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聚晶金刚石的高压合成工艺研究毕业论文聚晶金刚石的高压合成工艺研究毕业论文 目目 录录 1 绪绪 论论 1 1.1 拉丝模概 述 1 1.2 拉丝模分类及发展状 况 2 1.3 拉丝模的孔型结 构 6 1.4 拉丝模的破坏及磨损研 究 8 1.4.1 拉丝模的破坏形 式 8 1.4.2 拉丝模的磨 损 10 1.5 聚晶金刚石拉丝模坯材料的发展及研究现 状14 1.6 研究目的及意 义 17 2 实实验过程及测试方验过程及测试方 法法 18 2.1 实验材料及设 备 18 2.2 PCD拉丝模的制备过 程 19 2.3 实验测试方法与分 析 21 2.3.1 扫描电镜及能谱分 析 21 2.3.2 维氏硬 度 21 2.3.3 磨耗 比 22 3 PCD拉丝模芯的合成工艺研拉丝模芯的合成工艺研 究究 24 3.1 烧结时间对力学性能的影 响 24 3.1.1 烧结时间对显微维氏硬度的影 响 24 3.1.2 烧结时间对磨耗比的影 响 26 3.2 烧结温度对力学性能的影 响 27 3.2.1 烧结温度对显微维氏硬度的影 响 28 3.2.2 烧结温度对磨耗比的影 响 30 3.3 PCD拉丝模坯的显微形貌及能谱分 析 31 3.3.1 烧结时间对显微形貌的影 响 31 3.3.2 烧结温度对显微形貌的影 响 32 3.3.3 PCD拉丝模坯的能谱分 析 33 4 PCDPCD拉丝模坯高压烧结过程及机拉丝模坯高压烧结过程及机 理理 35 4.1 PCD拉丝模坯的烧结过 程 35 4.2 PCD拉丝模坯的烧结机 理 36 5 结结 论论 39 参考文参考文 献献 40 致致 谢谢 42 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 0 1 绪绪 论论 1.1 拉丝模概述拉丝模概述 拉丝模是拉制各种金属线材的重要工具。在拉丝过程中，金属丝通过 模孔发生塑性变形达到预定的尺寸精度及表面质量。拉丝模的适用范围十 分广泛，主要应用于拉拔线材、丝材、棒材、管材等直线型难加工物体， 适用于钢铁、铜、钨、钼等金属和合金材料的拉拔加工1。 作为拉拔线材的生产企业，要想降低成本，获得稳定长时间的拉拔， 精确的尺寸，较好的表面质量，没有高质量的拉丝模具是难以实现的。国 外金属制品工业为提高竞争能力，对于拉丝模质量和制造工艺的改进十分 重视，从提高拉丝模寿命入手，对拉丝模的材质、结构、制造工艺、制造 设备以及检测仪器等进行了系统的研究，开发出复合拉丝模、拉丝模新材 料、表面涂层新技术、拉丝模新的孔型设计方法等，推动了世界拉丝生产 技术的发展。 我国拉丝模制造工业已经有很长的历史，上世纪八十年代随着拉丝制 造的水平不断提高以及生产工艺的不断改进，我国的拉丝模制造技术有了 较大的进步，尤其是在拉丝模的材质、结构等方面有了很大进步。尽管我 国线材生产量居世界前列，但总的来说和国外还有不小的差距。外国所用 的材料和拉丝工艺更加先进，拉丝模的加工精度、耐用性、耐磨性等指标 均优于我国的产品2。因此，我国的拉丝制造业要加强制模管理、提高拉 丝模具的质量，并且改善拉丝模具的制造工艺，以提高我国拉丝模业得迅 速发展。 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 1 图1 拉丝模工作简图 1.2 拉丝模分类及发展状况拉丝模分类及发展状况 经历了几十年的发展，已出现很多新型拉丝模材质。按照制造拉丝模 材料的不同，拉丝模可分为：合金钢模、硬质合金模、天然金刚石模、人 造金刚石聚晶模、CVD 金刚石模和陶瓷模等3。近年来新型材料的开发极 大地丰富了拉丝模的应用范围并提高了拉丝模的使用寿命。 (1) 合金钢模 合金钢模是早期的拉丝模制造材料。用来制造合金钢 模的材料主要是碳素工具钢和合金工具钢。但是由于合金钢模的硬度和耐 磨性差、寿命短，不能适应现代生产的需要，所以合金钢模很快被淘汰， 在目前的生产加工中已几乎看不到合金钢模。 (2) 硬质合金模 硬质合金模由硬质合金制成，硬质合金属于钨钴类 合金，其主要成分是碳化钨和钴。碳化钨是合金的“骨架”，主要起坚硬 耐磨作用，钴是粘结金属，是合金韧性的来源。因此硬质合金模与合金钢 模相比具有以下特性：耐磨性高、抛光性好、粘附性小、摩擦系数小、能 量消耗低、抗蚀性能高，这些特性使得硬质合金拉丝模具有广泛的加工适 应性，成为当今应用最多的拉丝模具4。 (3) 天然金刚石模 天然金刚石是碳的同素异性体，用它制作的模具 具有硬度高、耐磨性好等特点。但天然金刚石的脆性较大，较难加工，一 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 2 般用于制造直径1.2 毫米以下的拉丝模。此外，天然金刚石价格昂贵，货 源紧缺，因此天然金刚石模并不是人们最终所寻求的即经济又实用的拉丝 工具。 (4) 人造聚晶金刚石模 聚晶金刚石（Polycrystalline Diamond，简称 PCD）是用经过认真挑选的质量优良的人造金刚石单微粉加上少量硅、钛 等结合剂，在高温高压的条件下聚合而成（见图2） 。 聚晶金刚石的硬度很高，并有很好的耐磨性，与其它材料相比它具有 自己独特的优点：由于天然金刚石的各向异性，在拉丝过程中，当整个孔 的周围都处在工作状态下时，天然金刚石在孔的某一位置将发生择优磨损； 而聚晶金刚石属于多晶体、具有各向同性的特点，从而避免了模孔磨损不 均匀和模孔不圆的现象发生。与硬质合金相比，聚晶金刚石的抗拉强度仅 为常用硬质合金的70%，但比硬质合金硬250% ，这样使得聚晶金刚石模比 硬质合金模有更多的优点。 用聚晶金刚石制成的拉丝模耐磨性能好，内孔磨损均匀，抗冲击能力 强，拉丝效率高，而且价格比天然金刚石便宜许多。因此目前聚晶金刚石 模在拉丝行业中应用广泛5。 (5) CVD(化学气相沉积法)金刚石模 涂层拉丝模是新近发展起来的一 项新技术，其主要方法就是在硬质合金拉丝模上涂层金刚石薄膜。金刚石 薄膜是纯金刚石多晶体，它既具有单晶金刚石的光洁度、耐温性，又具有 聚晶金刚石的耐磨性和价格低廉等优点，在代替稀有的天然金刚石制备拉 丝模工具方面取得很好的效果，它的广泛使用将为拉丝模行业带来新的活 力。 (6) 陶瓷模 高性能的陶瓷材料具有硬度高、耐磨性好、化学稳定性 强、高温力学性能优良和不易与金属发生粘结等特点，可广泛应用于难加 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 3 工材料的加工。近三十年来，由于在陶瓷材料制造工艺中实现了对原料纯 度和晶粒尺寸的有效控制，开发了各种碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、 晶须或少量金属的添加技术。以及采用多种增韧补强机制等，使陶瓷材料 的强度、韧性、抗冲击性能都有了较大提高。 各种拉丝模的材质各有特点。其中，天然金刚石拉丝模的价格最为昂 贵，加工也极其困难，同时因为天然金刚石的各向异性，在径向范围内硬 度差别很大，容易在某一方向上产生剧烈磨损，所以天然金刚石模只适用 于加工直径很小的丝材。硬质合金模硬度较低，用硬质合金模拉拔的线材 质量较高，表面粗糙度低，但硬质合金模的耐磨性较差，模具的使用寿命 短。聚晶金刚石模的硬度仅次于天然金刚石，因其具有各向同性的特点， 不会产生单一径向磨损加剧的现象，但其价格十分昂贵，加工困难，制造 成本很高。CVD 涂层拉丝模因具有金刚石的性能而具有良好的耐磨性， 拉拔线材的表面粗糙度较低，但是CVD 涂层拉丝模的制作工艺复杂，加 工困难，成本较高，当涂层磨耗后模具将迅速磨损，不仅难以保证加工质 量，而且不能重复使用，只能报废。陶瓷材料具有比硬质合金高的硬度和 耐磨性，制作成本低廉，是介于金刚石与硬质合金之间的制作拉丝模的优 良材料。但由于陶瓷材料的韧性差、热冲击性差且加工困难，至今尚未获 得大范围应用。各种拉丝模材料的优缺点对比见表1。 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 4 表1 各种拉丝模坯材料的优缺点对比 拉丝模材质优点缺点应用范围 合金钢模制作简便耐磨性差、寿命短基本淘汰 天然金刚石硬度高、耐磨性能好脆性大、加工困难 直径1.2mm以下的 线模 硬质合金 抛光性好、能量消耗 低 耐磨性差、加工困 难 各种直径线材 人造聚晶金刚石硬度高、耐磨性好加工困难、成本高小型线材、丝材 CVD涂层材料光洁度高、耐温性好 工艺复杂、加工困 难 小型线材、丝材 陶瓷材料 耐磨、耐高温、耐腐 蚀性好 热冲击韧性差、加 工困难 没有大范围应用 图 2 人造聚晶金刚石拉丝模 1.3 拉丝模的孔型结构拉丝模的孔型结构 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 5 拉丝模一般分为入口区，润滑区，压缩区，定径区，安全角，出口区 六部分。 图 3. 拉丝模具孔型图 （1）入口区 入口区的作用是把金属线材引入模孔和储存乳化剂，其角度通常为 40左右，这个区域不需要很高的表面光洁度。对于拉伸如铜、铝等一类 的软线建议入口区的角度适当大一点，而对于拉伸钨、钼材料的硬线入口 区的角度应小于70为宜。 （2）润滑区 润滑去是引导金属线材进入压缩区部分的区域，其角度通常为30左 右，对于润滑去来说应该使润滑剂得到充分的满足，这个区域也不需要特 别好的光洁度。 (3) 压缩区 压缩区是模孔最重要的部分，金属线材就是在这里产生压缩进行塑性 变形，使线材直径由粗变细。我们知道，组成任何物质的细小颗粒如原子、 分子、离子、电子之间都具有一定的吸引力的推斥力，并处于力的相对平 衡状态中的晶格内结点就是物质微粒所处的平衡位置，由于机械力作用如 拉伸、挤压、弯、扭等或其它物理化学因素的外力作用也可能使金属微粒 的位置逐渐发生变化而产生的位能，能的表现形式之一可以是力，这种在 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 6 金属内部由于受到外界诸因素的作用而产生的力叫做金属的应力。