CN113151802A - 一种用于不穿丝的小孔径金刚石涂层拉丝模的夹具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于不穿丝的小孔径金刚石涂层拉丝模的夹具、小孔径金刚石涂层制备方法及金属线材。其中，所述夹具沿夹具的高度方向由上至下依次包括第一基体以及第二基体。本案基于热丝化学气相沉积法，通过特制的铜夹具和“双层正交”的热丝排布方法，在无热丝穿孔的前提下，实现在小孔径硬质合金拉丝模内孔表面，尤其在定径区和压缩区沉积厚度和质量均匀、耐磨损性能优异的单层微米(纳米)、微米/纳米双层复合或微米/纳米多层复合金刚石涂层，大幅度提高硬质合金拉丝模的使用寿命和可靠性，突破了传统的热丝穿孔工艺难以应用于制备小孔径金刚石涂层拉丝模的瓶颈，既保证内孔表面金刚石涂层的均匀性，同时提高金刚石涂层生长效率。

Description

一种用于不穿丝的小孔径金刚石涂层拉丝模的夹具及方法

技术领域

本发明属于薄膜技术领域，具体涉及一种基于不穿丝的小孔径金刚石涂层拉丝模制备方法。

背景技术

现代制造领域，拉拔加工是金属线、管材加工技术中应用最普遍的加工工艺之一。拉拔模具是金属冷拉拔加工行业中应用非常广泛的关键模具和易消耗产品。热丝化学气相沉积(Hot Filament Chemical Vapor Deposition,)金刚石薄膜具有高硬度、高热导率、高弹性模量、良好的耐磨性能以及低的摩擦系数等优异性能，使其成为了一种优异的拉拔模具内孔耐磨涂层。

传统的金刚石涂层拉拔模具普遍采用热丝穿孔的技术(简称穿丝法)进行金刚石涂层的制备。然而，当模具孔径小于Φ3mm，传统的穿丝法涂层制备技术很难应用，尤其对于Φ0.5～0.7mm的小孔径拉拔模具而言，现有技术受到该小孔径影响导致无法获得较为理想的金刚石涂层。其原因在于，常规的穿丝法很难在装夹过程中保证热丝与内孔的同心度；另一方面，由于热丝受热变形和气流场波动等影响，会在涂层沉积过程种偏向内孔某一侧孔壁，使得冷态良好的同心度被破坏，造成内孔表面温度分布不均匀，进而造成膜厚分布不均匀。更为严重的是，由于内孔孔径很小，因此留给热丝的变形空间很小，热丝在变形过程中很容易接触内孔表面，造成热丝断丝或者拉拔模具内孔表面的烧蚀损坏等严重后果。因此，传统的穿丝法很难满足小孔径金刚石涂层拉拔模具的制备，不穿丝法必然成为替代方法用于制备小孔径金刚石涂层拉拔模具。

在现有技术中，例如：公开号为CN 103114274A，公开日为2013年5月22日，名称为“一种微小孔径金刚石涂层拉丝模的制备方法”的中国专利文献公开了一种不穿丝制备金刚石涂层小孔径拉丝模的方法，其采用一对平行直拉热丝，拉丝模置于平行热丝中间，其中心轴线垂直于平行热丝且在同一个平面，热丝与拉丝模的入口面和出口面相距3mm～5mm，靠热丝辐射内孔表面达到金刚石生长所需的温度，并电离氢气以及碳源气体。但是需要指出的是，该专利文献所公开的技术方案由于只采用一对平行直拉热丝的方法，其会造成沿着热丝方向的内孔表面温度较高，由此导致内孔表面周向受到的热丝辐射并不均匀。并且，该专利文献所公开的技术方案中所用拉丝模的装夹方式容易造成靠近水冷台一侧温度低于远离水冷台一侧。上述因素都会造成金刚石膜生长不均匀。另外在拉丝模入口和出口位置布置单根热丝很难提供足够的活化离子浓度，容易造成孔中心位置涂层厚度偏小，影响金刚石涂层拉拔模具的使用寿命。

