CN103752640A - 一种金刚石膜活塞销挤压冲头的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金刚石膜活塞销挤压冲头的制作方法，包括如下步骤：清洗干燥、预处理、抛研工件、用热丝CVD沉积设备形核、生长、沉积涂层金刚石膜。使用本发明的金刚石膜涂层挤压冲头比使用普通高工钢冲头使用寿命和效率可以提高8-10倍；比NCr涂层的硬质合金冲头使用寿命和效率可以提高5-8倍。

Description

一种金刚石膜活塞销挤压冲头的制作方法
技术领域
本发明涉及一种在机械加工冷冲挤压工具表面涂层金刚石膜的工艺，尤其涉及一种金刚石膜活塞销挤压冲头的制作方法，也可以广泛应用于其他冲挤压冲头加工。
背景技术
汽车活塞销是内燃机的重要零件。制造活塞销有多种方法，其中用实心棒料冷挤压穿孔制坯是产业化大批量生产的主要工艺方法。
汽车活塞销是一个厚壁长园筒零件。形状简单，但是冷挤压加工难度确是相当大。通常，厚壁园筒零件可用反挤压制深孔然后冲底制成。但是实践经验和理论计算得知，低碳钢一次反挤压制孔的深度与直径之比应小于2.5-3.0.当反挤压的内孔深径比超过2.5时，普通的硬质合金的反挤压冲头在巨大的挤压应力作用下极易失稳而折断。
高速多工位自动冷成形机挤压过程中，工件的大量变形热量传导给了模具（冲头），致使冲头温度急剧上升，同时在深孔挤压时，被挤压材料大幅度流动，与冲头接触的工件表面润滑皮膜极度延展，很容易失去隔离和润滑效果最终导致普通的硬质合金冲头与工件产生严重粘连和烧伤。
为了提高工效，冲挤压汽车活塞销企业通常是使用的是从卷盘钢材到工件完成的多工位自动冷成形机，这个设备是连续运转的大型加工中心，如果由于冲头经常粘连、烧伤和断裂就会造成生产线全线停工待料，给企业造成巨大的经济损失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种高效率的在活塞销挤压冲头表面涂层金刚石膜的工艺。即，在硬质合金冲头的冲挤压工作部位涂层金刚石薄膜8-10μm，在冲头工作部位涂层金刚石膜就可以大幅度提高冲头的使用寿命从而显著提高工作效率。这是因为金刚石膜具有优良的散热性能，其热导率可达2000W/(m.k)，可以很好的解决冲头与工件挤压延展过程中微小空间大热流密度的散热问题，避免冲头与工件粘连和烧伤；同时，金刚石膜具有特别高的硬度，金刚石膜的微硬度可以达到9000-10000HV，而且金刚石膜摩擦系数≦0.1μ可以克服工件在挤压和延展对冲头产生的巨大阻力和挤压应力，从而提高工作效率。
解决本发明技术问题采用如下步骤：
第一步：清洗干燥：用无水***（酒精）清洗去除工件表面防锈油，然后将清洗的工件放入恒温干燥箱，在1min内干燥，温度控制在50-60℃；
第二步：预处理：用预处理溶液在超声波清洗机中刻蚀工件表面即进行“预处理” 50-60min，用以增加金刚石膜沉积的成核密度；
所述预处理溶液是：用Na2FeO4、氢氧化钾、水按重量比1:2:20的比例配制而成；
第三步：抛研工件：用W6金刚石微粉抛研上步预处理后的工件，使基体在涂层金刚石膜之前形成框架基础；
第四步：操作设备：将上步烘干的工件置于热丝CVD沉积设备基片台上，将热丝CVD沉积设备抽真空至热偶计示数为5-6Pa，30-40min，将热丝逐步加热至2400-2600℃；输入C、H分别至1-2Pa,对热丝及腔体和工件加热；
第五步：形核阶段：上步加热完成后，将热丝逐步加热至2800℃，输入C、H分别至1-2Pa，调节真空压力至100KPa，形核时间50 min；
第六步：生长、沉积阶段：上步形核完成后，将热丝逐步加热至3000℃，同时输入H、CH4-H2 和Ar按体积比1：1：1的浓度形成混合气源输入腔室，对工件加负偏压4A，调节真空压力至110KPa，沉积 8-10h，金刚石膜沉积完毕。
本发明工艺采用现有的热丝CVD沉积设备来沉积金刚石膜，因为热丝CVD沉积设备为现有技术，所以这里不做详细介绍。
本发明工艺的积极效果是：本发明具备技术指标及特点（1）硬度：维氏硬度值约为HV9000-10000，这是普通硬质合金冲头达不到的；（2）金刚石薄膜涂层形貌连续、均匀、致密；（3）散热性能优良：试验件表面最大温差△Tm=△T1-△T2。
根据试验数据计算可得，热流密度20W/c㎡时，铜表面最大温差为28.66℃，金刚石为14.06℃。根据热导率的定义相同工况条件下，CVD金刚石膜在沿热量传递的平面内（忽略热量沿试验件厚度方向上的变化），温度梯度应远小于铜。试验证明，相同工况条件下，金刚石膜面内温度梯度小，温度分布均匀性好，表面最大温差仅为铜的一半。
由此可见，使用本发明的金刚石膜涂层挤压冲头比使用普通高工钢冲头使用寿命和效率可以提高8-10倍；比NCr涂层的硬质合金冲头使用寿命和效率可以提高5-8倍。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
为进一步描述本发明，以下以具体的实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不仅限于此。
实施例1
活塞销挤压冲头：直径Ø20，总长140mm，有效工作长度90mm，其中冲头挤压部位长度18 mm，材料：YG8整体硬质合金。
如图1所示，一种金刚石膜活塞销挤压冲头的制作方法，包括如下步骤：
1、按图纸尺寸精度磨制YG8整体硬质合金活塞销挤压冲头（以下简称“工件”）；
2、用无水***（酒精）清洗去除工件表面防锈油，然后将清洗的工件进入恒温干燥箱，在1min内干燥，温度控制在50℃；
3、用Na2FeO4、氢氧化钾、水按重量比1:2:20的比例配制而成预处理溶液；
4、将工件的工作长度90mm部位置入预处理溶液中，放置于超声波清洗仪中，振动50min；
5、在预处理溶液振动处理的部位刷涂W5金刚石微粉，用0﹟金刚石纱纸抛研；
6、按热丝架排列方向摆放工件（根据热丝架的排列数量可以摆放多排、多件。排与排,件与件之间隔为30mm）；
7、按热丝与工件顶面距离30mm，与侧面距离30mm的要求布置热丝；
8、关闭沉积设备钟罩或腔室门；
9、抽真空至热偶计示数为5Pa，30min；
10、调整电压V、电流A热丝逐步加热至2800℃；同时输入C、H、Ar分别至1.5Pa（气体输入的容量要根据设备腔室的容积大小决定）调节真空压力至100KPa，对工件涂层面形核,形核时间50 min；
11、调节热丝电压V、电流A逐步加热至3000℃同时输入H、CH4-H2 和Ar按体积比1：1：1的浓度形成混合气源输入腔室（气体输入的容量要根据设备腔室的容积大小决定）对工件加负偏压4A，调节真空压力至110KPa，沉积 8h，金刚石薄膜沉积完毕。
实施例2
活塞销挤压冲头：直径Ø18，总长120mm，有效工作长度70mm，其中冲头挤压部位长度18 mm，材料：YG8整体硬质合金。
制作金刚石膜活塞销挤压冲头的步骤如下：
1、按图纸尺寸精度磨制YG8整体硬质合金活塞销挤压冲头（以下简称“工件”）；
2、用无水***（酒精）清洗去除工件表面防锈油，然后将清洗的工件进入恒温干燥箱，在1min内干燥，温度控制在60℃；
3、用Na2FeO4、氢氧化钾、水按重量比1:2:20的比例配制而成预处理溶液；
4、将工件的工作长度90mm部位置入预处理溶液中，放置于超声波清洗仪中，振动60min；
5、在预处理溶液振动处理的部位刷涂W5金刚石微粉，用0﹟金刚石纱纸抛研；
6、按热丝架排列方向摆放工件（根据热丝架的排列数量可以摆放多排、多件。排与排,件与件之间隔为35mm）；
7、按热丝与工件顶面距离30mm，与侧面距离30mm的要求布置热丝；
8、关闭沉积设备钟罩或腔室门；
9、抽真空至热偶计示数为6Pa， 40min；
10、调整电压V、电流A钨丝逐步加热至2800℃；同时输入C、H、Ar分别至2Pa（气体输入的容量要根据设备腔室的容积大小决定）调节真空压力至100KPa，对工件涂层面形核,形核时间50 min；
11、调节钨丝电压V、电流A逐步加热至3000℃同时输入H、CH4-H2 和Ar按体积比1：1：1的浓度形成混合气源输入腔室（气体输入的容量要根据设备腔室的容积大小决定）对工件加负偏压4A，调节真空压力至110KPa，沉积10h，金刚石薄膜沉积完毕。

