金屬線材行業(yè)是我國(guó)的主要傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，拉拔模具是金屬線材生產(chǎn)企業(yè)重要的易消耗品，拉撥模具的性能決定了金屬線材的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本。

      硬質(zhì)合金表面添加金剛石涂層可增強(qiáng)工具的耐磨性能，使其使用壽命大幅提高。應(yīng)用化學(xué)氣相沉積技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在形狀復(fù)雜工具上直接沉積金剛石膜，且成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，市場(chǎng)前景極佳。

      金屬(尤其是硬金屬及合金)的拉撥要求拉絲模孔表面具有高硬度、高耐磨性，以滿(mǎn)足金屬制品的尺寸精度和光潔度，并提高拉絲模的工作壽命。在傳統(tǒng)拉絲模行業(yè)，硬質(zhì)合金模具以其成本較低而得到廣泛應(yīng)用。但該模具易磨損，工作壽命較短，難以適應(yīng)高速拉拔的發(fā)展趨勢(shì)。金剛石涂層拉拔模具則以其優(yōu)異的機(jī)械和摩擦學(xué)特性被逐漸應(yīng)用于金屬線材及管材的高速拉撥領(lǐng)域。

      1.制備與性能

      目前，線材行業(yè)所用的模具主要為硬質(zhì)合金模具和聚晶金剛石模具兩大類(lèi)。硬質(zhì)合金模具壽命短，易粘料，生產(chǎn)效率低; 聚晶金剛石模具價(jià)格高，制作較大尺寸模具和異形模具非常困難，且韌性較差。應(yīng)用CVD金剛石涂層技術(shù)，制成金剛石涂層拉撥模具，克服硬質(zhì)合金拉拔模具不耐磨和聚晶金剛石拉拔模具韌性較差的缺點(diǎn)，成為新一代拉拔模具。本文擬用熱絲法制作金剛石涂層拉拔模具，用于氣體保護(hù)焊絲和不銹鋼絲拉拔，并檢測(cè)其使用性能，對(duì)其失效方式進(jìn)行分析。

      金剛石涂層拉絲模具在金屬制品生產(chǎn)廠家生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)際使用性能測(cè)試，以拉制合格絲材的模具使用壽命和絲材的尺寸穩(wěn)定性為主要指標(biāo)。

      (1)焊接絲材料拉撥

      金剛石涂層拉拔模具用于氣體保護(hù)焊絲拉拔，其性能特點(diǎn)如表1所示。從表1中可以看出，金剛石涂層拉拔模具的使用壽命遠(yuǎn)超過(guò)硬質(zhì)合金模具，且單產(chǎn)拉拔絲材量達(dá)到1000t，同規(guī)格的硬質(zhì)合金模具單次拉絲材量?jī)H為20—40t。另外，絲材生產(chǎn)效率也有一定提高，廢品率降低。金剛石涂層拉絲模具用于鍍銅焊絲拉拔同樣使用壽命高，單只規(guī)格為模具在測(cè)試中可拉制絲材量超過(guò)50t，是同規(guī)格硬質(zhì)合金模具的50倍。

      表1 金剛石涂層與硬質(zhì)合金拉拔模具性能對(duì)比

      (2)不銹鋼絲拉拔

      金剛石涂層拉拔模具用于不銹鋼絲拉拔，同樣具有優(yōu)良的性能，如表2所示，金剛石涂層拉拔模具的單次拉拔絲材量是同樣規(guī)格硬手質(zhì)合金的15倍，所拉制的克材尺寸穩(wěn)定性良好。

表2 金剛石涂層拉拔模具用于不銹鋼絲的主要性能

      (3)金剛石涂層拉拔模具的失效模式

      經(jīng)觀察，金剛石涂層拉拔模具在實(shí)際使用中，金剛石涂層拉拔模具的失效并非由于磨損導(dǎo)致尺寸變化過(guò)大，而是金剛石涂層部分脫落后暴露的粗糙面使絲材表面劃傷導(dǎo)致失效，與普通硬質(zhì)合金模具和聚晶金剛石模具的失效方式有本質(zhì)區(qū)別。

      胡東平等，通過(guò)實(shí)踐與分析得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

      (1)以硬質(zhì)合金拉拔模具為基體，表面沉積金剛石涂層，金剛石壓痕儀測(cè)試顯示，涂層的抗壓能力達(dá)1.5kN，表明結(jié)合力良好。

      (2)金剛石涂層經(jīng)掃描電鏡和原子力顯微鏡觀察結(jié)果表明，涂層顆粒的平均尺寸為0.1μm，加工后的粗糙度

      (3)制作的金剛石涂層拉拔模具用于拉制焊接金屬絲和不銹鋼絲，使用壽命達(dá)硬質(zhì)合金模具的15--50倍，性能明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金和聚晶金剛石拉拔模具。

      (4)金剛石涂層拉拔模具的失效主要是金剛石涂層部分脫落后暴露的粗糙面使絲材表面劃傷導(dǎo)致失效，其主要原因是硬質(zhì)合金基體和涂層以及界面存在的缺陷和內(nèi)應(yīng)力在超長(zhǎng)周期的應(yīng)力作用下演化成為裂紋。

