CN101280422B - 金刚石涂层拉丝模具批量制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金刚石涂层拉丝模具的批量制备装置，该装置包括单丝多模-多丝多模装配模具，其中热丝布置采用垂直方向穿孔直拉热丝，下端采用锥形重物拉直，高温弹簧缓冲重力；模具支撑夹具；多点分布进气***；低压真空腔。金刚石薄膜通过热丝的高温气体分解物沉积在拉丝模的工作区域上形成。采用本发明能够实现大尺寸范围孔径的金刚石涂层拉丝模的批量制备。制备的金刚石涂层拉丝模具有使用寿命长、加工线材的表面质量好、尺寸控制精度高等特点。

Description

金刚石涂层拉丝模具批量制备装置

技术领域

本发明属于通过气态化合物分解且表面材料的反应产物以沉积金属材料以外之无机材料为特征的化学镀覆技术领域。具体涉及一种金刚石涂层拉丝模具批量制备装置。

背景技术

CVD金刚石涂层技术能有效地对拉丝模具复杂的内孔表面进行涂层，制成高性能的金刚石涂层拉丝模具，既能克服大孔径聚晶拉丝模具价格昂贵、易脆的缺点，也能克服硬质合金拉丝模具易磨损、工作寿命短的不足，从而提高模具的耐用度，降低使用成本，其应用前景极为广泛。然而，金刚石涂层拉丝模具实现产业化难度极大。由于拉丝模具的结构特点是变半径的内孔表面作为工作面，使用性能的要求是硬度高、耐磨损、抗冲击、摩擦系数小。客观来看，针对这样的结构特点和使用要求的涂层装置和涂层工艺等有其特殊性。

中国专利文献数据库(CN1211635A)中公开了一种金刚石涂层拉丝模的制备方法，在该专利技术中，采用水平方向上穿过模孔的热丝作为气体激励源，可以实现对单个拉丝模具涂层，但对多个模具同时涂层就比较困难，模具往往产生热变形、出现烧蚀现象或是石墨成分居多。主要是由于拉丝模具的内孔尺寸较小，且热丝在高温时易变形，很难满足多个模具的对中性要求。另外拉丝模具固定在支撑台上，其内孔表面各区域距离热丝的距离不一致，冷却方式又是支撑台一方的单向冷却，这两方面导致了各个拉丝模具内孔表面温度分布不均匀；在反应气体的分布方面，采用平行热丝气流方法，由于热障作用，反应气体在整个反应室中的分布不均匀。温度和反应气体分布的不均匀最终导致整个反应室的拉丝模具涂层质量和厚度均匀性等无法得到保证。另外，如果采用电子辅助增强形核，使单根丝上无法串联多个模具，否则容易在模具的棱角处造成打火烧蚀现象，也限制了其大规模制备，无法工业化批量生产，推广应用价值不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种金刚石涂层拉丝模的批量制备装置。采用本发明可以保证反应室中各个拉丝模内孔表面金刚石涂层的质量、均匀性、涂层与基体结合力，以及涂层后的孔型圆整度。

本发明的一种金刚石涂层拉丝模具批量制备装置，包括：

一个单丝多模-多丝多模装配***；

一套支撑夹具；

一个多点分布进气***；

一个低压真空腔；

其连接关系为，低压真空腔内设置有单丝多模-多丝多模装配***和支撑夹具，其中单丝多模-多丝多模装配***设置在支撑夹具上面，多点分布进气***布置在低压真空腔壁上。

所述的单丝多模-多丝多模中的热丝采用垂直方向设置，垂直方向上设置的热丝采用穿孔直拉钨丝或钽丝。

所述的支撑夹具采用环向均布、均匀冷却、自动对中方式固定模具。

所述的单丝多模-多丝多模中的模具采用相同或不同外形规格尺寸的拉丝模具。

所述的拉丝模具的内孔尺寸范围为Φ1.5mm～Φ50.0mm。

为实现本发明的目的，关键技术是在多个拉丝模涂层过程中如何保持热丝较好的对中性，同时要求热丝不被拉断，以保证模具内孔表面各处获得的热量和气体分解物比较一致；另外是解决反应气体在反应室中的分布问题，以保持各个模具处的气体流场分布均匀。最终保持金刚石涂层的质量和均匀性。

本发明采用的垂直方向直拉热丝批量制备金刚石涂层拉丝模，由于热丝在高温下软化伸长，并在重力作用下自然下垂，采用锥形重物将其拉直，再用高温弹簧缓冲重力，从而使热丝在整个涂层过程中始终保持在垂直方向上。

本发明采用的环向均布夹具除了固定模具外，夹具间的连动作用使得所夹持模具的轴线始终位于直拉热丝位置上，即使同一根热丝上模具的外形规格尺寸有差异，亦可保持所有模具的轴线在一条直线上，另外环向对称性分布夹具使模具向外均匀传热，结果是模具内孔表面温度分布比较一致，因此涂层的质量和均匀性能够在温度的均匀分布方面得到保证。

