专利名称：金刚石烧结体拉拔模用材料及金刚石烧结体拉拔模的制作方法
技术领域：
本发明是涉及金属线、不锈钢线等各种线材及管的拉拔加工中所使用的金刚石烧结体拉拔模及金刚石烧结体拉拔模用材料。
背景技术：
作为线材或管的拉拔用的拉拔模用材料，已知的有天然金刚石、人造单晶金刚石及金刚石烧结体等。在使用金刚石烧结体的拉拔模用材料中，有将金刚石烧结体的外周部用超硬合金等支撑环包围增强的拉拔模，与无支撑环的模。一般地，无支撑环的模是使用金刚石烧结体的直径为6mm以下的小外径模。
无支撑环的金刚石烧结体，是埋在Ni及Cu的粉末中烧结而成拉拔模用材料。此时，金刚石烧结体与金属粉末的烧结体是冶金结合。为了得到与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进行埋入。
与此相比，外径为7mm以上的金刚石烧结体，一般是设有支撑环。支撑环是为了防止金刚石烧结体由拉拔而扩大的增强材料。
图2是历来的金刚石烧结体拉拔模，表示了在由超硬合金制的支撑环2所增强的金刚石烧结体1的金刚石烧结体拉拔模材料的中心部具有模孔4的金刚石烧结体拉拔模。由于金刚石烧结体是在超高压高温烧结，所以与超硬合金是冶金结合。
通常是在带支撑环的金刚石烧结体的中心部由放电加工等手段开下孔，其后经研磨而完成。在该过程中，在拉拔模的内面发生了与孔垂直的裂纹成为不合格品。成品率通常仅有70％～80％，非常低，历来为了解决这一问题而进行了种种尝试。然而，至今该问题并未得到解决，仍是该行业中所公认的问题。
历来的带有支撑环的金刚石烧结体拉拔模用材料，是在超硬合金制的箱体中装入金刚石颗粒及烧结体原料的混合物，以及必要的结合材料Co板。在超高压、高温下烧结而得到。所以，箱体的超硬合金与金刚石烧结体在超高压、高温下冶金结合。由于超硬合金比金刚石烧结体的热膨胀系数大，所以降温后在金刚石烧结体的径向残留有压缩残余应力。在拉拔时，该力能够紧固金刚石烧结体而增强。
但是，上述热应力在拉拔模的高度方向上也存在。由于支撑环在高度方向也收缩，所以在金刚石烧结体的中心部开孔的孔表面残留有高度方向的拉伸应力。因此，在金刚石烧结体的中心部开孔时，容易在与金刚石烧结体的孔垂直的方向上产生裂纹。即使是在开孔前没有裂纹，也必须考虑开孔后由于应力失去平衡而发生裂纹。
同样，在Ni及Cu等的粉末烧结体中埋入的金刚石烧结体的情况下，也会在拉拔模孔的表面产生拉伸应力。
本发明是为了解决这些历来的问题而提出的。
发明内容
本发明是涉及一种金刚石烧结体拉拔模用材料以及使用其的拉拔模，该金刚石烧结体拉拔模用材料是由金刚石烧结体与支撑环所构成，该支撑环是由W合金制的圆筒，其内径具有锥度，具有与该圆筒体的锥度相嵌合的锥度的金刚石烧结体被压入该支撑环。
所述金刚石烧结体中金刚石的含量优选为70～95体积％(体积百分数)。而且，所述金刚石烧结体的锥面是放电加工面。
优选所述W合金含W为90～98.2重量％，含Ni为1.8～10重量％。
进而所述Ni的一部分可以由Cu、Co、Fe中所选择的一种以上所置换，其中相对于W合金的各含有量如下Cu0～2.5重量％，Co0～1.7重量％，Fe0～2.8重量％。更优选Ni的范围为1.8～7.5重量％。
本发明在上述金刚石烧结体拉拔模用材料的中心部开孔，能够得到金刚石烧结体拉拔模。此时，所述金刚石烧结体的外径大的一侧是拉拔的入口。