      2.優(yōu)化分析

      隨著化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜技術(shù)的日益成熟，以硬質(zhì)合金拉撥模具為襯底，在其內(nèi)孔表面涂覆一層均勻的、附著力能滿(mǎn)足實(shí)際拉拔要求的金剛石薄膜技術(shù)已應(yīng)用于生產(chǎn)。

      但目前為止，有關(guān)金剛石涂層拉拔模具有限元仿真優(yōu)化的研究卻比較缺乏。于是楊曉靜等著重研究線材不同壓縮率時(shí)，金剛石涂層拉拔模具孔型參數(shù)對(duì)其拉拔過(guò)程的影響。并利用彈塑性有限元模型對(duì)銅材的整個(gè)拉拔過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，得到了銅材及金剛石涂層模具的軸向和徑向應(yīng)力分布規(guī)律。

      2.1正交實(shí)驗(yàn)分析

      (1)因素選擇：在金剛石涂層線材拉拔模具的拉拔中，為延長(zhǎng)模具使用壽命，獲得高質(zhì)量的拉拔線材，就必須深入研究涂層模具孔型參數(shù)對(duì)線材拉拔過(guò)程的影響。

      (2)極差分析：極差的大小反映了相應(yīng)影響因素作用的大小，極差大的因素表示不同水平下對(duì)分析結(jié)果的影響較大，是主要因素。無(wú)論壓縮率大小，工作錐半角都是影響銅材表面殘余應(yīng)力的主要因素，過(guò)渡圓弧半徑是影響模具涂層上最大等效應(yīng)力的主要因素。

      在相同拉撥條件下，隨著銅材壓縮率的增加，各因素銅材表面殘余應(yīng)力的極差值在增加，這表明壓縮率越大，各因素對(duì)銅材表面的殘余應(yīng)力的影響越顯著。

      在直徑相近的同一材質(zhì)線材的拉撥時(shí)，線材壓縮率越大，工作錐角也越大。同時(shí)考慮到線材表面殘余應(yīng)力隨壓縮率的增加而減小，因此在拉拔條件允許時(shí)盡量選取較大的線材壓縮率。

      (3)方差分析：無(wú)論線材壓縮率大小，合理的工作錐半徑過(guò)渡圓弧半徑的選擇可顯著減稅小銅材表面殘余應(yīng)力及模具涂層上最大等效應(yīng)力，從而獲得高質(zhì)量的拉拔線材凹及延長(zhǎng)模具壽命。

      2.2拉拔實(shí)驗(yàn)

      對(duì)不同壓縮率下優(yōu)化后的金剛石涂層模具進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金模具銅材約為400t,而相同拉拔條件下，優(yōu)化的金剛石涂層模具的銅材產(chǎn)量為4000t。因此，相對(duì)于硬質(zhì)合金模具而言，在銅材拉拔中金剛石涂層模具的壽命可以提高10倍。同時(shí)，由于金剛石涂層的優(yōu)異性能，拉拔銅材的表面光潔度也有很大改善。

      2.3結(jié)論

      采用正交實(shí)驗(yàn)法模擬分析了不同壓縮率下金剛石涂層模型孔型參數(shù)工作錐半角、過(guò)渡圓弧半徑、定徑帶長(zhǎng)度遠(yuǎn)對(duì)銅材拉拔過(guò)程的影響，得出以下結(jié)論：

      (1)通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)分析得到不同壓縮率下金剛石涂層拉拔模具的最佳孔型參數(shù)：壓縮率為13.7%時(shí)，模具工作錐半角為60，過(guò)渡圓弧半徑為4mm，定徑帶長(zhǎng)度為4.5mm; 壓縮率為25.8%時(shí)，模具工作錐半角為70，過(guò)渡圓弧半徑為3mm，定徑帶長(zhǎng)度為4.5mm。

      (2)由極差分析知，當(dāng)銅材拉拔直徑相近時(shí)，無(wú)論銅材壓縮率大小，工作錐半徑都是銅材表面軸向殘余應(yīng)力的主要影響因素;過(guò)渡圓弧半徑是模具涂層上最大等效應(yīng)力的主要影響因素。

      (3)由方差分析得知，隨著銅材壓縮率的增加，過(guò)渡圓弧半徑及定徑帶長(zhǎng)度對(duì)銅材表面軸向殘余應(yīng)力的影響程度在增加，但工作錐半徑的影響仍是最大。在模具涂層上最大等效應(yīng)力的影響因素中，過(guò)渡圓弧半徑的影響程度始終最大，其它因素由于方差較小，其影響可忽略。

      (4)隨著材料壓縮率的增大，拉拔后銅材表面軸向殘余應(yīng)力及涂層模具上的最大等效應(yīng)力在減小，因此，在拉拔條件允許的情況下，適當(dāng)增加線材壓縮率有利于獲得高質(zhì)量的拉拔絲材及提高模具使用壽命。

      (5)對(duì)參數(shù)優(yōu)化后的金剛石涂層模具進(jìn)行實(shí)際拉拔實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，在相同拉拔條件下，相對(duì)于硬質(zhì)合金模具而言，優(yōu)化后的金剛石涂層銅材拉拔模具的工作壽命可提高10倍。