又例如：公开号为CN 207581929U，公开日为2018年7月6日，名称为“用于加工微孔CVD金刚石涂层拉丝模的CVD涂层设备”的中国专利文献公开了一种不穿丝的小孔径金刚石涂层拉丝模的方法，每个拉丝模被4跟热丝周向包围，拉丝模的轴心与热丝平行，这种方法虽然可以很好地满足内孔表面温度均匀性，但是由于受到拉丝模自身的遮挡，等离子体很难进入拉丝模内部，因此会严重损耗金刚石涂层的生长效率。

基于此，期望获得一种不穿丝的小孔径金刚石涂层拉丝模制备方法，该制备方法可以既能保证小孔径拉丝模内孔表面沉积均匀的高质量金刚石涂层，同时又能提高涂层模具制备效率。并且，该制备方法非常适用于孔径在Φ0.5～0.7mm的拉丝模。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出一种既能保证小孔径拉丝模内孔表面沉积均匀的高质量金刚石涂层，同时又能提高涂层模具制备效率的新方案。针对孔径在Φ0.5～0.7mm的拉丝模，采用本发明所述的特制铜夹具和“双层正交”热丝排布法，调整适当的沉积参数，实现内孔均匀、快速地沉积金刚石涂层，降低小孔径金刚石涂层拉丝模的生产难度，提高产量以及产品合格率，有利于拓展小孔径金刚石涂层拉丝模的应用领域。

为了实现上述发明目的，本发明是通过以下几个方面实现：

第一方面，本发明提出了一种用于不穿丝的小孔径金刚石涂层拉丝模的夹具，所述夹具沿夹具的高度方向由上至下依次包括第一基体以及第二基体，其中，

第一基体，在所述第一基体上开设有至少一个第一通孔，在所述第一通孔所开设的空间内设有至少一个拉丝模单元，热丝组分别设于接近所述拉丝模单元的上、下端面。

上述第一通孔可以热丝组从拉丝模的下方交叉通过，以更好地均匀辐射加热。而在一些优选的实施方式中，可以在拉丝模单元的下端设置限位件，以防止拉丝模单元掉落。

优选地，所述热丝组包括第一热丝以及第二热丝，所述第一热丝与第二热丝在其所在端面上垂直不接触设置。

优选地，所述第一热丝沿第一基体的第一方向，所述第二热丝沿第一基体的第二方向，所述第二方向垂直于第一方向。

优选地，所述拉丝模单元具体包括：

第一张紧机构，所述第一张紧机构固定所述第一热丝，并使得第一热丝张紧；

以及第二张紧机构，所述第二张紧机构固定所述第二热丝，并使得第二热丝张进。

优选地，所述拉丝模单元为十六个。

优选地，所述第一通孔为四个。

优选地，所述第一通孔沿长度方向贯穿第一基体。

优选地，所述夹具采用紫铜；所述拉丝模单元采用硬质合金材料。

第二方面，本发明提出了一种拉丝模模具，所述拉丝模模具包括上述的夹具。

第三方面，本发明提出了一种基于不穿丝的小孔径金刚石涂层制备方法，所述制备方法采用上述夹具将所述热丝以双层正交形式排布后，将所述热丝以双层正交形式排布后，通过热丝化学气相沉积法制备获得小孔径金刚石涂层。

优选地，所述拉丝模单元在对热丝进行双层排布前，还进行预处理工艺。

所述预处理工艺包括以下步骤：

步骤S1：对拉丝模单元的表面进行脱钴处理，例如：可以通过“酸碱两步法”工艺对拉丝模单元进行表面脱钴处理；

步骤S2：对拉丝模单元的内孔进行研磨和植晶，例如：可以使用金刚石微粉/甘油悬浊液(例如：可以为质量比为1:200的金刚石微粉和甘油进行配比获得，所述金刚石采用微粉粒度为5～10μm)对拉丝模单元的内孔进行研磨和植晶。

