專利名稱：一種氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷拉絲模及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陶瓷拉絲模的制造技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及的是一種氧化鋁基 納米復(fù)相陶瓷拉絲模及其制備方法。
背景技術(shù)：
拉絲模作為金屬線材拉絲成形工藝中的關(guān)鍵部件，是一種典型的易耗 損零件。通常用的金屬線材拉絲模多采用硬質(zhì)合金粉末或陶瓷粉末燒結(jié)制 成，其生產(chǎn)工藝為粉體混合一素坯成型一高溫?zé)Y(jié)一磨削加工。由于燒 結(jié)后的材料極難加工，因此，最后的磨削加工用時(shí)多，刀具消耗大，使得 高品質(zhì)拉絲模的成本居高不下。此外，在拉絲成形過(guò)程中?？诓糠譁囟壬?高很快，同時(shí)服役環(huán)境惡劣，因此拉絲模很快磨損失效，不得不停止生產(chǎn)， 更換新的拉絲模，這也使得模具成本在拉絲成形的金屬線材產(chǎn)品中所占比 重居高不下；同時(shí)由于頻繁更換模具，降低了生產(chǎn)效率。
氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷是一種性能優(yōu)良的人工合成材料，其不僅具有 優(yōu)良的力學(xué)性能，同時(shí)還具有超塑變形的特性，利用其超塑變形特性，可 以使得該陶瓷材料如同金屬和塑料一樣，可以用擠壓成形的方法直接制成 精密尺寸的陶瓷拉絲模。采用氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷制造拉絲模充分利用 了納米復(fù)相陶瓷的優(yōu)良性能，可以提高拉絲模的使用壽命，從而降低模具 消耗，降低拉絲工藝的生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷拉絲模除具有高溫穩(wěn)定性好、耐磨性高、壽命 長(zhǎng)的特點(diǎn)外，還將具有較高的韌性和表面光潔度以及低的摩擦系數(shù)，因而特別適合于金屬拉絲，所拉出的金屬線材表面質(zhì)量好。目前在現(xiàn)有技術(shù)中 還沒(méi)有采用氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷來(lái)制備拉絲模，也沒(méi)有利用超塑性成形 技術(shù)來(lái)生產(chǎn)陶瓷拉絲模。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷拉絲模及其制備方法。 本發(fā)明采用氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷來(lái)制備拉絲模，將超塑性成形技術(shù)應(yīng)用 于氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷拉絲模的制備，根據(jù)拉絲模的不同尺寸和形狀， 其超塑成形模具的尺寸和形狀可以進(jìn)行變化。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述方法采取的技術(shù)方案是將八1203、 MgO和Zr02(3Y) 三種納米粉體混合均勻，其中A1203粉體為主要原料，作為基體材料。在 1450 155(TC的溫度下進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)獲得圓柱形的陶瓷燒結(jié)體；或者 將混合后的納米復(fù)合粉體在室溫下冷等靜壓成圓柱形坯料，之后在1450 155(TC的溫度下無(wú)壓燒結(jié)獲得圓柱形的陶瓷燒結(jié)體。隨后，將獲得的燒結(jié) 體放入高強(qiáng)石墨模具內(nèi)在1650 175CTC的超塑變形溫度下進(jìn)行擠壓成形， 使燒結(jié)體產(chǎn)生超塑性變形直至與模具貼合，取出變形后的拉絲模粗坯經(jīng)過(guò) 精密磨削加工，即可得到陶瓷拉絲模。
本發(fā)明制備拉絲模的上述方法可概括為粉體制備、處理 一 燒結(jié)， 可采用真空熱壓燒結(jié)或者冷等靜壓成型+無(wú)壓燒結(jié)一超塑擠壓成形拉 絲?？仔?一 精密磨削加工。其中，燒結(jié)后所得燒結(jié)體毛坯的外形接近成 品的最終外形， 一般為圓柱形或圓錐形；拉絲模主要工作部分的孔形由超 塑擠壓變形獲得，包括入口區(qū)、壓縮區(qū)和定徑區(qū)；拉絲模的最終尺寸經(jīng)精 密磨削后獲得。
本發(fā)明方法中用于制備拉絲模的氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷燒結(jié)后的主要成分為A1203、 MgAl204和Zr02(3Y)， 3Y表示采用3%Y203穩(wěn)定的Zr02; 其中A1203的摩爾含量為60%~80%， MgAl204的摩爾含量為10%~20%， Zr02(3Y)的摩爾含量為10% 20%。其成分配比是通過(guò)最初稱量三種粉體來(lái) 實(shí)現(xiàn)的。其中MgAl204是在燒結(jié)過(guò)程中通過(guò)以下反應(yīng)獲得
Al203 + MgO = Mg A1204
