專利名稱：金剛石燒結(jié)體拉拔模用材料及金剛石燒結(jié)體拉拔模的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及金屬線、不銹鋼線等各種線材及管的拉拔加工中所使用的金剛石燒結(jié)體拉拔模及金剛石燒結(jié)體拉拔模用材料。
背景技術(shù)：
作為線材或管的拉拔用的拉拔模用材料，已知的有天然金剛石、人造單晶金剛石及金剛石燒結(jié)體等。在使用金剛石燒結(jié)體的拉拔模用材料中，有將金剛石燒結(jié)體的外周部用超硬合金等支撐環(huán)包圍增強(qiáng)的拉拔模，與無支撐環(huán)的模。一般地，無支撐環(huán)的模是使用金剛石燒結(jié)體的直徑為6mm以下的小外徑模。
無支撐環(huán)的金剛石燒結(jié)體，是埋在Ni及Cu的粉末中燒結(jié)而成拉拔模用材料。此時(shí)，金剛石燒結(jié)體與金屬粉末的燒結(jié)體是冶金結(jié)合。為了得到與拉拔模保持器的大小等相吻合的大小，通常是由拉拔模加工者進(jìn)行埋入。
與此相比，外徑為7mm以上的金剛石燒結(jié)體，一般是設(shè)有支撐環(huán)。支撐環(huán)是為了防止金剛石燒結(jié)體由拉拔而擴(kuò)大的增強(qiáng)材料。
圖2是歷來的金剛石燒結(jié)體拉拔模，表示了在由超硬合金制的支撐環(huán)2所增強(qiáng)的金剛石燒結(jié)體1的金剛石燒結(jié)體拉拔模材料的中心部具有?？?的金剛石燒結(jié)體拉拔模。由于金剛石燒結(jié)體是在超高壓高溫?zé)Y(jié)，所以與超硬合金是冶金結(jié)合。
通常是在帶支撐環(huán)的金剛石燒結(jié)體的中心部由放電加工等手段開下孔，其后經(jīng)研磨而完成。在該過程中，在拉拔模的內(nèi)面發(fā)生了與孔垂直的裂紋成為不合格品。成品率通常僅有70％～80％，非常低，歷來為了解決這一問題而進(jìn)行了種種嘗試。然而，至今該問題并未得到解決，仍是該行業(yè)中所公認(rèn)的問題。
歷來的帶有支撐環(huán)的金剛石燒結(jié)體拉拔模用材料，是在超硬合金制的箱體中裝入金剛石顆粒及燒結(jié)體原料的混合物，以及必要的結(jié)合材料Co板。在超高壓、高溫下燒結(jié)而得到。所以，箱體的超硬合金與金剛石燒結(jié)體在超高壓、高溫下冶金結(jié)合。由于超硬合金比金剛石燒結(jié)體的熱膨脹系數(shù)大，所以降溫后在金剛石燒結(jié)體的徑向殘留有壓縮殘余應(yīng)力。在拉拔時(shí)，該力能夠緊固金剛石燒結(jié)體而增強(qiáng)。
但是，上述熱應(yīng)力在拉拔模的高度方向上也存在。由于支撐環(huán)在高度方向也收縮，所以在金剛石燒結(jié)體的中心部開孔的孔表面殘留有高度方向的拉伸應(yīng)力。因此，在金剛石燒結(jié)體的中心部開孔時(shí)，容易在與金剛石燒結(jié)體的孔垂直的方向上產(chǎn)生裂紋。即使是在開孔前沒有裂紋，也必須考慮開孔后由于應(yīng)力失去平衡而發(fā)生裂紋。
同樣，在Ni及Cu等的粉末燒結(jié)體中埋入的金剛石燒結(jié)體的情況下，也會(huì)在拉拔模孔的表面產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。
本發(fā)明是為了解決這些歷來的問題而提出的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是涉及一種金剛石燒結(jié)體拉拔模用材料以及使用其的拉拔模，該金剛石燒結(jié)體拉拔模用材料是由金剛石燒結(jié)體與支撐環(huán)所構(gòu)成，該支撐環(huán)是由W合金制的圓筒，其內(nèi)徑具有錐度，具有與該圓筒體的錐度相嵌合的錐度的金剛石燒結(jié)體被壓入該支撐環(huán)。