图1是由本发明所得到的金刚石烧结体拉拔模的截面图。
图2是超硬合金与金刚石烧结体在烧结时结合的历来的金刚石烧结体拉拔模的截面图。
图3是表示应力状态的概略截面图，左侧是历来的拉拔模，右侧是本发明的拉拔模。
具体实施例方式
图1是由本发明所得到的金刚石烧结体拉拔模的截面图，图2是超硬合金与金刚石烧结体在烧结时结合的历来的金刚石烧结体拉拔模的截面图，图3是表示应力状态的概略截面图，左侧是历来的拉拔模，右侧是本发明的拉拔模。
为了把握历来的问题关键，对原因进行了研究。历来的烧结时将超硬合金结合于外周部的金刚石拉拔模用烧结体，温度降到常温时，在径向收缩的同时，高度方向上也收缩。图3是金刚石烧结体拉拔模的截面图，表示了由有限元法计算的应力状态的结果。图的左侧是表示历来的拉拔模的残余应力，右侧是表示关于本发明的拉拔模的残余应力的图。图中涂黑的部分5，是残余张应力高的部分。
由图3可知，历来的金刚石烧结体，在拉拔用孔的入口表面部与最小孔径的表面部残留拉伸应力。而且，在进行模孔的加工时，在该部分发生与孔垂直方向上的裂纹的频率也高。
为了解决上述问题，最重要的是，采用金刚石烧结体与支撑环之间是非冶金结合的结构。一个被考虑的方法是，通过将金刚石烧结体在工具钢等金属制的支撑环中热压配合而防止冶金学的结合，使用这样的方法能得到的金刚石烧结体拉拔模，都是有破损，不能实用于拉拔。其理由被认为是由于紧固强度不足。
而且，为了进行热压配合，必须正确地精加工金刚石烧结体的外径尺寸。但是由于金刚石烧结体是难加工性，很难廉价地加工到热压配合所必要的尺寸精度，这也是不能够实用化的很大理由之一。
由于本发明是如图1所示将带有锥度3、成为圆台的金刚石烧结体1压入带锥度的支撑环2，所以能够确保周向的紧固力。因此，在拉拔时对于半径方向的力有增强的关系。而且，由于是压入，所以在高度方向上残余应力小，即使在开孔加工时也不会发生裂纹。还有，金刚石烧结体由于压入与支撑环的W合金不是冶金学结合。本发明的金刚石烧结体拉拔模的应力状态示于图3的右侧。在拉拔模孔的表面部没有残余应力，即使是在拉拔模孔加工时也不会发生水平裂纹。
包围金刚石烧结体1的支撑环的材料，优选是为了强力紧固金刚石烧结体的拉伸弹性模量高的材料。超硬合金是其中一个候补。但是，由于超硬合金含有硬度高的WC，是难加工性材料，所以锥度加工费非常高。
所以，在本发明中，能够使用以下所说明的加工性优异、拉伸弹性模量高的W合金。优选W合金含有90～98.2重量％的W，1.8～10重量％的Ni。进而，所述Ni的一部分可以由从Cu、Co、Fe所组成的群中选择的一种以上的元素所置换。这里，各自的含量相对于W合金来说如下。
Cu0～2.5重量％；Co0～1.7重量％；Fe0～2.8重量％。
该合金可以用作自动手表的摆锤，是含W且容易加工的材料。而且由于含W，所以其热膨胀系数小，在作为拉拔模使用时，对于从室温到350℃的温度变化，应力状态都不发生大的变化。而且可以将该材料与金刚石烧结体进行热压配合。
而且在本发明中，还可以使用不锈钢来取代上述W合金。作为不锈钢优选使用屈服强度较高的马氏体系的不锈钢，特别是在作为大直径的拉拔模而使用时能够降低制造成本。
本发明的金刚石烧结体，金刚石的含有量在70～95体积％的范围比较合适。不到70wt％时材料的耐磨性低劣，而超过95wl％时烧结体的导电性下降，难以进行放电加工等。
