CN103114275B - 一种微纳米金刚石复合涂层管材用游动芯头的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微纳米金刚石复合涂层管材用游动芯头的制备方法，采用经预处理的低钴硬质合金游动芯头作为涂层基体材料，安装在锥形固定夹具上，采用热丝化学气相沉积法通过空间热丝阵列制备微纳米金刚石复合涂层管材用游动芯头。可大幅度提高原有游动芯头的使用寿命，对提高生产效率和产品质量意义重大。

Description

一种微纳米金刚石复合涂层管材用游动芯头的制备方法

技术领域

 本发明涉及一种微纳米金刚石复合涂层管材用游动芯头的制备方法。

背景技术

游动芯头拉管是目前管材拉伸的一种先进的生产方法，可以实现超长管高速拉伸，减少管材的头尾浪费，提高成材率，改善产品质量，扩大品种，在铜、铝、软钢等塑性较好的金属和合金管材生产中得到广泛应用。

当前应用最为广泛的游动芯头材料是硬质合金，具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、易于加工等特性，是目前制作游动芯头的主要材料。由于硬质合金由硬质颗粒WC和粘结剂Co烧结而成，在拉制过程中，粘结剂Co易与金属管材发生粘附效应产生粘着磨损，从而造成硬度较高的WC颗粒脱落，使得管材内孔尺寸超差，光洁度达不到要求，结果是游动芯头寿命较短，从而增加了生产成本、降低了生产效率和产品质量，并造成了钨资源的浪费，严重制约了产业技术的进步和行业效益的提高。因此，开发耐磨性能优良、长寿命的超硬游动芯头是必然趋势，对推动管材加工制造业的快速发展具有十分重要的意义。

金刚石具有极高硬度和化学稳定性，其耐磨性是硬质合金的100倍～250倍，具有耐强酸强碱等优异性能，是制备游动芯头的候选材料。但由于金刚石脆性、制备成本及工艺等原因，天然金刚石和聚晶金刚石无法运用于游动芯头的制备。

若以韧性较好的硬质合金游动芯头为基体，涂敷一层耐磨性高、化学惰性好的金刚石薄膜，则金刚石涂层游动芯头兼具硬质合金的较高强度和金刚石超耐磨的特点，将是一种理想的提高游动芯头性能的手段。

经过现有技术的文献检索发现，专利ZL200510107335.4公开了一种游动芯头毛坯和用此毛坯制造游动芯头的方法，游动芯头毛坯包括有定径和大径，芯头两端的中心设有顶尖孔。制造游动芯头的方法包括有磨削定径、大径型面工序，用此方法制成的硬质合金游动芯头，其定径和大径的同轴度高。专利ZL201110228157.6公开了一种强润滑游动芯头及其制作方法，强润滑游动芯头包括带有储油腔的芯头及连接杆，芯头由工作体与润滑体组成，储油腔设置于润滑体内，工作体一端设有与储油腔腔壁过盈配合的台阶头。制作时，采用热胀冷缩原理实现工作体与润滑体的过盈配合，工艺易于实现，加工成本低。以上的专利仅是在强制润滑，加工方法上做了很大的改善，对于游动芯头使用性能提高的程度不大，且均未从游动芯头材质本身上改进芯头的使用性能。

化学气相沉积金刚石薄膜具有许多独特的优良性能，它具有接近天然金刚石的硬度和耐磨性，具有低摩擦系数、高热导率以及高化学稳定性等特性，从上世纪80年代初在异质基体上成功合成金刚石膜至今，CVD金刚石无论从生长理论、制备方法、制备质量以及性能表征，还是从后续加工技术以及应用研究方面都取得了巨大的进展，从而使其作为耐磨涂层在切削刀具、拉拔模具和耐磨损器件领域具有广阔的应用前景，能有效解决高硬度、高耐磨性和耐热性问题。到目前为止尚未发现国内外将CVD金刚石薄膜拓展应用到拉拔管材用游动芯头材料上的应用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种金刚石涂层管材用游动芯头的制备方法。

本发明金刚石涂层管材用游动芯头的制备方法是通过以下技术方案实现的，采用经预处理的低钴WC-Co硬质合金，安装在锥形固定夹具上，置于反应室中的水冷台上，采用热丝化学气相沉积法通过空间热丝阵列制备微纳米金刚石复合涂层管材用游动芯头。

所述的预处理是指：作为游动芯头的硬质合金基体浸在Murakami溶液（各组分体积比k₃[Fe(CN)]₆:KOH:H₂O=1:1:10）中超声清洗30min，再将硬质合金基体置于稀硝酸溶液（各组分体积比HNO₃：H₂O＝1：3）中刻蚀15min以去除表层的钴元素。最后在含有粒径1μm的酒精悬浮溶液中超声处理30min。

