CN1181219C

CN1181219C - 大孔径金刚石涂层拉拔模的制备方法

Info

Publication number: CN1181219C
Application number: CNB021369518A
Authority: CN
Inventors: 张志明; 沈荷生; 孙方宏; 郭松寿; 金卫国
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: SHANGHAI JIAOYOU DIAMOND COATING CO Ltd; Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2022-09-12
Also published as: CN1401818A

Abstract

一种大孔径金刚石涂层拉拔模制备方法，以孔径大于φ15毫米的硬质合金拉拔模为衬底，内孔表面经稀盐酸滴加双氧水腐蚀、清洗后置于反应室中，采用由多根热丝组成并由圆形钼片均匀隔离分布的鼠笼式热丝组件来替代单根热丝，热丝组件穿过模孔后用耐高温弹簧拉直，并使热丝组件轴线与模孔轴线相重合，然后用热丝CVD法在内孔表面沉积得到金刚石涂层及纳米金刚石复合涂层。由于本发明采用的鼠笼式多根热丝分布的对称性与均匀性，以及热丝与孔径表面的距离缩短，涂层的质量和厚度都能得到保证。制备的涂层拉拔模可用于多股电线的绞合和紧压，也可用于金属管的管壁减薄、管壁对焊、定径等各种用途，具有摩擦系数小、使用寿命长等优点。

Description

大孔径金刚石涂层拉拔模的制备方法

技术领域：

本发明涉及一种大孔径金刚石涂层拉拔模的制备方法，是一种新的金刚石涂层制备方法，涉及到化学气相沉积(简称CVD)金刚石涂层拉拔模制备技术，属冶金类金属材料的镀覆技术领域。

背景技术：

各种大孔径的拉拔模广泛应用于金属拉丝、多股电线的绞合和紧压、金属管管壁的减薄、管壁对焊、定径等各种用途。这类模具大多数场合下是采用硬质合金制备的，在一些特殊场合(如铝塑或其他金属与塑料的复合管生产时)为降低摩擦系数而采用氟塑料。由于硬质合金的耐磨性不如金刚石，而且无润滑剂时与某些金属(例如铝)的摩擦系数较大，而金刚石特别耐磨、与铝等金属的摩擦系数小，因此以硬质合金为衬底，在其内孔表面涂覆金刚石薄膜是一种理想的选择。中国专利“金刚石涂层拉丝模”(专利号ZL98110896.2)和“金刚石复合涂层拉丝模制备方法”(申请号01113027.X)，提出了在硬质合金拉丝模(孔径≥φ2.5)内孔表面，采用穿孔直拉热丝CVD法沉积金刚石薄膜和纳米金刚石复合薄膜的方法。将经过预处理的拉丝模置于CVD反应室中衬底支撑台上，单根热灯丝置于拉丝模的轴线位置并用耐高温弹簧拉直，热灯丝的两端连接电极支架到灯丝电源，在热灯丝和拉丝模内孔表面加上直流偏压。反应气体(氢气和丙酮)在热灯丝和直流等离子体的激励下产生足够浓度的活性氢原子和含碳活性基团，不断地流过拉丝模内孔表面，从而保证在拉丝模内孔表面沉积均匀的金刚石薄膜。通过CVD工艺参数(如热灯丝和偏流功率、反应气体压力、碳源浓度和添加惰性气体等)的调整，该薄膜可以是常规金刚石涂层，也可以是常规和纳米复合的金刚石涂层。用这种拉丝模拉焊接材料或铜丝，其工作寿命比普通硬质合金拉丝模提高5～10倍。但是，由于采用的是单根直拉热丝，当拉拔模孔径较大时(＞φ12毫米)，沉积在内孔表面的金刚石质量和沉积速率都开始明显下降，进一步增加孔径＞φ15毫米，则涂层的厚度、质量以及涂层附着力将不能满足实际使用要求。这是因为，随着孔径的扩大，热丝与内孔表面间的距离随之增加，热丝外表面附近离解的活性氢原子在向内孔表面扩散过程中的复合几率将大大增加，因此达到内孔表面的活性氢原子将大幅度降低，导致金刚石涂层的质量和生长速率下降。另外，由于内孔表面远离热丝，因此其表面温度下降，也会导致涂层质量和生长速率的下降。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提出一种新的大孔径金刚石涂层拉拔模制备方法，当拉拔模的内孔直径大于φ15毫米时，仍然能保持较高的金刚石涂层质量，涂层的均匀性和涂层的厚度。

