一种陶瓷拉丝模具制备方法与流程

技术领域：

本发明属于新材料模具制备技术领域，涉及一种陶瓷拉丝模具制备方法，以两相复合陶瓷材料zta(氧化锆增韧氧化铝陶瓷)为原料，采用凝胶注模+静压成型和常规烧结+微波烧结技术制备陶瓷拉丝模具。

背景技术：
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金属拉丝模用材质主要有三种：硬质金属(wc-co)、聚晶(pcd)、钻石(nd)，硬质合金和钻石是传统的模具材质，自四十年代以来，硬质合金模一直在拉丝用模中占主导地位，硬质合金模的特点是强度和韧性好、耐磨性优良、修模方便、相对成本较低，绝大部分规格的模具至今仍是采用这类材质，但是，由于硬质合金是由wc和co经高温烧结而成，co含量一般为3—18左右，在拉丝过程中，金属钴易于与被拉线材在某些区域发生“微观热焊合”而产生粘着磨损或者发生塑性形变，使“网状碳化钨”或“孤岛状碳化钨”断裂损坏，导致模具磨损失效；聚晶(pcd)是七十年代发展起来的一种新型耐磨材料，由金刚石微晶体掺粘接金属，经过高温高压制成，用聚晶制的拉丝模机械强度良好，由于金刚石微晶体在成型过程中的随机取向克服了单晶体各向异性引起的偏磨性，所以，聚晶模耐磨性极好，是硬质合金模的20—200倍，聚晶模的使用效果甚至优于钻石模，但是聚晶生产成本高，设备复杂，投资大，聚晶模硬度高给修模带来了很大困难，修模时间和费用大大高于硬质合金模，一般聚晶模的修理费用约为其价格的三分之一；钻石模则由于成本昂贵，加工困难，仅在部分生产细丝的成品模上应用。

陶瓷材料在制造拉丝模方面与金属相比具有很多优良的特点，并且，原料成本远低于硬质合金、聚晶和天然钻石；陶瓷模的硬度虽略高于硬质合金，但大大低于聚晶模，试验证实，利用原硬质合金修模手段修理陶瓷模的质量完全符合要求，而且，对于使用陶瓷模无需添置设备和增加修模成本；国内企业至今没有普遍使用的原因就在于：虽然制作陶瓷拉丝模具的原料成本较低，但是延用硬质合金模的制作工艺(即烧成后进行打孔和研磨的工序)制作陶瓷拉丝模具的成本却很高，对陶瓷材料来讲，烧成后材料硬度高，研磨困难，所以，传统的加工方法工艺成本太高，难以推广使用。因此，研发一种低成本、高可靠性和使用性能的陶瓷拉丝模具制备方法，制备取代金属拉丝模具的陶瓷拉丝模具，有利于陶瓷拉丝模具的批量化推广使用，促进科学研究成果迅速转化为商品，具有很好的规模化产业化前景。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种低成本、高可靠性和使用性能的陶瓷拉丝模具制备方法，制备取代金属拉丝模具的陶瓷拉丝模具，有利于陶瓷拉丝模具的批量化推广使用。

为了实现上述目的，本发明涉及的陶瓷拉丝模具制备方法的工艺过程包括悬浮液制备、生坯成型、常规烧结和微波烧结共四个步骤：

(一)、悬浮液制备：将丙烯酰胺单体与n，n’亚甲基双丙烯酰胺按照17:1的质量比混合制备得到混合体，再将混合体与水按照18：85的质量比混合制备得到预配液，在预配液中加入0.5％质量份数的分散剂、纯度大于99％和粒度小于0.5μm的粉状3y-tzp与纯度为99％和粒度为1μm的粉状al2o3配制成ph值为9.5和固相体积分数大于50％的悬浮体，将悬浮体置于球磨机中混合12小时后得到粘度小于300mpa.s的水体系陶瓷浆料悬浮液，混合体在水体系陶瓷浆料悬浮液中的质量百分比为3％，完成悬浮液的制备；