当线材 被拉出模孔后其所受的应力必须小于线材的变形抗力，否则，线材将被继 续拉细，甚至断丝。 (4) 定径区 定径区是模具孔径尺寸的控制部分，金属线材通过这一区域可得到最 终尺寸。合理的定径区长度可以改善平直径、尺寸精度、表面粗糙度质量 和模具寿命，定径区长度的增加导致棒材中间以及表面的残余应力减少， 当定径区长度为零时，棒材表面残余应力减少，并在其以下的区域产生最 大的残余应力，挡定径区长度增大时残余应力减少。同时定径区也需要一 个较好的表面光洁度。 (5) 安全角 定径区与出口区之间的交角部分叫安全角。线材在由定径区走向出口 区时，由于金属弹性变形的恢复使交角部分集中应力而造成损坏，或者划 伤线材表面。在制模的过程中将这一交角加工成 R 连接，使该区域在正常 拉丝情况下是和金属不接触的，从而避免了上述事故。安全角通常制成 10，该部分的表面光洁度没有特别要求。对于孔径越大、材料硬时安全 角的作用也就越明显。 表 2 .聚晶金刚石拉丝模的模孔尺寸及角度 (6) 出口区 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 7 设置出口区是为了保证压缩区在模芯厚度的中心部分，使模芯具有最 好的抗涨强度。出口区的角度通常制成 70左右，也不需要特别的抛光。 但在加工时要严格注意与模芯的同心度6。 1.4 拉丝模的破坏及磨损研究拉丝模的破坏及磨损研究 拉丝模的摩擦磨损情况十分复杂，一般分为拉丝模破坏和磨损两大类。 工作条件（线材材料、拉丝模材质、润滑剂等）的不同，使得拉丝模的磨 损和破坏都有其独特的过程。拉丝模的磨损与破坏之间的相互关系，在本 质上是相互关联的。拉丝模内部的情况可能非常微妙，一些因素可能会同 时起作用，它们的叠加作用非常复杂，不易理解。可能一个因素的作用会 掩盖其他因素的作用，上述几种破坏和磨损的形式可能经常交织在一起， 为分析拉丝模的破坏与磨损机理增加了难度。但总的来说，各种材质拉丝 模的耐磨性由高到低的排序是：金刚石拉丝模（没有考虑天然金刚石各向 异性的问题）陶瓷拉丝模硬质合金拉丝模合金钢拉丝模。 通过对拉丝模的材质的研究，拉丝模正在向着高强度、高硬度、高耐 磨性发展，各种符合要求的新材料层出不穷，拉丝模的耐磨性大幅度提高， 磨损、破坏的时间明显延迟，拉丝模寿命不断增加，加工精度也有了一定 的提高。拉拔加工的适用范围正逐步扩大，从粗到细各种规格的线材都可 以加工，并出现了用于加工不规则线材的异型模。 1.4.1 拉丝模的破坏形式拉丝模的破坏形式 拉拔加工中，工作条件选择不恰当可使拉丝模断裂破坏，导致失效。 拉丝模的断裂破坏形式大体可以分为四种，分别为环状破坏、拉伸破坏、 剪切破坏、支撑面破坏7。一种类型的断裂可以导致其他类型的破坏，因 此，一个被破坏的拉丝模通常包含有多种类型的断裂，故应避免在一个拉 丝模上做出判断，最好是多分析几个拉丝模的受损再作评价。 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 8 （1）环状破坏 HonoCho 等人8研究了钢材拉拔时压缩比和长度对拉丝模的影响，认 为当加工线材所需要的拉拔力大于拉丝模材料和钢套的强度时，就会产生 环状破坏。环状压力随压缩角度的减小和压缩量的增加而增加。为减少环 状破坏，在某些情况下可重新设计拉丝模或调整压缩比。拉丝模材料及钢 套的强度对克服环状压力都是非常重要的，钢套不仅是给模坯一个合适的 支撑力，实际上它还直接克服拉拨力给模坯一个紧密的预压功能。 （2）拉伸破坏 拉丝模的拉伸破坏是在拉丝模的某个截面上发生的9。拉伸破坏最初 是一条环形裂纹，且多半从工作区和线材接触的位置开始产生。实际中由 于线材的遮蔽作用，这种裂纹在早期是不容易出现的，裂纹产生之后，它 就会继续向外扩展。拉丝模在机器中放置太长时间或拉丝模有焊缝或夹杂 物时，通常会发生拉伸破坏，这种破坏常从较深的磨损圈开始产生，并引 起应力集中。一些拉丝模材料能对这种破坏有较大的阻碍力，但一般来说， 拉丝模材料的选择不是拉丝模受损要考虑的因素，如何更好地控制拉拔过 程才是关键问题，在良好的工作条件下使用拉丝模可避免大多数拉伸破坏。 （3）剪切破坏 这种破坏类似于拉伸破坏，其破坏面通常呈一个锥形。由于不良的拉 丝条件造成拉丝模的剪切强度超过极限，从而引起剪切破坏。P.F Browning 等人10研究了拉拔钨丝时拉丝模的失效形式，在长时间拉拔中拉 丝模的剪切破坏由拉丝模的剪切强度过低造成。 （4）支撑面破坏 定径区支撑面上的碎裂，它不同于上述情况。A.Skfosyezwsiki 等人11 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 9 研究了退火钢的拉拔过程，认为拉丝模受损面位于定径区和支承面出口区 横断面上确定的位置。支承面碎裂有时是由夹杂物或线材焊缝引起的，它 还可能因支承面出口形状不合理而引起，定径区的锥形出口面是易于碎裂 的区域。