本发明在拉拔线径大的材料时特别有效，适用的范围没有限定。如果说到优选的范围，支撑环的外径为14.5～35mm，其中压入的金刚石烧结体的外径为9～19mm，高度为7.5～19mm的大小最为合适。在金刚石烧结体的外径不到9mm的情况下，烧结体的单价便宜，难以与本发明的压入型的方法在价格上相对应，而且，在外径超过19mm的情况下，是通常工业上使用压延辊将线径减小的范围。但是，由于使用拉拔模能够提高品质，所以根据用途，例如即使是外径为19mm以上，也可以使用拉拔模。
无支撑环的金刚石烧结体与有支撑环的金刚石烧结体相比，由一次的超高压、高温烧结所得到的金刚石烧结体的获得量多。由于超高压、高温烧结使用大的设备，所以一次的烧结体的收得量对拉拔模的成本有很大的影响。本发明由于是从圆板状的金刚石烧结体，由一般的放电线切割而切出带锥度的圆锥台，将其压入带锥度的支撑环而得到金刚石烧结体拉拔模材料，所以容积效率(体积利用率)很高。与此相比，在历来的例中，由于支撑环与金刚石烧结体是同时烧结，所以容积效率差。
本发明的另一特征是压入的金刚石烧结体的锥面可以是放电加工原封不动的状态。历来，放电加工的尺寸精度差，难以高精度地得到向支撑件的压入。本发明者们对放电加工的条件进行了各种研究，仅由放电加工就能够得到0.01mm的精度。
在历来的放电加工的金刚石烧结体的表面，形成数μm厚的表面变质层，如果不去除该层，就不能进行压入。而且，为了去除，只能考虑研磨加工。本发明者对放电加工的条件进行了各种研究，从金刚石烧结体的圆板切断圆锥台后，进而通过减小电流进行放电加工，极力减薄表面变质层，获得了成功。
而且，作为锥度的大小，优选在1/100到5/100的范围。小于1/100时，由于锥度的紧固力不足，且不是冶金结合，所以在拉拔模使用时，有金刚石烧结体从支撑环沿拉拔方向拔出的可能性。而且，超过5/100时，压入时的摩擦力增大。金刚石烧结体有破损的可能性，更优选是在2/100～4/100的范围内。
实施例1粒径为5μm～25μm的金刚石粉末与Co粉混合，且使金刚石粉末的体积分数为90体积％～92体积％，在球磨机中混合与破碎。将该粉末装入W制的容器中，其上进而放置Co板，在温度1500℃、5GPa的压力下烧结。从该烧结体的表面研磨去除W制的容器后得到圆板。由放电加工，用线放电加工切断为锥度小的一方(截锥)的直径为16mm，厚度为16mm，具有3/100的锥度的圆锥台。切断后进一步减小电流，由放电加工去除放电加工变质层与切断残留部。所谓切断残留部，是指线放电加工的线的开始点与终点之间所生成的凸部。这样，制作了10个金刚石烧结体拉拔模用材料。
另一方面，将95.4重量％的W、3.05重量％的Ni与1.55重量％的Fe的粉末混合，在氢气气氛中烧结，制作了外径为25mm，厚度为16.5mm的10个烧结体。将该烧结体加工成外径为24.13mm，锥度小的一方(截锥)的内径为16mm，厚度为16mm。内径加工为具有3/100的锥度。
将所得到的金刚石烧结体与支撑环嵌合，以总加重6吨将二者压入，得到金刚石烧结体拉拔模用材料。为了使材料上下相反，突出金刚石烧结体，3.5吨的总加重是必要的。