(二)、生坯成型：在悬浮液中加入1％质量份数的引发剂后浇注到成型模具中,放入烘箱中将烘箱的温度设定为60℃的使悬浮液凝胶化为凝胶体，再对凝胶体进行250mpa的冷等静压保压8-15分钟，形成陶瓷拉丝模的生坯；

(三)、常规烧结：将生坯置于升温速率为150℃/h的常规烧结设备中升至900℃，保温1小时，完成常规烧结；

(四)、微波烧结：再将生坯置于升温速率为15℃/h的微波烧结装置中升至1500℃，保温30分钟，完成微波烧结。

本发明涉及的分散剂为质量百分比浓度为5％的聚甲基丙烯酸铵溶液；引发剂为质量百分比浓度为5％的过硫酸铵水溶液。

本发明制备的陶瓷拉丝模具中的3y-tzp体积百分比分别为5％vol、10％vol、15％vol和20％vol。

本发明涉及的微波烧结装置的主体结构包括磁控管、微波电源、环形器、水负载、四桩调谐器、加热腔、负载、天线阵、转动支架和托盘；设置有磁控管的微波电源与环形器的左端管道式连接，环形器的下端设置有水负载，环形器的右端与四桩调谐器的左端管道式连接，四桩调谐器的右端与内空式矩形结构的加热腔管道式直角连接，设置有负载加热腔的顶端设置有天线阵，加热腔的底端设置有转动支架，转动支架的顶端设置有圆形板状结构的托盘；磁控管发射的微波频率为2.45ghz；微波电源的最大输出功率为5kw；环形器用于将负载的反射波送入水负载，使其不致返回磁控管，以保护磁控管；水负载用于吸收环形器送入的反射波；四桩调谐器用于控制加热腔使负载的反射波最小；加热腔的材质为不锈钢；天线阵用于汇聚微波并使微波顺利进入加热腔；转动支架用于旋转和支撑托盘，使托盘在转动支架的带动下做圆周运动；托盘用于承载被烧结的物品。

本发明涉及的微波烧结是通过微波能激励被烧结材料内部的电偶极矩的极高频率的振动产生热效应，属于整体性的均匀加热，同时因为被烧结材料对电磁场的响应时间极短，加热速度快，通过电磁场直接对被烧结材料的内部加热，使被烧结材料的温度梯度小,加热均匀,抑制晶粒的过分长大，进一步提高被烧结材料的性能指标，节能环保。

本发明涉及的陶瓷拉丝模具的实验过程为按照陶瓷拉丝模具制备方法的工艺过程制备3y-tzp含量分别为5、10、15和20vol％的陶瓷拉丝模具，采用常规的实验方法和设备测试陶瓷拉丝模具的相对密度、硬度、抗弯强度和断裂韧性；3y-tzp的含量大于10vol％时，陶瓷拉丝模具的相对密度达到99％以上，此后陶瓷拉丝模具的相对密度增加幅度变小；3y-tzp的含量变化对陶瓷拉丝模具的抗弯强度的影响不明显；3y-tzp的含量大于10vol％时，陶瓷拉丝模具的硬度下降，原因是3y-tzp本身硬度较低；3y-tzp的含量小于10vol％时，陶瓷拉丝模具的断裂韧性增加明显，3y-tzp的含量大于10vol％时，陶瓷拉丝模具的断裂韧性增加不明显，原因是3y-tzp的含量大时，陶瓷拉丝模具的相对密度也大，由于弹性模量大的al2o3对3y-tzp的约束，在外加应力的作用下，可相变的四方相体积分数并不随3y-tzp的含量的增加而增加，因此，密度较高时，抗弯强度变化不大，断裂韧性虽有增加，幅度也不大；另外，微波烧结对陶瓷拉丝模具的磨擦性能有显著影响，能够显著提高陶瓷拉丝模具的耐磨性，因此，确定了用10vol％3y-tzp-al2o3为陶瓷拉丝模具的原料，并根据硬质合金拉丝模的技术标准，设计了能够一次成型出陶瓷拉丝模具的模孔和各个部分工作区的成型模具，用微波烧结方法，分别烧制成适用于拉丝铜和铝线材的陶瓷拉丝模具，共6个系列，分别为：10vol％3y-tzp-al2o3材料，定径区直径为1.13、10vol％3y-tzp-al2o3材料，定径区直径为1.16、10vol％3y-tzp-al2o3材料、定径区直径为2.79、10vol％3y-tzp-al2o3材料，定径区直径为2.82、10vol％3y-tzp-al2o3材料，定径区直径为3.15和10vol％3y-tzp-al2o3材料，定径区直径为3.18。