如果这个问题能及时发现，提早返修拉丝模，就能避免出现这种 类型拉丝模的破坏。 1.4.2 拉丝模的磨损拉丝模的磨损 （1）磨耗磨损 在实际拉拔过程中，当线材与拉丝模两部分是滑动接触时，会从其中 的一部分上削去表面不规则的材料，其磨损速度呈简单的能量差关系。即 使拉丝模材料比线材硬得多，拉丝模仍会在正常的拉拔过程中被磨耗，这 是正常且不可避免的。但是，通过仔细调整拉拔条件可以使磨损程度尽可 能减少。任连伟等人12对拉丝模的磨耗磨损进行了研究，认为拉丝模的磨 耗磨损可由拉丝模工作区周围沿拉拔方向整个长度上的擦痕判别。当这些 擦痕是由正常磨耗引起时，擦痕可能很浅，除非用高倍放大镜观察，否则 很难看出来；如果用低倍放大镜观察，表面将呈现出被抛光的样子；但如 果是由润滑剂中杂质或线材表面缺陷造成的擦痕,就会较大较深，容易看出 来。因此，如果拉丝模上的擦痕能在30一60倍光学显微镜下观察到，则应 该考虑润滑剂和线材表面质量。另外，并不是拉丝模上所有的沟纹都是由 磨耗磨损引起的，实际拉拔过程或拉丝模材料的其他缺陷都能引起沟纹， 这类沟纹常常较完整。A.Skolysze wski等人13认为另一个引起沟纹的原因 与拉丝模过热有关，当拉丝模拉丝过程中缺乏润滑剂时，常发生这种过热。 同样，拉丝模中嵌有细小颗粒时，也有这种结果，这种沟纹在尺寸和数量 上通常是相当大的，会导致拉丝模迅速破坏，这是属于不正常的磨耗磨损。 许多金属氧化物极具研磨力，因此，污染过的润滑剂，已经氧化的线材或 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 10 线材表面的污染物，都能明显地加剧磨耗磨损，并因此缩短拉丝模寿命。 当磨耗主要是由线材和拉丝模彼此接触过程发生时，磨耗程度可明显受润 滑剂、薄膜强度及它们所涉及表面的附着性影响。这意味着选择和在拉拔 过程中维持合适的润滑剂，对于减少磨耗磨损是非常重要的。此外，必须 使润滑剂进入拉丝模，尽可能通过线材带入更多润滑剂进入拉丝模拉拔区。 （2）摩擦磨损 对于拉丝模来说，其摩擦磨损与微粒拔出有关14。在拉丝模中，由于 微粒拔出会产生很深的凹坑，其大小与拉丝模材料所具有的微粒尺寸相同， 因此，很容易目测判别。最坏的情况是在微粒拨出后使凹坑形成应力点， 该应力点又会加速拔出另外的微粒，在这种情况下，会形成较大的沟纹， 严重时还会导致断裂。具有微细颗粒的拉丝模或超细颗粒的拉丝模中的摩 擦磨损，用光学显微镜可能不容易观察到单个的凹抗，但是可注意到总的 钝化现象。拉丝模有时会被线材磨耗而再抛光，从而掩盖了摩擦磨损的形 貌。J.Zhang等人15对Cr17Ni6Mn3的拉拔加工进行研究，认为线材材料、拉 丝模材料及润滑剂的质量对拉丝模受损类型起着重要作用。线材与拉丝模 材料在提供使颗粒位移的力方面具有相同的作用，润滑剂能干扰这个力而 避免摩擦磨损。拉丝模拉拔时附近的温度是非常重要的，因为高温度会增 加额外的内应力，会破坏微粒之间的键合，大多数拉丝模都有粘结剂，在 高温下这种粘结剂会使硬质颗粒之间的键合力减弱，从而导致摩擦磨损。 由于许多拉丝模材料在实际应用中有许多相同的表现，很容易把摩擦磨损 误认为是磨耗磨损，区分二者之间的差别是非常重要的，只有这样，才能 根据磨损情况选择合适的拉丝模材料。例如当需拉拔硬度很高的材料时， 超细晶粒拉丝模具有很好的耐磨性。但如拉拔较软的材料时其耐磨性却很 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 11 差。其原理是超细晶粒拉丝模材料抗磨耗力相当好，但抗摩擦力却很差。 而当拉拔硬度高的材料时，磨耗磨损是起主要作用的因素。而拉拔硬度低 的软材料时，摩擦磨损就成了起主要作用的因素。掌握这一点，就能根据 所需拉拔的材料的硬度而选择正确的拉丝模材料，如果不清楚这个机理， 则可能会只凭与不同线材材料和拉拔条件有关的经验选择拉丝模材料。 （3）腐蚀磨损 在线材与拉丝模有较强亲和性的基础上，腐蚀磨损比较容易解释。对 腐蚀磨损的最简单的解释是拉拔过程中，一部分线材原子与另一部分拉丝 模材料原子紧密接触，化学反应形成新的化合物，然后从线材或线材、拉 丝模材料部分脱落时发生的现象16。实际上是线材与拉丝模材料的化学行 为决定腐蚀磨损。此外，润滑剂中所含的材料或添加剂或杂质都能对此过 程起到一些作用。K. V.Acker等人17研究了渗碳体和铁素体线材在拉拔加 工中残余应力和拉丝模的磨损，认为拉丝模的腐蚀磨损通常会形成非常光 滑但有时是不规则的表面，一般来说腐蚀磨损非常迅速，其结果是不可预 见的。在某些材料中，腐蚀磨损优先选择在晶格上发生，其结果是工作区 锥角和定径区截面形状可以变成一个多边形而不是圆形，有些情况下工作 区锥角有可能呈花瓣形状。腐蚀磨损容易在单晶金刚石上发生，但其影响 因素十分复杂。在某些材料中，很难区分腐蚀磨损和磨耗磨损的差异，因 为这两种磨损同时存在。但也有一些直观的迹象，磨耗磨损产生的磨损圈 紧接在拉拔区的支撑面上，比较轻微，随着磨耗磨损的继续进行，该磨损 圈延展到定径区。