本发明采用多点分布进气***批量制备金刚石涂层拉丝模。根据传热学、流体力学等理论和数值模拟方法，以及相应的监测和检测手段优化气体在反应室中的分布，除在反应室的上部布置有气体入口外，还在反应室的中部布置了相应的气体入口，而气体出口位于底部，这样在模具所在的区域形成了比较稳定和均匀的反应气体流场。从而使涂层的质量和均匀性能够在反应气体的均匀分布上得到保证。

本发明采用的垂直方向穿孔直拉热丝作为气体激励源，均匀冷却、自动对中夹具，多点分布进气***，可保证单根热丝上能串行排列1～10个模具，同时反应室中并列1～10根热丝。

采用本发明制备的金刚石涂层拉丝模可成套用于焊丝、焊条、不锈钢、冷镦钢、铜铝、合金钢、钨、钼等线材和管材的拉制，具有使用寿命长、尺寸精度高、线材或管材表面质量好等优点。

附图说明：

图1为本发明的金刚石涂层拉丝模具批量制备装置剖面结构示意图

图2为本发明的金刚石涂层拉丝模具批量制备装置结构俯视图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

图1所示，一定数量的硬质合金拉丝模基体4固定在环向均布、自动对中夹具3中间，夹具3固定在支架11上，直拉热丝6沿垂直方向布置，并用锥形重物7拉直，高温弹簧8缓冲重力，直拉热丝6的上端连接电极支架2，下端利用锥形重物7作为电极，并通过柔性铜线缆10连接到电源1，反应气体从多点分布进气***5进入，从排气口9排出。

实施例1

基体采用YG6硬质合金拉丝模，一次沉积共14只两套模具，其中一套外形规格尺寸为Φ16mm×14mm的数量有8个，内孔尺寸范围Φ2.1～Φ3.3mm，允许公差为-0.02～0mm，另外一套外形规格尺寸为Φ20mm×17mm的数量有6个，内孔尺寸范围Φ5.0～Φ3.4mm，允许公差为-0.02mm～0.02mm，所有模孔表面通过修模预留涂层厚度和公差，模具经表面去污清洗后，置于Murakami溶液粗化刻蚀，Murakami溶液为铁***和氢氧化钾的水溶液，其体积比为K₃[Fe(CN)]₆∶KOH∶H₂O＝1∶1∶10，时间30min。再置于15％的稀硝酸溶液除去基体表面的钴，20min后取出，用清水洗去表面残留的酸，再将模具放入粒度为1μm的金刚石微粉悬浮液中超声振荡处理30min，取出后用去离子水和无水酒精清洗，然后置于化学气相沉积反应室中的环向均布夹具上。热丝采用四根Φ0.4mm钽丝，两根热丝上各穿过4个外形尺寸Φ16mm×14mm的模具，另两根热丝各穿过3个外形尺寸Φ20mm×17mm的拉丝模具，4根热丝均用锥形重物拉直。反应室抽真空后通入反应气体(H₂、CH₄)，调整反应室压力后开始化学气相沉积金刚石涂层。形核阶段工艺参数为：压力4kPa，反应气体为CH₄和H₂混合气，总流量1000ml/min，CH₄的体积份数为3％，热丝温度约2200℃，时间1h。生长阶段工艺参数为：压力2.5kPa，反应气体为CH₄、N₂和H₂混合气CH₄体积份数为3％，N₂体积份数为8％，总气体流量1000ml/min，时间7h，得到微细晶粒金刚石涂层，厚度约为15μm。该涂层经抛光后，表面粗糙度Ra小于0.05μm。这种涂层拉丝模具成套用于ER-50气体保护焊丝的拉丝实验，用以替代原来的硬质合金模具，拉丝产量从原来的30吨增加到2000吨，线材表面质量也得到了改善，全过程节约50％以上润滑粉用量。

Claims (4)

1.一种金刚石涂层拉丝模具批量制备装置，该装置包括：

一个单丝多模-多丝多模装配***；

一套支撑夹具；

一个多点分布进气***；

一个低压真空腔；

其连接关系为，低压真空腔内设置有单丝多模-多丝多模装配***和支撑夹具，其中单丝多模-多丝多模装配***设置在支撑夹具上面，多点分布进气***布置在低压真空腔壁上；

所述的单丝多模-多丝多模装配***中的热丝采用垂直方向设置，热丝下端设置有用于拉直的锥形重物，高温弹簧缓冲重力；

所述的支撑夹具采用环向均布、均匀冷却、自动对中方式固定模具。

2.根据权利要求1所述的金刚石涂层拉丝模具批量制备装置，其特征在于：所述的垂直方向上设置的热丝采用穿孔直拉钨丝或钽丝。

3.根据权利要求1所述的一种金刚石涂层拉丝模具批量制备装置，其特征在于：所述的单丝多模-多丝多模装配***中的模具采用相同或不同外形规格尺寸的拉丝模具。

4.根据权利要求1所述的一种金刚石涂层拉丝模具批量制备装置，其特征在于：所述的拉丝模具的内孔尺寸范围为Φ1.5mm～Φ50.0mm。

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