所述金剛石燒結(jié)體中金剛石的含量優(yōu)選為70～95體積％(體積百分?jǐn)?shù))。而且，所述金剛石燒結(jié)體的錐面是放電加工面。
優(yōu)選所述W合金含W為90～98.2重量％，含Ni為1.8～10重量％。
進(jìn)而所述Ni的一部分可以由Cu、Co、Fe中所選擇的一種以上所置換，其中相對(duì)于W合金的各含有量如下Cu0～2.5重量％，Co0～1.7重量％，F(xiàn)e0～2.8重量％。更優(yōu)選Ni的范圍為1.8～7.5重量％。
本發(fā)明在上述金剛石燒結(jié)體拉拔模用材料的中心部開孔，能夠得到金剛石燒結(jié)體拉拔模。此時(shí)，所述金剛石燒結(jié)體的外徑大的一側(cè)是拉拔的入口。


圖1是由本發(fā)明所得到的金剛石燒結(jié)體拉拔模的截面圖。
圖2是超硬合金與金剛石燒結(jié)體在燒結(jié)時(shí)結(jié)合的歷來的金剛石燒結(jié)體拉拔模的截面圖。
圖3是表示應(yīng)力狀態(tài)的概略截面圖，左側(cè)是歷來的拉拔模，右側(cè)是本發(fā)明的拉拔模。
具體實(shí)施例方式
圖1是由本發(fā)明所得到的金剛石燒結(jié)體拉拔模的截面圖，圖2是超硬合金與金剛石燒結(jié)體在燒結(jié)時(shí)結(jié)合的歷來的金剛石燒結(jié)體拉拔模的截面圖，圖3是表示應(yīng)力狀態(tài)的概略截面圖，左側(cè)是歷來的拉拔模，右側(cè)是本發(fā)明的拉拔模。
為了把握歷來的問題關(guān)鍵，對(duì)原因進(jìn)行了研究。歷來的燒結(jié)時(shí)將超硬合金結(jié)合于外周部的金剛石拉拔模用燒結(jié)體，溫度降到常溫時(shí)，在徑向收縮的同時(shí)，高度方向上也收縮。圖3是金剛石燒結(jié)體拉拔模的截面圖，表示了由有限元法計(jì)算的應(yīng)力狀態(tài)的結(jié)果。圖的左側(cè)是表示歷來的拉拔模的殘余應(yīng)力，右側(cè)是表示關(guān)于本發(fā)明的拉拔模的殘余應(yīng)力的圖。圖中涂黑的部分5，是殘余張應(yīng)力高的部分。
由圖3可知，歷來的金剛石燒結(jié)體，在拉拔用孔的入口表面部與最小孔徑的表面部殘留拉伸應(yīng)力。而且，在進(jìn)行模孔的加工時(shí)，在該部分發(fā)生與孔垂直方向上的裂紋的頻率也高。
為了解決上述問題，最重要的是，采用金剛石燒結(jié)體與支撐環(huán)之間是非冶金結(jié)合的結(jié)構(gòu)。一個(gè)被考慮的方法是，通過將金剛石燒結(jié)體在工具鋼等金屬制的支撐環(huán)中熱壓配合而防止冶金學(xué)的結(jié)合，使用這樣的方法能得到的金剛石燒結(jié)體拉拔模，都是有破損，不能實(shí)用于拉拔。其理由被認(rèn)為是由于緊固強(qiáng)度不足。
而且，為了進(jìn)行熱壓配合，必須正確地精加工金剛石燒結(jié)體的外徑尺寸。但是由于金剛石燒結(jié)體是難加工性，很難廉價(jià)地加工到熱壓配合所必要的尺寸精度，這也是不能夠?qū)嵱没暮艽罄碛芍弧?br> 由于本發(fā)明是如圖1所示將帶有錐度3、成為圓臺(tái)的金剛石燒結(jié)體1壓入帶錐度的支撐環(huán)2，所以能夠確保周向的緊固力。因此，在拉拔時(shí)對(duì)于半徑方向的力有增強(qiáng)的關(guān)系。而且，由于是壓入，所以在高度方向上殘余應(yīng)力小，即使在開孔加工時(shí)也不會(huì)發(fā)生裂紋。還有，金剛石燒結(jié)體由于壓入與支撐環(huán)的W合金不是冶金學(xué)結(jié)合。本發(fā)明的金剛石燒結(jié)體拉拔模的應(yīng)力狀態(tài)示于圖3的右側(cè)。在拉拔?？椎谋砻娌繘]有殘余應(yīng)力，即使是在拉拔?？准庸r(shí)也不會(huì)發(fā)生水平裂紋。
