过注射口(1)将混合物料高压注射于放置有Nb纤维网的钢模具(2)中，使钢模具(2)与钢型芯之间填满混合物料...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟黎声，刘宇，赵梓源，朱建雷，白海强，许云华，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61