本发明与现有技术相比，以超细的氧化铝和3y-tzp微粉为原料，显微组织为均匀的细晶粒3y-tzp-al2o3，亚稳四方相氧化锆(t-zro2)粒子弥散于氧化铝基体中，原料具有强度高、耐磨性好，抛光性较好，磨擦系数小，耐腐蚀性高、自润滑性能好的特点，采用先进的等静压一次成型技术和微波烧结技术制备高温强度大、热震性好、耐磨损、耐腐蚀、尺寸稳定性好的陶瓷拉丝模具，烧结完毕后只需将陶瓷拉丝模具表面抛光即可使用，避免了烧结后的研磨加工工序，陶瓷模的耐磨晶体通过固相结合方式紧密结合陶瓷晶界接合强度增加，致密程度提高，陶瓷固相烧结，避免了金属粘接相的存在，使单位行程耐磨晶相比硬质合金明显多，提高了整体硬度，陶瓷晶界强度和韧性能抵抗住拉丝压应力和剪切的破坏，改变拉丝模的磨损机制，从而有效地提高陶瓷拉丝模具的使用寿命，使用寿命为硬质合金模的4-6倍，大大降低了陶瓷拉丝模具的制作成本，在提高陶瓷材料的性能指标、产品质量和生产效率的前提下，减少生产环节，以利于推广使用；其原理科学合理，操作性强，能耗低、成品率高、成本低，使用环境友好，有良好的工业应用前景。

附图说明：

图1为本发明的工艺流程框图。

图2为本发明涉及的微波烧结装置的主体结构原理示意图。

图3为本发明涉及的3y—tzp的含量与陶瓷拉丝模具的相对密度对应关系线图。

图4为本发明涉及的3y—tzp的含量与陶瓷拉丝模具的抗弯强度对应关系线图。

图5为本发明涉及的3y—tzp的含量与陶瓷拉丝模具的硬度对应关系线图。

图6为本发明涉及的3y—tzp的含量与陶瓷拉丝模具的断裂韧性对应关系线图。

图7为本发明涉及的陶瓷拉丝模具的实验过程示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及的陶瓷拉丝模具制备方法的工艺过程包括悬浮液制备、生坯成型、常规烧结和微波烧结共四个步骤：

(一)、悬浮液制备：将丙烯酰胺单体与n，n’亚甲基双丙烯酰胺按照17:1的质量比混合制备得到混合体，再将混合体与水按照18：85的质量比混合制备得到预配液，在预配液中加入0.5％质量份数的分散剂、纯度大于99％和粒度小于0.5μm的粉状3y-tzp与纯度为99％和粒度为1μm的粉状al2o3配制成ph值为9.5和固相体积分数大于50％的悬浮体，将悬浮体置于球磨机中粉碎12小时后得到粘度小于300mpa.s的水体系陶瓷浆料悬浮液，混合体在水体系陶瓷浆料悬浮液中的质量百分比为3％，完成悬浮液的制备；

(二)、生坯成型：在悬浮液中加入1％质量份数的引发剂后浇注到成型模具中,放入烘箱中将烘箱的温度设定为60℃的使悬浮液凝胶化为凝胶体，再对凝胶体进行250mpa的冷等静压保压8-15分钟，形成陶瓷拉丝模的生坯；

(三)、常规烧结：将生坯置于升温速率为150℃/h的常规烧结设备中升至900℃，保温1小时，完成常规烧结；

(四)、微波烧结：再将生坯置于升温速率为15℃/h的微波烧结装置中升至1500℃，保温30分钟，完成微波烧结。

本实施例涉及的分散剂为质量百分比浓度为5％的聚甲基丙烯酸铵溶液(pmaa-nh4)；引发剂为质量百分比浓度为5％的过硫酸铵水溶液。

本实施例制备的陶瓷拉丝模具中的3y-tzp(3％mol氧化钇作为稳定剂的四方相二氧化锆陶瓷)体积百分比分别为5％vol、10％vol、15％vol和20％vol。