包圍金剛石燒結(jié)體1的支撐環(huán)的材料，優(yōu)選是為了強(qiáng)力緊固金剛石燒結(jié)體的拉伸彈性模量高的材料。超硬合金是其中一個(gè)候補(bǔ)。但是，由于超硬合金含有硬度高的WC，是難加工性材料，所以錐度加工費(fèi)非常高。
所以，在本發(fā)明中，能夠使用以下所說明的加工性優(yōu)異、拉伸彈性模量高的W合金。優(yōu)選W合金含有90～98.2重量％的W，1.8～10重量％的Ni。進(jìn)而，所述Ni的一部分可以由從Cu、Co、Fe所組成的群中選擇的一種以上的元素所置換。這里，各自的含量相對(duì)于W合金來說如下。
Cu0～2.5重量％；Co0～1.7重量％；Fe0～2.8重量％。
該合金可以用作自動(dòng)手表的擺錘，是含W且容易加工的材料。而且由于含W，所以其熱膨脹系數(shù)小，在作為拉拔模使用時(shí)，對(duì)于從室溫到350℃的溫度變化，應(yīng)力狀態(tài)都不發(fā)生大的變化。而且可以將該材料與金剛石燒結(jié)體進(jìn)行熱壓配合。
而且在本發(fā)明中，還可以使用不銹鋼來取代上述W合金。作為不銹鋼優(yōu)選使用屈服強(qiáng)度較高的馬氏體系的不銹鋼，特別是在作為大直徑的拉拔模而使用時(shí)能夠降低制造成本。
本發(fā)明的金剛石燒結(jié)體，金剛石的含有量在70～95體積％的范圍比較合適。不到70wt％時(shí)材料的耐磨性低劣，而超過95wl％時(shí)燒結(jié)體的導(dǎo)電性下降，難以進(jìn)行放電加工等。
本發(fā)明在拉拔線徑大的材料時(shí)特別有效，適用的范圍沒有限定。如果說到優(yōu)選的范圍，支撐環(huán)的外徑為14.5～35mm，其中壓入的金剛石燒結(jié)體的外徑為9～19mm，高度為7.5～19mm的大小最為合適。在金剛石燒結(jié)體的外徑不到9mm的情況下，燒結(jié)體的單價(jià)便宜，難以與本發(fā)明的壓入型的方法在價(jià)格上相對(duì)應(yīng)，而且，在外徑超過19mm的情況下，是通常工業(yè)上使用壓延輥將線徑減小的范圍。但是，由于使用拉拔模能夠提高品質(zhì)，所以根據(jù)用途，例如即使是外徑為19mm以上，也可以使用拉拔模。
無支撐環(huán)的金剛石燒結(jié)體與有支撐環(huán)的金剛石燒結(jié)體相比，由一次的超高壓、高溫?zé)Y(jié)所得到的金剛石燒結(jié)體的獲得量多。由于超高壓、高溫?zé)Y(jié)使用大的設(shè)備，所以一次的燒結(jié)體的收得量對(duì)拉拔模的成本有很大的影響。本發(fā)明由于是從圓板狀的金剛石燒結(jié)體，由一般的放電線切割而切出帶錐度的圓錐臺(tái)，將其壓入帶錐度的支撐環(huán)而得到金剛石燒結(jié)體拉拔模材料，所以容積效率(體積利用率)很高。與此相比，在歷來的例中，由于支撐環(huán)與金剛石燒結(jié)體是同時(shí)燒結(jié)，所以容積效率差。
本發(fā)明的另一特征是壓入的金剛石燒結(jié)體的錐面可以是放電加工原封不動(dòng)的狀態(tài)。歷來，放電加工的尺寸精度差，難以高精度地得到向支撐件的壓入。本發(fā)明者們對(duì)放電加工的條件進(jìn)行了各種研究，僅由放電加工就能夠得到0.01mm的精度。