所述的低钴硬质合金是指：含钴量低于8%的YG系列WC-Co类硬质合金，牌号有YG8，YG6， YG3等。

所述的固定夹具是指：采用耐高温、导热性好的钨钼合金材料，夹具的锥形部位与游动芯头端部的内孔配合好后固定在冷却台上。

所述的空间热丝阵列是指：设置上下两对，共四根高温弹簧直拉热丝，热丝与竖直放置于水冷工作台上的游动芯头相垂直，热丝距离游动芯头表面的距离为3mm～5mm。

所述的制备微纳米金刚石复合涂层工艺参数：

1）形核阶段的气体压力1.0kPa～2.0kPa，碳源气体的体积份数为3％～6％，时间30 min～60min；2）生长阶段反应压力2.0kPa～4.0kPa， 碳源气体的体积份数为1％～3％，沉积时间5h～7h；3）表面纳米化阶段，反应压力1.0kPa～2.0kPa， 碳源气体的体积份数为3～6％，时间30 min～60min。

三阶段中反应气体均为碳源气体CH₄和H₂混合气，总流量300 ml/min～500ml/min，始终保持直拉热丝的温度约为2000℃～2300℃，根据热丝温度调节游动芯头基体温度范围在800℃～900℃。

本发明采用热丝化学气相沉积法通过空间热丝阵列实现，可大幅度提高原有游动芯头的使用寿命，对提高生产效率和产品质量意义重大。

附图说明

图１为本发明的小孔径金刚石涂层拉丝模的制备装置结构示意图；

图2为本发明的小孔径金刚石涂层拉丝模的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为本发明的小孔径金刚石涂层拉丝模的制备装置结构示意图。图1所示，硬质合金游动芯头1固定在锥形夹具2上，根据游动芯头形状布置空间热丝阵列，由上加热丝3和下加热丝4组成，加热丝3、4固定在高温弹簧5上和电极7上，通过直流电源6对热丝加热分解气体，在基体1上制备金刚石涂层。

图2为本发明的小孔径金刚石涂层拉丝模的制备装置结构俯视图。图2显示了加热丝3、4是成对均匀地布置在硬质合金游动芯头1周围，保证了沉积温度的均匀性，从而保证了金刚石涂层的均匀性。

本发明中的硬质合金游动芯头1采用YG8硬质合金游动芯头，定径部分尺寸为Φ9.50ｍｍ，允许公差为-0.02～0mm，表面经修整预留涂层厚度和公差后的定径Φ9.44ｍｍ，模具经表面去污清洗后置于Murakami溶液中超声清洗30min，然后置于稀硝酸溶液（HNO3：H2O=1：3）中以除去基体表面的钴，15min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锥形夹具2上。布置上下两对热丝3和4，且每根热丝与热丝的最短距离为4mm，热丝采用Φ0.3mm的钽丝，一端固定在电极7上，另一端采用高温弹簧5拉紧。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1.5kPa，反应气体为CH4和H2混合气，总流量500ml/min，CH4的体积份数为4％，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、H₂混合气，CH₄体积份数为2％，总气体流量500ml/min，时间6h。表面纳米化阶段，压力1.5kPa， 碳源气体的体积份数为5％，时间50min。得到约35μｍ厚的微纳米金刚石复合涂层。涂层模具抛光后的定径为Φ9.49ｍｍ。这种金刚石复合涂层游动芯头用于铜管的拉拔，其寿命是硬质合金游动芯头的10倍以上。

Claims (2)

1.一种微纳米金刚石复合涂层管材用游动芯头的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下内容：采用经预处理的低钴硬质合金游动芯头作为涂层基体材料，安装在锥形固定夹具上，采用热丝化学气相沉积法通过空间热丝阵列制备微纳米金刚石复合涂层管材用游动芯头；

所述的预处理是：作为游动芯头的硬质合金基体浸在组分体积比K₃[Fe(CN)]₆:KOH:H₂O=1:1:10的溶液中超声清洗30min，再将硬质合金基体置于组分体积比HNO₃：H₂O＝1：3的稀硝酸溶液中刻蚀15min以去除表层的钴元素；最后在含有粒径1μm的酒精悬浮溶液中超声处理30min；

所述的低钴硬质合金是指含钴量低于8%的WC-Co类硬质合金；

所述的空间热丝阵列是：设置上下两对，共四根高温弹簧直拉热丝，热丝与竖直放置于水冷工作台上的游动芯头相垂直，热丝距离游动芯头表面的距离为3mm～5mm；

所述的制备微纳米金刚石复合涂层工艺参数：

1）形核阶段的气体压力3.0KPa～5.0KPa，碳源气体的体积份数为3％～6％，时间30 min～60min；2）生长阶段反应压力2.0KPa～4.0KPa， 碳源气体的体积份数为1％～3％，沉积时间5h～7h；3）表面纳米化阶段，生长阶段反应压力2.0KPa～4.0KPa， 碳源气体的体积份数为3～6％，时间30 min～60min；

上述三阶段中反应气体均为碳源气体CH₄和H₂混合气，总流量300 ml/min～500ml/min，始终保持直拉热丝的温度为2000℃～2300℃，根据热丝温度调节游动芯头基体温度范围在800℃～900℃。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的固定夹具采用耐高温、导热性好的钨钼合金材料，夹具的锥形部位与游动芯头端部的内孔配合好后固定在冷却台上。