也即本發(fā)明方法中燒結(jié)前最初采用的三種粉體為A1203、 MgO和 Zr02(3Y)。三種粉體均應(yīng)保證分散良好，無(wú)硬團(tuán)聚，且每一種粉體的平均 粒徑均小于50納米。
本發(fā)明方法中采用真空熱壓燒結(jié)制備燒結(jié)體的熱壓燒結(jié)溫度為1450 1550°C，熱壓燒結(jié)的保溫時(shí)間為60 75min，熱壓壓力為^25MPa。若采用 冷等靜壓+無(wú)壓燒結(jié)法制備燒結(jié)體，則冷等靜壓的壓力應(yīng)為S200MPa， 保壓時(shí)間為Smin;隨后無(wú)壓燒結(jié)的溫度為1450 155(TC，可以在真空爐 中燒結(jié)或者在非真空設(shè)備中燒結(jié)。
本發(fā)明方法中超塑擠壓成形拉絲模孔形的變形溫度為1650 1750°C， 變形時(shí)間根據(jù)拉絲模的尺寸大小不同， 一般為5 30min。超塑擠壓成形所 采用的模具材料應(yīng)為耐高溫的結(jié)構(gòu)材料，可以為高強(qiáng)石墨材料或碳化硅。
本發(fā)明利用氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷本身所具有的良好力學(xué)性能和超塑 性變形能力，提出采用氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷來(lái)制作拉絲模，并采用超塑 性擠壓成形工藝來(lái)成形拉絲模的關(guān)鍵尺寸、孔形。由于獲得的燒結(jié)體納米 復(fù)相陶瓷在擠壓成形過(guò)程中具有足夠的塑性，可滿足超塑性成形的要求， 因而在合適的變形溫度和變形速度條件下即可呈現(xiàn)出超塑性效應(yīng)，可以通 過(guò)擠壓成形的方法在燒結(jié)體坯料中直接擠壓成形出拉絲模的孔形，包括拉絲模的入口區(qū)、壓縮區(qū)和定徑區(qū)。最后通過(guò)少量的精密磨修，加工出口區(qū)， 最終獲得成品。
本發(fā)明的一種氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷拉絲模及其制備方法具有以下優(yōu) 點(diǎn)和益處
拉絲模的孔形主要是通過(guò)超塑性擠壓變形形成的，經(jīng)超塑成形后氧化 鋁基納米復(fù)相陶瓷拉絲模具有很好的綜合力學(xué)性能，除具有高溫穩(wěn)定性好、 耐磨性高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)外，還具有較高的韌性和表面光潔度以及低的摩 擦系數(shù)。由于拉絲模的主要孔形經(jīng)擠壓變形獲得，需要磨削加工的量少， 機(jī)加工工時(shí)少；同時(shí)材料利用率顯著提高。采用超塑性成形工藝，制件的 形狀由模具的形狀來(lái)保證，適合于批量生產(chǎn)。


附圖1為本發(fā)明超塑擠壓成形拉絲模所用的擠壓模具結(jié)構(gòu)示意圖。 附圖2為附圖1中擠壓模具結(jié)構(gòu)中所用擠壓壓頭的結(jié)構(gòu)示意圖。 附圖3為經(jīng)超塑擠壓成形后的拉絲模制件結(jié)構(gòu)示意圖。 附圖4為經(jīng)精密磨削加工后的的拉絲模成品結(jié)構(gòu)示意圖。 圖l中l(wèi)壓頭，2擠壓筒，3陶瓷坯料，4下墊塊。 圖2中l(wèi)l壓頭入口區(qū)段，12壓頭壓縮區(qū)段，13壓頭定徑區(qū)段。 圖3中31入口區(qū)，32壓縮區(qū)，33定徑區(qū)。 圖4中31入口區(qū)，32壓縮區(qū)，33定徑區(qū)，34出口區(qū)。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。 本發(fā)明實(shí)施例中所述的拉絲模材料為氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷，該材料 為一種以氧化鋁為基體，加入氧化鋯和鎂鋁尖晶石形成第二相的三元復(fù)合陶瓷。首先將^203、 MgO和Zr02(3Y)三種初始納米粉體均勻混合，通過(guò) 燒結(jié)工藝，獲得致密的圓柱或圓錐形燒結(jié)體坯料。利用其超塑性，通過(guò)超 塑性擠壓工藝，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)體陶瓷坯料的超塑成形，獲得拉絲模的主要孔形， 最后經(jīng)磨削加工，獲得精密尺寸的拉絲模。擠壓成形時(shí)，將燒結(jié)體陶瓷坯 料放入模具中，模具壓頭下行，在坯料中擠壓出拉絲模的主要孔形，直至 陶瓷坯料與模具貼合而成形。本發(fā)明所需的燒結(jié)過(guò)程與超塑擠壓過(guò)程均可 以在普通真空熱壓機(jī)上進(jìn)行。
本實(shí)施例提供了一種氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷拉絲模及其制備方法。采 用市售的八1203、 Zr02(3Y)和MgO納米粉體，其配比滿足燒結(jié)得到的燒結(jié) 體成分為八1203: Zr02(3Y): MgAl2O4 = 60: 20: 20，配比均為摩爾比，將 三種粉體按比例混合均勻，獲得氧化鋁基復(fù)合粉體。在ZRY-55型真空熱壓 燒結(jié)爐中對(duì)所得復(fù)合粉體真空熱壓燒結(jié)，燒結(jié)過(guò)程采用高強(qiáng)石墨作為模具 材料，燒結(jié)溫度為1500。C，燒結(jié)壓力為25MPa，熱壓燒結(jié)的保溫時(shí)間為 60min。即獲得一圓柱形的納米復(fù)相陶瓷燒結(jié)體，作為制備拉絲模的陶瓷坯 料(3)。