为实现这样的目的，需要解决的关键技术是在大孔径的场合如何缩短热丝与内孔表面之间的距离，以保持涂层较高的质量和生长速率；同时又使内孔表面沉积的金刚石涂层是均匀的。

本发明的技术解决方案为：拉拔模的衬底采用市售大孔径硬质合金，孔径大于φ15毫米，内孔表面经稀盐酸滴加双氧水腐蚀和金刚石粉末研磨等预处理，清洗后置于反应室中。用鼠笼式热丝组件来替代单根热丝，该组件由n根(n＝3～12)热丝组成，并依靠两边耐高温的圆形钼片均匀隔离分布。鼠笼式热丝组件穿过内孔后，采用耐高温的弹簧拉直，并使热丝组件的轴线与拉拔模的孔径轴线相重合。用热丝CVD沉积法在拉拔模内孔表面沉积得到金刚石涂层。工艺参数为：压力4～8Kpa，气体总流量400～800毫升/分，丙酮/氢气为1～3％(体积比)，热灯丝温度约2000～2300℃，直流偏流4～10A，经过4～8小时沉积后，模孔表面沉积得到10～15微米左右的常规金刚石涂层。

还可以在此基础上改变工艺参数，原位继续沉积纳米金刚石涂层，工艺条件变为：压力0.7～1.4Kpa，丙酮/氢气为3～4.5％，添加氩气，Ar/H₂为0.8～1.2(体积比)，经1～2小时后，得到约2～4微米的纳米金刚石涂层。

为了弥补热灯丝功率的不足，在鼠笼式热丝组件和衬底内孔之间也可以施加一直流偏压以形成直流偏流，在热丝组件和衬底内孔表面之间产生直流等离子体，以加速金刚石的沉积，并改善涂层的均匀性。

本发明拉拔模的衬底可采用市售大孔径硬质合金拉拔模，牌号YG6或YG8，孔径为：φ15～φ70毫米。

本发明采用鼠笼式热丝组件来替代单根热丝，进行大孔径金刚石拉拔模的制备，由于多根热丝分布的对称性与均匀性，孔径表面仍能得到均匀的金刚石涂层。而另一方面，因为热丝与孔径表面的距离缩短了，达到孔径表面附近的活性氢原子增加了，衬底表面的温度也能保持较高的合适水平，因此涂层的质量和厚度都能得到保证，能满足实际使用要求。

本发明制备的这种涂层拉拔模可用于多股电线的绞合和紧压，也可用于金属管的管壁减薄、管壁对焊、定径等各种用途，具有摩擦系数小、使用寿命长等优点。

附图说明：

图1为本发明采用的鼠笼式热丝组件的结构示意图。

如图1所示，鼠笼式热丝组件由热丝1和固定热丝的圆形钼片2组成，热丝1(钽丝或钨丝)一般为3～12根(图1中为6根)，圆形钼片2的边缘对称均匀分布3～12个小孔(图1中为6个小孔)，以便让热丝穿过，使各热丝均匀地分隔开来。圆形钼片2的圆心固定一段热丝，并在两端口和其它多根热丝1绞合在一起成绞合热丝3。

图2为本发明热丝分布与孔径的位置关系示意图。

图中，热丝距内孔表面的距离为r，热丝分布半径为R。

具体实施方式：

为了更好地理解本发明的技术解决方案，下面结合附图和实施例作进一步的详细描述。

如图1所示，鼠笼式热丝组件由热丝1和固定热丝的圆形钼片2组成，热丝1为6根，圆形钼片2厚约1.5～2毫米，圆形钼片2的边缘对称均匀分布6个小孔，以便让热丝穿过，使各热丝均匀地分隔开来。圆形钼片2的圆心固定一段热丝，并在两端口和其它多根热丝1绞合在一起成绞合热丝3。

本发明采用鼠笼式热丝组件来代替单根热丝的位置与电极相连，并使组件轴线与拉拔模的内孔轴线相重合。在CVD沉积过程中，热丝组件同样采用耐高温的弹簧拉直。这样，就可以用热丝CVD法在大孔径(φ15～φ70毫米)拉拔模的内孔表面上均匀涂覆上高质量的金刚石涂层。