本实施例涉及的微波烧结装置的主体结构包括磁控管1、微波电源2、环形器3、水负载4、四桩调谐器5、加热腔6、负载7、天线阵8、转动支架9和托盘10；设置有磁控管1的微波电源2与环形器3的左端管道式连接，环形器3的下端设置有水负载4，环形器3的右端与四桩调谐器5的左端管道式连接，四桩调谐器5的右端与内空式矩形结构的加热腔6管道式直角连接，设置有负载7加热腔6的顶端设置有天线阵8，加热腔6的底端设置有转动支架9，转动支架9的顶端设置有圆形板状结构的托盘10；磁控管1发射的微波频率为2.45ghz；微波电源2的最大输出功率为5kw；环形器3用于将负载7的反射波送入水负载4，使其不致返回磁控管1，以保护磁控管1；水负载4用于吸收环形器3送入的反射波；四桩调谐器5用于控制加热腔6使负载7的反射波最小；加热腔6的材质为不锈钢；天线阵8用于汇聚微波并使微波顺利进入加热腔6；转动支架9用于旋转和支撑托盘10，使托盘10在转动支架9的带动下做圆周运动；托盘10用于承载被烧结的物品。

本实施例涉及的微波烧结是通过微波能激励被烧结材料内部的电偶极矩的极高频率的振动产生热效应，属于整体性的均匀加热，同时因为被烧结材料对电磁场的响应时间极短，加热速度快，通过电磁场直接对被烧结材料的内部加热，使被烧结材料的温度梯度小,加热均匀,抑制晶粒的过分长大,进一步提高被烧结材料的性能指标，节能环保。

本实施例涉及的陶瓷拉丝模具的实验过程为按照陶瓷拉丝模具制备方法的工艺过程制备3y-tzp含量分别为5、10、15和20vol％的氧化锆增韧氧化铝陶瓷拉丝模具，采用常规的实验方法和设备测试陶瓷拉丝模具的相对密度、硬度、抗弯强度和断裂韧性，实验结果如附图所示：图3中，3y-tzp的含量大于10vol％时，陶瓷拉丝模具的相对密度达到99％以上，此后陶瓷拉丝模具的相对密度增加幅度变小；图4中，3y-tzp的含量变化对陶瓷拉丝模具的抗弯强度的影响不明显；图5中，3y-tzp的含量大于10vol％时，陶瓷拉丝模具的硬度下降，原因是3y-tzp本身硬度较低；图6中，3y-tzp的含量小于10vol％时，陶瓷拉丝模具的断裂韧性增加明显，3y-tzp的含量大于10vol％时，陶瓷拉丝模具的断裂韧性增加不明显，原因是3y-tzp的含量大时，陶瓷拉丝模具的相对密度也大，由于弹性模量大的al2o3对3y-tzp的约束，在外加应力的作用下，可相变的四方相体积分数并不随3y-tzp的含量的增加而增加，因此，密度较高时，抗弯强度变化不大，断裂韧性虽有增加，幅度也不大。另外，微波烧结对陶瓷拉丝模具的磨擦性能有显著影响，能够显著提高陶瓷拉丝模具的耐磨性，因此，确定了用10vol％3y-tzp-al2o3为陶瓷拉丝模具的原料，并根据硬质合金拉丝模的技术标准，设计了能够一次成型出陶瓷拉丝模具的模孔和各个部分工作区的成型模具，用微波烧结方法，分别烧制成适用于拉丝铜和铝线材的陶瓷拉丝模具，共6个系列，分别为：10vol％3y-tzp-al2o3材料，定径区直径为1.13、10vol％3y-tzp-al2o3材料，定径区直径为1.16、10vol％3y-tzp-al2o3材料、定径区直径为2.79、10vol％3y-tzp-al2o3材料，定径区直径为2.82、10vol％3y-tzp-al2o3材料，定径区直径为3.15和10vol％3y-tzp-al2o3材料，定径区直径为3.18。