腐蚀磨损时，入口区表面磨损相当迅速，很少可以发现 正常磨损迹象。金刚石拉丝模，常因形成的坚硬金属碳化物(如Fe、Ni 和 W的碳化物)而被腐蚀，而坚硬的氧化物(如润滑剂中的硝酸盐)将增强这种 腐蚀作用。WC颗粒很少被化学腐蚀，但润滑剂溶液中的化学物质对Co粘 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 12 合剂的腐蚀作用就很敏感，这些化学物质包括氧化物、氟化物、硫酸盐和 硝酸盐，润滑剂中的化学物质腐蚀损害Co粘合剂，与其化学结构有关，十 分复杂，且有一部分化合物是不与Co发生作用的。拉拔加工中的温度对于 腐蚀过程是最重要的，因为一旦拉拔速度增加到使拉拔区温度超过临界值， 会导致腐蚀过程加剧。 （4）擦伤磨损 擦伤磨损是两种材料互相滑移接触时，彼此粘合在一起而发生的18。 在拉拔过程中，有两种形式，一种是线材擦伤，一种是拉丝模擦伤，拉丝 模的擦伤磨损，也称为粘着磨损。尽管也包含一些原子级的力，但与腐蚀 磨损不同，它没有新的化合物形成，只是一种机械力引发的粘合，提供的 是从拉丝模表面除去材料碎粒的力。在此情况下，线材与拉丝模材料结合 的行为，润滑剂的条件以及温度是很重要的因素。S.He 等人19研究了珠光 体线材拉拔时拉丝模的擦伤磨损，发现拉丝模擦伤表面将呈一个很随意的 磨损图形，呈既小又浅且不规则的凹坑，有时看上去仿佛一团雪花在表面 上，但这需要高倍放大才能观察到。线材上除去微粒的擦伤情况，从线材 表面除去的材料粘合到拉丝模上。其被粘合的物质，可能是预先从线材上 削落下来的金属微粒或线材表面上粘结的物质，这些都可能加剧擦伤磨损。 线材表面比在拉丝模表面更容易看到擦伤现象。典型的线材擦伤表面会有 不规则的沟纹，沟纹有时是楔形的，其末端被线材微粒再次焊合。还常可 见波浪状摩擦痕迹，这些痕迹是线材部分地粘合到磨损材料上而导致的， 一些痕迹会表现出表面撕裂且相当深。 （5）细颗粒磨损 在被损坏的拉丝模中，有些拉丝模材料会有很明显的金属细颗粒。首 先，拉丝模上的细颗粒，会引起线材表面质量不好，并使润滑剂缺乏，导 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 13 致剧烈摩擦而使拉丝模迅速被磨损20。其次，金属细颗粒的存在，相当于 为润滑剂提供了一个易于粘合材料的源，从而增加了擦伤机会；再次，小 尺寸的颗粒氧化更迅速，如果这些小微粒进入润滑剂之前与空气接触更是 如此。铝和铜在空气中放置，会产生氧化铝和氧化铜，它们是较显著的研 磨材料，这类微粒氧化物不仅会缩短拉丝模寿命，而且会降低拉拔设备的 寿命；最后，细颗粒的第四种影响为其会改变润滑剂的化学性能。为了粘 附在线材表面，大多数润滑剂会与线材发生某种程度的反应.然而因表面积 太小致使这种反应通常是可以被忽略的。但是，如果有细颗粒存在，就会 使暴露的面积增大许多，从而使这些反应变得更重要。润滑皂或润滑油也 能对拉拔结构有一些影响，因为有一些反应会除去润滑剂中的有益添加剂 或减弱它们的作用，所以事实上其影响不是太明显。在某些情况下，特别 是拉拔铜丝时，金属细颗粒会对润滑剂中的不稳定物质的化学变化起到一 种催化剂的作用，但一般来说，这些微妙的变化未能被发现。当金属细颗 粒很小时，情形更坏。颗粒越小，其沉淀下来越慢，过滤问题也随颗粒尺 寸变小而更麻烦。 1.5 聚晶金刚石聚晶金刚石(PCD)(PCD)拉丝模坯材料的发展及研究现状拉丝模坯材料的发展及研究现状 金刚石具有优良的弹性模量、抗压能力和物理、化学性能 ,但韧性不 足、抗压强度低和解理面的存在使其易受冲击载荷的破坏。自然界中存在 的金刚石一种称为卡博纳多(Carbonado , 黑金刚石) ,是由许多细粒金刚石 与少量杂质聚结成的块状多晶体,晶粒间呈无序排列,无解理面,性能各向同 性;另一种称巴拉斯(Ballas , 玫红尖晶石) ,外形似球形或橄榄形状,坚固的外 壳由辐射状金刚石构成。1967 年前苏联的 L F Veshchagin 人工合成了由 石墨相变聚结的人造卡博纳多和巴拉斯。大颗粒天然金刚石价格昂贵,而人 造金刚石大单晶生长速度慢、合成时间长、成本高,价格比天然金刚石还贵 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 14 。人造聚晶金刚石则是由很多细粒金刚石添加一定的粘结剂在高温高压下 烧结而成,所具有的抗冲击韧性、抗磨损均匀性、耐热性、导热性、透光性 等已超过天然金刚石。由于加入了金属、合金、陶瓷材料等粘结剂,可有效 提高抗冲击能力,因此人造聚晶金刚石的应用日益增长,已广泛应用于汽车、 航空航天、电子、宝石加工、建筑等行业的刀具制造。目前 PCD 聚晶复 合片刀具的应用市场近 4 亿美元,分布在汽车制造、家具制造、航空航天 及其它领域。与此同时,人造聚晶金刚石产品的开发正朝尺寸大型化、晶粒 细化、质量优化、性能均匀化的方向发展。 