本實(shí)施例提供的超塑擠壓成形工藝過(guò)程為將燒結(jié)體陶瓷坯料(3)放入 擠壓筒(2)內(nèi)，如附圖l所示裝配整個(gè)模具。隨后，將整個(gè)模具放入真空熱 壓燒結(jié)爐內(nèi)，升溫至1650。C，保溫30min后，擠壓壓頭(l)以lmm/min的 速度下行，在陶瓷坯料中擠壓成形拉絲模所需的孔形，當(dāng)壓頭(l)下行的距 離達(dá)到設(shè)定位置時(shí)，停止下行。隨后，熱壓爐降溫至室溫后，取出成形后 的陶瓷拉絲模制件，如附圖3所示。最后采用精密磨削加工拉絲模制件至 最終尺寸，獲得如附圖4所示的拉絲模成品。實(shí)施例2:
本實(shí)施例提供了一種氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷拉絲模及其制備方法。采
用市售的Al20" Zr02(3Y)和MgO納米粉體，其配比滿足燒結(jié)后的燒結(jié)體 成分為八1203: Zr02(3Y): MgAl2O4 = 80: 10: 10，配比均為摩爾比。將三 種粉體按比例混合均勻，后經(jīng)干燥、研磨，獲得氧化鋁基納米復(fù)合粉體。 在冷等靜壓機(jī)中對(duì)所得復(fù)合粉體進(jìn)行冷等靜壓處理，等靜壓處理的壓力為 200MPa，保壓時(shí)間為5min;隨后在箱式爐中無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1550°C， 保溫時(shí)間60min。即獲得圓柱形的納米復(fù)相陶瓷燒結(jié)體，作為制備拉絲模 的陶瓷坯料。
如附圖1所示，本實(shí)施例提供的超塑擠壓成形工藝過(guò)程為將燒結(jié)體 陶瓷坯料(3)放入擠壓筒(2)內(nèi)，按照附圖1所示裝配整個(gè)模具。隨后，將整 個(gè)模具放入真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，升溫至175(TC，保溫30min后，擠壓壓頭 (l)以3mm/min的速度下行，在陶瓷坯料(3)中擠壓出拉絲模所需的孔形， 當(dāng)壓頭下行的距離達(dá)到設(shè)定位置時(shí)，停止下行。隨后，將熱壓爐降溫冷卻 至室溫，取出成形后的拉絲模制件，如附圖3所示。最后采用精密磨削加 工拉絲模制件至最終尺寸，獲得如附圖4所示的拉絲模成品。
權(quán)利要求
1. 一種氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷拉絲模及其制備方法，其采用氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷來(lái)制備拉絲模，其制備過(guò)程為首先獲得氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷燒結(jié)體，然后通過(guò)超塑性擠壓成形陶瓷坯料獲得拉絲?？仔危蠼?jīng)過(guò)精密磨削加工獲得拉絲模成品，其特征在于所述拉絲模材料為氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷，其燒結(jié)體基體成分為Al2O3，其中加入了ZrO2(3Y)和MgAl2O4第二相，所述拉絲模材料中Al2O3的摩爾含量為60％～80％，MgAl2O4的摩爾含量為10％～20％，ZrO2(3Y)的摩爾含量為10％～20％。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷拉絲模及其制備方 法，其特征在于所述拉絲模的孔形是通過(guò)超塑性擠壓成形的方法獲得，所述 超塑性擠壓成形溫度為1650 175(TC，所述超塑性擠壓成形的壓頭速度為l 3mm/min。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷拉絲模及其制備方法。其采用氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷來(lái)制備拉絲模，所述納米復(fù)相陶瓷拉絲模的基體成分為Al₂O₃，第二相為ZrO₂(3Y)和MgAl₂O₄。本發(fā)明所述納米復(fù)相陶瓷拉絲模的制備方法為首先獲得具有一定外形的氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷燒結(jié)體，作為制備拉絲模的坯料，然后采用超塑性擠壓的方法成形拉絲模的孔形，后經(jīng)過(guò)少量的精密磨削加工，獲得氧化鋁基納米復(fù)相陶瓷拉絲模。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和益處所述拉絲模力學(xué)性能高，機(jī)加工量少，適合批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)B21C3/00GK101289313SQ20081001163
公開(kāi)日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2008年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月29日
發(fā)明者濤 姜, 陳國(guó)清 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)