需要说明的是，在一些实施方式中，所述“酸碱两步法”工艺具体可以为：将拉丝模单元浸泡在Murakami溶液中超声清洗30min，再浸泡在Caro混合酸溶液中刻蚀2min，然后用金刚石微粉/甘油悬浊液进行研磨，最后浸泡在丙酮溶液中超声清洗5min。其中，Murakami溶液包括质量比为1：1：10的KOH、K₃[Fe(CN)₆]和H₂O；Caro混合溶液包括体积比为3：7的HCl和H₂O₂。

将所述热丝以双层正交形式排布，其具体可以为：将预处理过的拉丝模单元设置于所述的用于不穿丝的小孔径金刚石涂层拉丝模的夹具中，模具中轴线垂直于水冷工作台面；在平行于拉丝模进出口端面布置上下两层正交不接触的热丝，使拉丝模单元置于两层类似网状排布的热丝中间，通过该种排布设置可以使得拉丝模单元的内孔表面受到热丝辐射加热，由此加热至适合金刚石涂层生长的温度，同时该过程中接收含碳基团附着于其表面，经过氢原子的刻蚀，由此形成所需要的小孔径金刚石涂层。

在一些实施方式中，在平行于拉丝模进出口端面布置上下两层正交不接触的热丝具体可以为：沿夹具的第一方向，在距离拉丝模两端面3～5mm的位置各设置一根热丝(即第一热丝)，保证热丝位于各个拉丝模单元的轴线所在的平面上；沿垂直于第一方向的第二方向上，同样在距离每一列拉丝模单元两侧端面5～7mm处各设置一组热丝(即第二热丝)。所有的热丝一侧固定，另一侧通过钼滚轮靠重锤张紧，由此使得第一方向的第一热丝以及第二方向上的第二热丝相互不接触，由于其相互不接触，因此，可以采用各自独立的直流供电系统，分别对第一热丝和第二热丝进行加热，加热温度为700～900℃，功率最大可以为10kW。

需要说明的是，第一热丝和/或第二热丝长度可以为220mm，材料为金属钽，直径为Φ0.3～0.5mm。

在通过热丝化学气相沉积法制备获得小孔径金刚石涂层时，可以通过精确控制涂层生长过程工艺参数，以在小孔径(Φ0.5-0.7mm)的拉丝模单元的内孔表面沉积均匀的单层微米(纳米)、微米/纳米双层复合或微米/纳米多层的小孔径金刚石涂层。

例如：对于所述的单层微米金刚石涂层，其沉积参数为：选用甲烷和氢气作为反应气体，碳源浓度为2～3％，氢气流量1000sccm，甲烷流量20～30sccm，反应腔压力为3500～4500Pa，基底温度为700～900℃，沉积时间5h，涂层厚度15～25μm，沉积速率3～5μm/h。

对于所述的单层纳米金刚石涂层，其沉积参数为：选用甲烷和氢气作为反应气体，碳源浓度为4～5％，氢气流量1000sccm，甲烷流量40～50sccm，反应腔压力为1000～1200Pa，基底温度为700～900℃，沉积时间4h，涂层厚度24～40μm，沉积速率6～10μm/h。

若所述的微米/纳米多层复合金刚石涂层时，其沉积参数可以根据各个层数的要求，依次采用单层微米或单层纳米的工艺参数进行设置。

为了便于理解，以下以两层的微米/纳米多层复合金刚石涂层为例进行说明：

底层微米层金刚石膜的沉积参数如下：选用甲烷和氢气作为反应气体，碳源浓度为2～3％，氢气流量1000sccm，甲烷流量20～30sccm，反应腔压力为3500～4500Pa，基底温度为700～900℃，沉积时间5h，涂层厚度15～25μm，沉积速率3～5μm/h；

表层纳米金刚石膜的沉积参数如下：选用甲烷和氢气作为反应气体，碳源浓度为4～5％，氢气流量1000sccm，甲烷流量40～50sccm，反应腔压力为1000～1200Pa，基底温度为700～900℃，沉积时间4h，涂层厚度24～40μm，沉积速率6～10μm/h。