在鼠笼式热丝组件中，热丝根数n愈大，在内孔表面的涂层愈均匀，但n过大，热丝组件制作就愈麻烦。一般而言，拉拔模的孔径小一些，n值可低一些。随着孔径的扩大，n值也要逐步提高。热丝距内孔表面的距离r一般取5～7毫米。r值太小，虽然涂层沉积速率会提高，但涂层的均匀性将要变差；相反r值过大，虽有利于涂层均匀性提高，但涂层质量和沉积速率都会下降。n值和r值的大小可以参考表1来选择：

表1组件热丝数目和分布与孔径的关系

拉拔模孔径(毫米)	φ15～φ20	φ20～φ30	φ30～φ40	φ40～φ50	φ50～φ60	φ60～φ70
拉拔模孔径(毫米)	φ15～φ20	φ20～φ30	φ30～φ40	φ40～φ50	φ50～φ60	φ60～φ70	组件热丝数目n	3	3～4	4～6	6～8	8～10	10～12
热丝分布半径R(毫米)	3～6	6～10	10～14	14～18	18～23	23～28	组件热丝数目n	3	3～4	4～6	6～8	8～10	10～12

以下为本发明的一个实施例：

衬底为市场上出售的YG8硬质合金拉拔模，外形尺寸φ60*34，孔径φ30，模子内孔表面经研磨修正后置于10％的盐酸溶液中，在模孔附近滴上5、6滴双氧水，以除去表面的钴，5分钟后取出，用清水洗去残留酸液，再以金刚石微粉对模孔表面进行研磨处理、超声洗涤，洗净后置于反应室中。热灯丝采用鼠笼式热丝组件，热丝为φ0.6钽丝，根数n＝4，分布半径为R＝10毫米。热丝组件穿过模孔后与灯丝电极相连，用耐高温弹簧拉直，并使组件轴线与模孔轴线相重合。反应室抽真空后通入反应气体(氢气和丙酮)，调整反应室压力后开始CVD沉积金刚石涂层，工艺参数为：压力5Kpa，气体总流量700毫升/分，丙酮/氢气为2％(体积比)，热灯丝温度约2200℃，直流偏流约4A，经过5小时沉积后，模孔表面沉积得到10微米左右的常规金刚石涂层。在此基础上改变工艺参数，原位继续沉积纳米金刚石涂层，工艺条件变为：压力1Kpa，丙酮/氢气为4％，添加氩气，Ar/H₂为1.0(体积比)，经2小时后，得到约4微米的纳米金刚石涂层。这样，拉拔模内孔表面得到了约14微米厚的金刚石复合涂层。该涂层经抛光后，表面光洁度达Ra≤0.05微米。这种涂层拉拔模如果用于铝线电缆绞线，模子寿命可提高5倍左右；如果用于铝塑复合管的定径套来替代原来的氟塑料模子，寿命可提高100倍以上，铝管的表面质量也得到了改善。

Claims

1、一种大孔径金刚石涂层拉拔模的制备方法，以大孔径硬质合金拉拔模为衬底，内孔表面经稀盐酸滴加双氧水腐蚀、清洗后置于反应室中，其特征在于采用由3～12根热丝组成并由圆形钼片均匀隔离分布的鼠笼式热丝组件来替代单根热丝，鼠笼式热丝组件穿过拉拔模内孔后与灯丝电极相连，用耐高温弹簧拉直，并使热丝组件轴线与模孔轴线相重合，然后用热丝CVD沉积法在拉拔模内孔表面沉积金刚石涂层，工艺参数为：压力4～8Kpa，气体总流量400～800毫升/分，丙酮/氢气体积比为1～3％，热灯丝温度2000～2300℃，直流偏流4～10A，经4～8小时沉积后得到常规金刚石涂层。

2、如权利要求1所说的大孔径金刚石涂层拉拔模的制备方法，其特征在于原位继续沉积纳米金刚石涂层，工艺参数为：压力0.7～1.4Kpa，丙酮/氢气为3～4.5％，添加氩气，Ar/H₂体积比为0.8～1.2，沉积1～2小时后得到纳米金刚石涂层。

3、如权利要求1所说的大孔径金刚石涂层拉拔模的制备方法，其特征在于所述的鼠笼式热丝组件中的热丝为钽丝或钨丝，热丝分布半径R为3～28毫米，拉拔模的孔径为φ15～φ70毫米。