在歷來的放電加工的金剛石燒結(jié)體的表面，形成數(shù)μm厚的表面變質(zhì)層，如果不去除該層，就不能進(jìn)行壓入。而且，為了去除，只能考慮研磨加工。本發(fā)明者對(duì)放電加工的條件進(jìn)行了各種研究，從金剛石燒結(jié)體的圓板切斷圓錐臺(tái)后，進(jìn)而通過減小電流進(jìn)行放電加工，極力減薄表面變質(zhì)層，獲得了成功。
而且，作為錐度的大小，優(yōu)選在1/100到5/100的范圍。小于1/100時(shí)，由于錐度的緊固力不足，且不是冶金結(jié)合，所以在拉拔模使用時(shí)，有金剛石燒結(jié)體從支撐環(huán)沿拉拔方向拔出的可能性。而且，超過5/100時(shí)，壓入時(shí)的摩擦力增大。金剛石燒結(jié)體有破損的可能性，更優(yōu)選是在2/100～4/100的范圍內(nèi)。
實(shí)施例1粒徑為5μm～25μm的金剛石粉末與Co粉混合，且使金剛石粉末的體積分?jǐn)?shù)為90體積％～92體積％，在球磨機(jī)中混合與破碎。將該粉末裝入W制的容器中，其上進(jìn)而放置Co板，在溫度1500℃、5GPa的壓力下燒結(jié)。從該燒結(jié)體的表面研磨去除W制的容器后得到圓板。由放電加工，用線放電加工切斷為錐度小的一方(截錐)的直徑為16mm，厚度為16mm，具有3/100的錐度的圓錐臺(tái)。切斷后進(jìn)一步減小電流，由放電加工去除放電加工變質(zhì)層與切斷殘留部。所謂切斷殘留部，是指線放電加工的線的開始點(diǎn)與終點(diǎn)之間所生成的凸部。這樣，制作了10個(gè)金剛石燒結(jié)體拉拔模用材料。
另一方面，將95.4重量％的W、3.05重量％的Ni與1.55重量％的Fe的粉末混合，在氫氣氣氛中燒結(jié)，制作了外徑為25mm，厚度為16.5mm的10個(gè)燒結(jié)體。將該燒結(jié)體加工成外徑為24.13mm，錐度小的一方(截錐)的內(nèi)徑為16mm，厚度為16mm。內(nèi)徑加工為具有3/100的錐度。
將所得到的金剛石燒結(jié)體與支撐環(huán)嵌合，以總加重6噸將二者壓入，得到金剛石燒結(jié)體拉拔模用材料。為了使材料上下相反，突出金剛石燒結(jié)體，3.5噸的總加重是必要的。
在10個(gè)金剛石燒結(jié)體拉拔模用材料上，加工直徑為6mm的拉拔用?？?，金剛石燒結(jié)體的錐度大的一方作為拉拔的入口。10個(gè)全部是合格品，沒有與孔垂直的裂紋。而且，還進(jìn)行了銅管的拉拔。
實(shí)施例2在實(shí)施例1中，僅對(duì)W合金的成分做如表1所示的變化，分別制作了10個(gè)支撐環(huán)。與實(shí)施例1同樣將制作的金剛石燒結(jié)體嵌合于所述支撐環(huán)，分別進(jìn)行了10個(gè)拉拔模的加工制作?？字袥]有水平裂紋，每一個(gè)都是合格品。
表1％表示重量％

如以上的說明，本發(fā)明是提供大線徑材料的拉拔時(shí)所必要的大型拉拔模。就是說，由于應(yīng)力的平衡良好，所以即使是在拉拔模加工時(shí)也不破損。歷來是沒有辦法用低成本率來進(jìn)行制造，但根據(jù)本發(fā)明，能夠使成品率大大提高，具有能夠在工廠等容易建立生產(chǎn)計(jì)劃等優(yōu)異的效果。
權(quán)利要求
