CN1087132A - 用于拉丝模的金刚石膜及其制法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金刚石膜拉丝模，使用复合的化学气 相沉积技术，将热丝法和直流等离子体法的化学气相 沉积技术巧妙结合制备厚度1.5mm以上的金刚石 膜，用激光加工技术切割成2.5×2.5×1.5～2.5mm³ 以上的小片做为模芯，使用寿命和拉丝质量与天然金 刚石拉丝模相匹敌，比合成金刚石聚晶拉丝模使用寿 命长，是拉制硬度高的Mo、W、Ti丝的最佳模芯材 料。

Description

本发明涉及金属丝拉丝模用的金刚石膜的制备技术。

金属拉丝，特别是金属丝的直径要求精确稳定及高的光洁度，金属丝本身硬度高的拉丝，都必须使用超硬材料做拉丝模。要求较高的高质量金属丝拉丝模，其中的模芯材料都是金刚石类的材料，如：天然和人造的金刚石单晶体、合成金刚石聚晶体等。合成的大颗粒金刚石晶体虽然很好，但目前产量低，价格高。天然金刚石拉丝模芯，至少得采用2mm的颗粒，这种天然金刚石晶粒天然矿产是越来越稀少了，价格也变得非常贵。特别是天然金刚石晶粒，形状完全符合拉丝模要求的基本没有，都必须人工加工出上下两个端面。为了取代稀少的天然金刚石，人们近十几年来又研制成合成金刚石聚晶，使用这种聚晶片做金属丝拉丝模芯。合成金刚石聚晶是使用合成金刚石微粒添加10%左右的其它材料，主要是各种金属粉料做粘结剂，在超高压高温下烧结成聚晶片。这些聚晶片作为金属拉丝过程中的过渡模，还是可以胜任的，因为过渡模对尺寸精度的要求不是那么高。但作为成品模芯，聚晶片则有困难了。聚晶片的金刚石成分不是太高，有10%左右的非金刚石材质，这10%的材质硬度及耐磨性远不如金刚石，加工的光洁度也不可能与天然金刚石相比，所以合成金刚石聚晶片金属拉丝模做成品模是不能令人满意的，它的使用寿命不够长，精度也不能完全满足要求。

本发明的目的在于克服天然金刚石稀缺价高且要进行端面加工的困难，同时克服合成金刚石聚晶片金刚石材质不纯造成的加工精度低，使用寿命短，不宜于做成品模的缺点，提出使用CVD金刚石片制做金属丝拉丝模的模芯的方案。

本发明的特征是提出了解决大面积厚金刚石片的制备技术，可以制备1.5mm以上厚度的金刚石膜，面积在φ30mm以上。这种金刚石片是百分之百的金刚石多晶体，纯度、硬度、耐磨性、导热率等与天然金刚石相当，且形状整齐、平整度高。这种金刚石片用激光束加工，可方便地将大的CVD金刚石片精确加工成所需尺寸，更容易制成金属拉丝模的模芯片。

本发明的关键技术是取得符合拉丝模用的金刚石膜。众所周知，化学气相沉积法制备金刚石膜在国际上广泛开展研究，有很大的进展，化学气相沉积的方法也公开了十几种，有关资料做了综合性的报道，如化学工业出版社出版了《金刚石薄膜的研究进展》（蒋翔六主编，1991·4·），绝大多数的资料都是介绍某一单一的制备方法。有一欧洲专利EP061829A2主要介绍了EACVD方法制备金刚石膜的技术，实际上也是热丝CVD和直流等离子体CVD方法的复合，但根据所公开的技术不能获得足够厚度，可用于拉丝模模芯的金刚石片。本发明是一种改进的EACVD方法，原理和EP0161829A2相类似，但我们在直流等离子体CVD方法上，电流密度指标作了较大突破，而且沉积基体采取冷却措施和转动措施，实现制备厚度厚的金刚石膜的目的。

