聚晶金刚石的高压合成工艺研究毕业论文目录1 绪论·11.1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 实验过程及测试方法·182.1实验材料及设备 (18)2.2PCD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究·243.1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)3.3PCD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)3.3.3PCD拉丝模坯的能谱分析 (33)4PCD拉丝模坯高压烧结过程及机理 (35)4.1PCD拉丝模坯的烧结过程 (35)4.2PCD拉丝模坯的烧结机理 (36)5结论 (39)参考文献·40致谢·421 绪论1.1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。

图1 拉丝模工作简图1.2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，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，在径向围硬度差别很大，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，至今尚未获得大围应用。

各种拉丝模材料的优缺点对比见表1。

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，这种在金属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。