聚晶金刚石有许多优异性能;晶粒呈无序排列、各向同性、无解理面; 具有较高冲击强度,冲击时只产生小晶粒破碎, 不像单晶金刚石那样大块崩 裂 。聚晶金刚石的性能与粘结剂关系密切,而不同的粘结剂在聚晶烧结过 程中的作用及成品中的存在形式有较大差异,目前主要选用 Ti2Si 系列的陶 瓷类粘结剂和以钴为主的金属类粘结剂。原材料金刚石的自身品质和烧结 工艺对聚晶性能的影响明显。聚晶金刚石最重要的性能指标是耐热性、耐 磨性和冲击强度,而硬度、强度、加工性、焊接性等在某些情况下也较重要,不 同用途对聚晶金刚石的性能要求也不相同21。 (1)耐热性 聚晶金刚石主要用做切削工具和钻井工具,使用过程中通常面临高温,因 此热稳定性成为主要性能指标之一。高温下,由常压下碳原子亚稳定结构组 成的金刚石有碳化趋势。以金刚石单晶为例,650 以上时,空气中金刚石有 石墨产生,处于真空或保护气体中时石墨化升至更高温度。PCD 因有中间 相存在,受热加温时石墨化更为明显。PCD 材料受热时,中间相起到的副作 用主要表现在:一是促使金刚石石墨化,使聚晶金刚石内部产生内应力;二是 因中间相热膨胀系数较大,受热时体积膨胀,增加了金刚石的内应力。 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 15 (2)耐磨性 聚晶金刚石的耐磨性用 Q 表征。国内制定的人造金刚石烧结体磨耗 比测定方法规范了测试程序,测量数据有较好的可比性,已成为对聚晶金 刚石性能最重要的评价参考标准之一。实际加工中粘结剂总量、金刚石粒 度配比、金刚石品质以及真空热处理工艺等都会对聚晶金刚石的耐磨性产 生重要影响。 (3) 冲击强度 聚晶金刚石内部独特的结构使其冲击强度、可加工性、各向同性等都 要优于单晶金刚石。目前尚无统一标准来测试这些性能,利用“高锤法”测 试所需的设备简单,但精度与重复性很差。曾有人通过计算断裂功来表征冲 击韧性,结果显示随着晶粒尺寸的减小,冲击强度平均值明显提高,但测试结 果有较大的分散性22。以金属为粘结剂的金刚石聚晶的冲击强度明显优于 陶瓷结构聚晶,因为金属粘结剂明显地增加了 D-D 结合,改善了结构的均匀 性。尽管陶瓷结构的碳化物使金刚石聚晶的整体冲击强度比单晶金刚石有 所提高,但效果明显比不上金属粘结剂聚晶。 在 PCD 生产方面,由于国内现在采用的碳化物粘结法在理论上存在很 大缺陷,很难从根本上解决金刚石聚晶产品最终质量的稳定和提高,应尽可 能地吸收国外成功的理论和工艺(如国外广泛采用的 STCR 工艺) ,并与我 国的生产实际相结合,加大科研力度,增强竞争能力。要在压机控制精度、 金刚石表面清洁度和纯度方面下工夫,把整个工艺过程精细化,完善质量检 验体系。 此外,国外有实力的企业大多拥有设备完善的产品研究实验室,或与高等 院校和研究所共同建立实验室,而我国行业企业由于缺乏试验和研究条件, 对产品性能了解不够,不能向用户提供准确的产品参数,产品质量不稳定,使 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 16 得产品的开发、研究、推广和销售都受到了很大影响。如果国内企业在实 验室建设方面加以重视,走产、学、研相结合的道路,将对我国金刚石聚晶 的理论研究和实际生产起到很大的促进作用,金刚石聚晶产品必将得到更广 泛的应用。 1.6研究目的及意义研究目的及意义 随着现代制造业的发展，高速拉丝机得以广泛使用，如何提高模具使 用寿命，降低生产成本，成为金属线材行业普遍关注的课题。而拉丝模坯 质量的好坏直接影响拉丝质量及拉丝模具的使用寿命等。近年来，聚晶金 刚石拉丝模正以其高强度、高耐磨性以及优良的性价比等特点越来越受到 拉丝行业的青睐。而国产聚晶金刚石拉丝模芯与国外先进的同类产品相比， 无论是在产品力学性能还是在系列化程度的开发等方面上都存在这较大差 距。因此，如何提高国产聚晶金刚石拉丝模芯的质量水平，追赶甚至超过 国外同等产品，以打破其技术垄断，降低生产成本，成为国内拉丝模生产 企业迫切关注的问题。 本课题将在前人已有基础上对 PCD 拉丝模坯的高压合成工艺（如合成 压力、温度、时间等） 、原料中金刚石晶粒粒度、粘结剂配方等的方面进 行研究，并对其微观结构和力学性能进行分析，探寻出较为合适的工艺参 数及原料配方，以期获得性能优异的 PCD 拉丝模坯材料，提高我国拉丝 行业的科技竞争力。 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 17 2 实验准备过程与测试方法实验准备过程与测试方法 2.1实验材料及设备实验材料及设备 （1）实验材料及设备 本文采用平均粒径为5m的金刚石微粉作为实验原材料。 合成金刚石设备，是生产金刚石的重要手段，根据生长原理的不同， 设备也不同，按原理不同，可分为三大类型:即静压法合成金刚石超高压设 备，动压法合成金刚石的爆炸设备，气相沉积法的低压高温设备，其中静 态超高压装置发展最快，其主要类型有两面顶压机、四面顶压机、六面顶 压机23。