在10个金刚石烧结体拉拔模用材料上，加工直径为6mm的拉拔用模孔，金刚石烧结体的锥度大的一方作为拉拔的入口。10个全部是合格品，没有与孔垂直的裂纹。而且，还进行了铜管的拉拔。
实施例2在实施例1中，仅对W合金的成分做如表1所示的变化，分别制作了10个支撑环。与实施例1同样将制作的金刚石烧结体嵌合于所述支撑环，分别进行了10个拉拔模的加工制作。孔中没有水平裂纹，每一个都是合格品。
表1％表示重量％
如以上的说明，本发明是提供大线径材料的拉拔时所必要的大型拉拔模。就是说，由于应力的平衡良好，所以即使是在拉拔模加工时也不破损。历来是没有办法用低成本率来进行制造，但根据本发明，能够使成品率大大提高，具有能够在工厂等容易建立生产计划等优异的效果。
权利要求
1.一种金刚石烧结体拉拔模用材料，其特征在于由金刚石烧结体与支撑环所构成，该支撑环是W合金或不锈钢制的圆筒体，其内径具有锥度，具有与该圆筒体的锥度相嵌合的锥度的金刚石烧结体被压入该支撑环。
2.根据权利要求1所述的金刚石烧结体拉拔模用材料，其特征在于所述金刚石烧结体中金刚石的含量为70～95体积％。
3.根据权利要求1所述的金刚石烧结体拉拔模用材料，其特征在于所述金刚石烧结体的锥面是放电加工面。
4.根据权利要求1所述的金刚石烧结体拉拔模用材料，其特征在于所述W合金含W为90～98.2重量％，含Ni为1.8～10重量％。
5.根据权利要求4所述的金刚石烧结体拉拔模用材料，其特征在于所述Ni的一部分可以由Cu、Co、Fe中所选择的一种以上所置换，各自相对于W合金的含有量如下Cu0～2.5重量％，Co0～1.7重量％，Fe0～2.8重量％。
6.一种金刚石烧结体拉拔模，其特征在于由金刚石烧结体与支撑环所构成，该支撑环是W合金制圆筒体，其内径具有锥度，具有与该圆筒体的锥度相嵌合的锥度的金刚石烧结体被压入该支撑环，在该金刚石烧结体的中心部加工有拉拔所用的孔。
7.根据权利要求6所述的金刚石烧结体拉拔模，其特征在于所述金刚石烧结体的外径大的一方是拉拔的入口。
8.根据权利要求6所述的金刚石烧结体拉拔模，其特征在于所述金刚石烧结体的锥面是放电加工面。
9.根据权利要求6所述的金刚石烧结体拉拔模，其特征在于所述W合金含W为90～98.2重量％，含Ni为1.8～10重量％。
10.根据权利要求9所述的金刚石烧结体拉拔模，其特征在于所述Ni的一部分可以由Cu、Co、Fe中所选择的一种以上所置换，其中，各含有量如下Cu0～2.5重量％，Co0～1.7重量％，Fe0～2.8重量％。
全文摘要
本发明涉及一种金刚石烧结体拉拔模用材料以及金刚石烧结体拉拔模，其特征在于该金刚石烧结体拉拔模用材料由金刚石烧结体与支撑环所构成，该支撑环是W合金制的圆筒体，其内径具有锥度，具有与该圆筒体的锥度相嵌合的锥度的金刚石烧结体被压入该支撑环。而且本发明还提供在该金刚石烧结体拉拔模用材料的中心部加工模孔而成的金刚石烧结体拉拔模。而且，为了更廉价地制造，金刚石烧结体的锥面是放电加工面。W合金含W为90～97重量％，含Ni为3～10重量％。由此提供在拉拔模加工时不发生破损的金刚石烧结体拉拔模用材料及金刚石烧结体拉拔模。
文档编号B21C3/00GK1691993SQ0380329
公开日2005年11月2日 申请日期2003年5月23日 优先权日2002年5月31日
发明者吉田稔, 中岛猛, 山口忠士 申请人:住友电气工业株式会社