Claims (1)

1.一种金刚石膜活塞销挤压冲头的制作方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步：清洗干燥：用无水一***清洗去除工件表面防锈油，然后将清洗的工件放入恒温干燥箱，在1min内干燥，温度控制在50-60℃；
第二步：预处理：用预处理溶液在超声波清洗机中刻蚀工件表面即进行“预处理” 50-60min，烘干，用以增加金刚石膜沉积的成核密度；
所述预处理溶液是：用Na2FeO4、氢氧化钾、水按重量比1:2:20的比例配制而成；
第三步：抛研工件：用W6金刚石微粉抛研上步预处理后的工件，使基体在涂层金刚石膜之前形成框架基础；
第四步：操作设备：将上步烘干的工件置于热丝CVD沉积设备基片台上，将热丝CVD沉积设备抽真空至热偶计示数为5-6Pa，30-40min，将热丝逐步加热至2400-2600℃；输入C、H分别至1-2Pa,对热丝及腔体和工件加热；
第五步：形核阶段：上步加热完成后，将热丝逐步加热至2800℃，输入C、H分别至1-2Pa，调节真空压力至100KPa，形核时间50 min；
第六步：生长、沉积阶段：上步形核完成后，将热丝逐步加热至3000℃，同时输入H、CH4-H2 和Ar按体积比1：1：1的浓度形成混合气源输入腔室，对工件加负偏压4A，调节真空压力至110KPa，沉积 8-10h，金刚石膜沉积完毕。
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