两面顶压机有对顶式、年轮式和活塞式；四面顶有单压源紧装式、 多压源铰链式、多压源拉杆式和滑块式；六面顶压机有单压源聚凑式、单 压源铰链式、单压源立体式、单压源立体式、单压源皮囊式、多压源铰链 式、多压源拉杆式、静水压切球式和滑块式。尽管上述超高压设备种类很 多，但应用于生产的主要是年轮式两面顶高压装置和铰链式六面顶高压装 置。本实验使用的是桂林冶金机械总厂生产的CS-4A铰链式六面顶液压机 24。 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 18 图4 .六面顶压机设备图以及顶锤位置示意图 （2）测试分析设备 北京市电加工研究所BDMT-JP903型聚晶金刚石镜面抛光机 日本HITACHI S-3400N 型扫描电镜 日本理光D/max-rA 12KW X射线衍射仪 日本SEIKO公司的TG/DTA6300热重示差热综合分析仪 上海恒一公司的FV-700数字显微维式硬度计 河南郑州三磨所JS712A 型磨耗比测定仪 江苏大丰华宇机械制造有限公司M618型平面磨床 2.2 PCDPCD 拉丝模坯制备过程拉丝模坯制备过程 (1)金刚石净化处理 用金刚石微粉在高压高温下直接烧结或掺入结合剂在高温高压下烧结 所获得的材料的强度和耐磨性较差。研究发现把金刚石微粉进行表面处理， 然后再把这种处理过的金刚石微粉进行高温高压烧结，获得的材料的强度 和耐磨性很高。 a.化学法 将1份金刚石与4-5份固体NaOH或KOH，放入长颈的银或镍坩埚中， 在坩埚式炉中加热至870K左右，使碱液呈粉红色后停止加热，在碱液未凝 固前，倒在不锈钢板上，然后将冷凝块放入容器中用水溶解，倒去溶液后 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 19 用酸中和，这样便去除了样品中残留的叶腊石等杂质，再用王水或其他酸 加热煮去残留金属杂质，并用蒸馏水洗至中性，干燥后放入干燥容器内备 用。 b.物理法 将金刚石粉末经真空（133.310-2-10-7Pa）/低于大气压的惰性气氛下 温度770K左右处理，可清除吸附在金刚石表面的各种碳氢化合物及氧等。 净化后的粉料，可放在充有氮气等惰性气体保护的清洁的干燥容器中或直 接使用，或将处理后的粉料用电子束焊密封后，直接放入高压腔进行合成。 (2)混料 聚晶金刚石的结合方式主要有两种，一种是直接对金刚石颗粒进行高 压烧结（D-D结合） ，此方法实施起来较为困难，在烧结过程中必须施以非 常高的压力以防止原料金刚石在高温下发生石墨化，这在高压装置方面有 很大困难。所以工业上常使用添加金属媒助剂进行烧结（D-M-D结合） ， 我们此次的实验使用Co作为粘结剂进行烧结。 要想得到高质量的聚晶金刚石，就要使Co粉和金刚石微粉均匀混合， 混合的方法有3种： 直接使用Co粉与金刚石微粉混合 以Co片得方式放在金刚石微粉的上面，在烧结时Co片熔化（Co的熔 点为1336）然后以扩散渗透的方式进入金刚石层，此方法成为扫越法。 将第一种和第二种方法一起使用。 我们的此次实验采用第二种方法，在烧结时采用扫越法。 (3)真空热处理 将已混好的掺入结合剂的金刚石粉料先装入石墨杯中，然后将装好料 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 20 的石墨杯置于真空炉内进行真空热处理，去除粉料表面吸附的氧、水蒸气 等，并使其表面具有较好的反应活性。加热期间，真空炉内最高温度为 650，真空度为310-3Pa。 (4)高压烧结 本实验采用的金刚石微粉粒度为5m；粘结剂为钴片，钴占总质量的 20wt%，以烧结温度和烧结时间作为变量进行对比实验，压力恒定为 5.7GPa。具体实验方案见表3。 表3 实验方案 序号烧结温度（）烧结时间（秒）冷却时间（秒） 1155013040 2155015040 3155017040 4155018040 5155019040 6155020040 7155021040 8135018040 9145018040 10150018040 11152018040 1215501804014162018040 2.3 实验测试方法与分析实验测试方法与分析 2.3.1扫描电镜（扫描电镜（SEM）及能谱（）及能谱（EDS）分析）分析 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 21 首先采用聚晶金刚石镜面抛光机对PCD拉丝模坯样品进行机械抛光， 直到表面达到镜面，露出金刚石晶面，再利用扫描电镜进行微观形貌观察， 观测晶粒大小，分布均匀性等，然后采用能谱分析研究模坯样品内各粘结 相元素的含量，明确粘结剂成分差异，从而得出不同样品微观形貌及成分 的区别。 2.3.2显微维氏硬度显微维氏硬度 硬度是材料的一种重要力学性能，在实际应用中，由于测量方法不同， 测得的硬度所代表的材料性能也各异。对于陶瓷类材料使用的硬度反映材 料抵抗破坏的能力。一般无机材料常用显微硬度法测量。将PCD拉丝模坯 样品用聚晶金刚石镜面抛光机进行表面抛光，直至表面出现镜面光泽。