本发明方法的实施方案，基本原理是热丝CVD和直流等离子体CVD方法的复合，在沉积腔内的工艺条件如下：腔压为10～50乇，以Ta或W丝为热丝，并充当直流等离体CVD方法的阴极，当施加直流电压时，发射电子，热丝的加热温度在2000～2300℃之间，施加的直流电流密度在200mA/cm²以上，最高达1500mA/cm²。以酒精蒸作为碳源，用H₂做载流气体，H₂气的输入速度为50～150ml/min，进入沉积腔的碳源，酒精蒸气是载流气体量的2～5%。沉积基板选用单晶硅片。硅片安置在充当阳极的载体上。该载体有水冷装置和旋转机构，沉积基板的温度可通过热丝与它的距离的适当调整及水冷却装置的水流量来控制，一般在700～1000℃之间。沉积基板的水平旋转有利于获得高质量的厚金刚石膜，因为冷却措施和旋转可使沉积基片的温度更精确均匀，有利于沉积出高质量的厚金刚石膜片。大幅度提高直流偏流密度和增设沉积基片的匀速水平旋转是本方法的主要改进，也是制取可用于金属拉丝模模芯片的金刚石膜的关键技术。沉积基片的旋转是通过做为基片支撑体的阳极的旋转机构实现的，水平旋转的速度在2～10转/分。按本发明的方法可制备1.5mm以上厚度的金刚石膜。

所获的沉积在基片上的金刚石膜，放入腐蚀液中以除去基片材料，获得纯的金刚石膜。将这种膜进行激光切割。可将金刚石膜切成所需的各种尺寸，通常我们将膜切成2.5mm见方或φ2.5mm的面积，做为模芯片。当然根据需要面积的大小可任意调整。

一个完整的金属丝拉丝模是由作为模芯的芯片和芯片的支撑体组成，芯片的中心加工有符合要求的拉丝孔。芯片和支撑体-也可称为模芯托牢固地连接在一起，和芯片的拉丝孔对应模托上也必须具有相应的过丝孔，过丝孔的孔径比芯片拉丝孔稍大。

CVD金刚石拉丝模和天然金刚石拉丝模一样有长的使用寿命，可拉制硬度高的，直径精确稳定的金属丝，特别适合拉制钨、钼、钛等高硬度的金属丝。特别适合成品拉丝模，当然作过渡模更是毫无问题的，其显著优点是可大规模实施，不象天然金刚石一样，受天然矿产的限制，而是在工业化的厂房中大批生长厚膜金刚石，流水线的激光切割作业，提供大批的拉丝模芯片。发展前景异常广阔。

实施例：

使用真空沉积体系，按照热丝和直流等离子体复合的CVD方法，真空度控制在10～20乇，以C₂H₅OH为碳源，H₂为载流气体，W丝为热丝，单晶硅片为沉积基片，H₂气流量控制在70ml/min左右，C₂H₅OH气量占H₂量的3%左右，热丝温度控制在2250℃，沉积基片Si片温度850℃左右，直流偏压90V，直流偏流密度为600mA/cm²，基片旋转速度5转/分钟，连续运转5昼夜，获得1.6mm厚的金刚石膜片。

Claims (2)

1、一种金属丝拉丝模，由具有中心拉丝孔的模芯和支撑模芯并具有对应的过丝孔的模托组成，模芯牢固地与模托结合在一起，其特征在于所说的模芯是由化学气相沉积制造的金刚石膜片制成，模芯片的厚度在1.5mm以上，面积在2.5mm见方或Φ2.5mm以上。

2、一种用于金属拉丝模模芯的金刚石膜的制造方法，系热丝CVD和直流等离子体CVD方法相结合的复合化学气相沉积法，在真空沉积体系中，使腔压控制在10～50乇以Ta或W丝为热丝，加热温度控制在2000℃～2300℃之间，同时给热丝施加直流电，形成直流偏压和直流偏流，通入H₂气和碳氢化合物气体，使用单晶硅片作为沉积基片，同时该沉积基片放置在做为阳极的载体上，沉积运转一定周期，其特征在于施加在热丝上的直流偏流密度为200mA-1500mA/cm²，做为阳极的沉积基片载体设有水冷却***和水平旋转机构，水平旋转机构做匀速转动，转动速度在2-10转/分钟。