1.一種金剛石燒結(jié)體拉拔模用材料，其特征在于由金剛石燒結(jié)體與支撐環(huán)所構(gòu)成，該支撐環(huán)是W合金或不銹鋼制的圓筒體，其內(nèi)徑具有錐度，具有與該圓筒體的錐度相嵌合的錐度的金剛石燒結(jié)體被壓入該支撐環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石燒結(jié)體拉拔模用材料，其特征在于所述金剛石燒結(jié)體中金剛石的含量為70～95體積％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石燒結(jié)體拉拔模用材料，其特征在于所述金剛石燒結(jié)體的錐面是放電加工面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石燒結(jié)體拉拔模用材料，其特征在于所述W合金含W為90～98.2重量％，含Ni為1.8～10重量％。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金剛石燒結(jié)體拉拔模用材料，其特征在于所述Ni的一部分可以由Cu、Co、Fe中所選擇的一種以上所置換，各自相對(duì)于W合金的含有量如下Cu0～2.5重量％，Co0～1.7重量％，F(xiàn)e0～2.8重量％。
6.一種金剛石燒結(jié)體拉拔模，其特征在于由金剛石燒結(jié)體與支撐環(huán)所構(gòu)成，該支撐環(huán)是W合金制圓筒體，其內(nèi)徑具有錐度，具有與該圓筒體的錐度相嵌合的錐度的金剛石燒結(jié)體被壓入該支撐環(huán)，在該金剛石燒結(jié)體的中心部加工有拉拔所用的孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金剛石燒結(jié)體拉拔模，其特征在于所述金剛石燒結(jié)體的外徑大的一方是拉拔的入口。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金剛石燒結(jié)體拉拔模，其特征在于所述金剛石燒結(jié)體的錐面是放電加工面。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金剛石燒結(jié)體拉拔模，其特征在于所述W合金含W為90～98.2重量％，含Ni為1.8～10重量％。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的金剛石燒結(jié)體拉拔模，其特征在于所述Ni的一部分可以由Cu、Co、Fe中所選擇的一種以上所置換，其中，各含有量如下Cu0～2.5重量％，Co0～1.7重量％，F(xiàn)e0～2.8重量％。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金剛石燒結(jié)體拉拔模用材料以及金剛石燒結(jié)體拉拔模，其特征在于該金剛石燒結(jié)體拉拔模用材料由金剛石燒結(jié)體與支撐環(huán)所構(gòu)成，該支撐環(huán)是W合金制的圓筒體，其內(nèi)徑具有錐度，具有與該圓筒體的錐度相嵌合的錐度的金剛石燒結(jié)體被壓入該支撐環(huán)。而且本發(fā)明還提供在該金剛石燒結(jié)體拉拔模用材料的中心部加工?？锥傻慕饎偸療Y(jié)體拉拔模。而且，為了更廉價(jià)地制造，金剛石燒結(jié)體的錐面是放電加工面。W合金含W為90～97重量％，含Ni為3～10重量％。由此提供在拉拔模加工時(shí)不發(fā)生破損的金剛石燒結(jié)體拉拔模用材料及金剛石燒結(jié)體拉拔模。
文檔編號(hào)B21C3/00GK1691993SQ0380329
公開日2005年11月2日 申請日期2003年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月31日
發(fā)明者吉田稔, 中島猛, 山口忠士 申請人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社