用 FV-700数字显微维式硬度计测定样品的显微硬度。压头所加载荷为1kgf， 加载时间为10 s。在样品表面测量中心及边缘2个点的硬度值。然后取其算 术平均值作为该试样的硬度值。 图5. FV-700数字显微维式硬度计 2.3.3磨耗比磨耗比 我国对PCD耐磨性的检测普遍采用JS712A 型磨耗比测定仪对PCD的 耐磨性进行测试。如图6所示，使用JS712A 型磨耗比测定仪在规定的条件 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 22 下，使人造金刚石烧结体和80#粒度的碳化硅陶瓷平行砂轮在规定的装置 上相互摩擦，以砂轮的磨耗量Ms和烧结体的磨耗量Mj之比，这个比值就 称为该烧结体的磨耗比Q值，计算公式见式（2-1） 。 （2-1） Ms Q Mj 图 6 PCD 材料耐磨性测试方法示意图： 1-标准碳化硅砂轮；2-PCD 样品；3-夹具；4-液压装置；5-配重 按照中华人民共和国机械工作部部颁布标准JB3235-83其测试条件为： 砂轮线速度：25m/s；磨耗量：砂轮磨耗量不低于25g，试样磨耗量不低于 0.20mg；选用进给压力W 为100gf。 其测试步骤为：a：清理砂轮和试样，调整砂轮线速度到25m/s；b：用 感量0.01mg 分析天平称量烧结体为Mj;用感量为0.5g 工业天平称量砂轮， 重量为Ms1；c：托盘每降0.5mm 调整一次转速，使线速度为25m/s，并加 100gf 的负荷，当降到适当位置时，抬起托盘，使烧结体脱离砂轮。停车 后卸下砂轮，并称起重量为Ms2，卸下烧结体，清除表面粉尘至恒重，称 其质量Mj2，计算砂轮和烧结体的磨耗量： Ms=Ms1Ms2 （2-2） Mj=Mj1Mj2 （2-3） 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 23 把式（2-2） 、 （2-3）代入式（2-1）中即得到样品的磨耗比值。 3 PCDPCD拉丝模芯的合成工艺研究拉丝模芯的合成工艺研究 3.1 烧结时间对烧结时间对PCDPCD拉丝模芯力学性能的影响拉丝模芯力学性能的影响 本实验的前7组试样是以烧结时间作为变量的，烧结温度为1550，压 力恒定为5.7GPa，冷却时间为40秒。试样的测试结果如下： 表4.不同烧结时间的PCD测试结果 显微硬度 HV磨耗比 Q/104 试样 编号 烧结 时间 /s 边缘 处 1/2 半径处 中心 处 平均 值 边缘处中心处平均值 1#13056004573423969862.31.62.0 2#15066566334588162909.57.68.6 3#170663960576280632510.18.59.3 4#180727469536730698613.411.310.9 5#19067125991642763779.19.49.3 6#20065896290603163038.97.18.0 7#21066046357621263918.47.37.9 3.1.1 烧结时间对显微维氏硬度的影响烧结时间对显微维氏硬度的影响 图 7 为上述不同烧结时间下的试样显微维氏硬度的平均值与烧结时间 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 24 的关系。从图中可以看出，在本实验烧时间度所选范围 130s-210s 内，烧 结试样的显微维氏硬度的最大值在 180s 时取得，为 6986，烧结时间为 130s 时试样取得显微硬度的最小值 4804。观察发现，烧结试样的显微硬 度随着烧结时间的增加显著增加，在 180s 达到了最大值，此后随着烧结 时间的延长显微硬度出现了下降，但随着时间的继续延长下降趋于平缓。 图 8 为不同烧结时间的 PCD 拉丝模芯分别在试样边缘处、试样 1/2 半径处 以及试样中心处的显微维氏硬度柱状对比图，从图 8 中可以看到试样边缘 处硬度最大，中心处硬度最低，且随着烧结时间的延迟试样各处的硬度差 异也趋于缓和。 图7.不同烧结时间下试维氏硬度均值 中国矿业大学（北京）2011 届本科生毕业设计（论文） 25 1234567 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 显微硬度HV 试样号 边 缘处 1/2半 径 中心处 图8.不同烧结时间下试样各处的硬度 3.1.2 烧结时间对磨耗比的影响烧结时间对磨耗比的影响 图 9 为上述不同烧结时间下的试样磨耗比的平均值与烧结时间的关系。 从图 9 中可以看出，烧结试样的磨耗比的最大值在 180s 时取得，为 10.9104，烧结时间为 130s 时试样取得显微硬度的最小值 2.0104。观 察发现，烧结试样的磨耗比随着烧结时间的增加显著增加，在 180s 达到 了最大值，此后随着烧结时间的延长磨耗比出现了下降，但随着时间的继 续延长下降趋于平缓。图 10 为不同烧结时间的 PCD 拉丝模芯分别在试样 边缘处和试样中心处的磨耗比柱状对比图，从图 10 中可