第四方面，本发明提出了一种小孔径具有金刚石涂层的金属线材，所述金属线材具有基层与金刚石涂层，所述金刚石涂层通过上述的小孔径金刚石涂层拉丝模制备方法制备获得。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

1、与传统的穿丝法制备金刚石涂层拉丝模的技术相比，本方法可靠性更高，完全消除了在模具和热丝装夹过程中由于人为因素造成的热丝在模具孔对中性不好的问题，减少了由此带来的涂层厚度不均匀和偏心等问题，提高了产品合格率；同时可以大幅度增加单炉的产量，且本方法理论上的产量可以进一步扩增。

2、与现有的不穿丝技术相比，本方法可以进一步优化模具内孔表面的温度分布均匀性，同时保证轴向和径向两个方向涂层的均匀性；同时“双层正交”的热丝排布方式，可以显著增加到达内孔中心的反应基团密度，提高沉积效率。

3、采用本方法可以根据工况要求，在小孔径拉丝模内孔表面制备单层微米(纳米)、双层或多层微米/纳米复合的金刚石涂层，扩大了小孔径拉丝模的应用范围。本发明制备的小孔径金刚石涂层拉丝模适用于漆包线、低碳钢丝、高碳钢丝、不锈钢丝以及气体保护焊丝等各种电缆和金属丝制品的冷拉拔加工。尤其在最后几道次拉拔工序中的使用本方法制备的复合金刚石涂层拉拔模具，可以同时保证线材的高尺寸精度和高表面光洁度。本发明也可应用于较小孔径、较大深径比的内孔表面金刚石耐磨涂层的制备。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明所述的用于不穿丝的小孔径金刚石涂层拉丝模的夹具的整体结构示意图；

图2示意了本发明所述的用于不穿丝的小孔径金刚石涂层拉丝模的夹具中拉丝模单元与热丝之间的相对位置关系；

图3为采用本发明所述的用于不穿丝的小孔径金刚石涂层拉丝模的夹具中各个拉丝模单元的内孔表面温度分布仿真结果；

图4为采用本发明所述的制备方法制备获得的单层微米金刚石涂层表面形貌(a)和截面形貌(b)；

图5为采用本发明所述的制备方法制备获得的微米/纳米复合金刚石涂层表面形貌(a)和截面形貌(b)；

图6为采用发明所述的制备方法制备获得的微米/纳米多层复合金刚石涂层表面形貌(a)和截面形貌(b)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

关于本发明所述的用于不穿丝的小孔径金刚石涂层拉丝模的夹具的结构可以具体参考图1和图2，其中，图1为本发明所述的用于不穿丝的小孔径金刚石涂层拉丝模的夹具的整体结构示意图；图2示意了本发明所述的用于不穿丝的小孔径金刚石涂层拉丝模的夹具中拉丝模单元与热丝之间的相对位置关系。

如图1所示，所述夹具整体采用紫铜材料，其整体尺寸为160mm×40mm×40mm。

该夹具包括第一基体11以及第二基体12，第一基体11与第二基体12沿夹具的高度方向(即图1中的Z向)排布，其中第一基体11开设有四个第一通孔110，第一通孔110的尺寸为20mm×20mm×40mm，且第一通孔110之间相邻间距为40mm。在第一通孔110依次排布设有拉丝模单元13，参考图1可以看出拉丝模单元13的上下两层都设有正交排布的热丝组14。

第一通孔110可以使得热丝组14中的第一热丝141以及第二142在拉丝模单元13的下方交叉通过。优选地，可以在拉丝模单元13均匀开有四个拉丝模装夹位置，其下方设有局部限位，防止拉丝模掉落，由图1可以看出，拉丝模单元呈4×4矩阵方式均匀分布。

结合图1和图2可以看出，沿夹具的第一方向(即图1中的X向)，在距离拉丝模单元13两个端面3～5mm的位置各设置一根热丝(即第一热丝141)，以保证热丝位于夹具上4个拉丝模单元13的轴线所在的平面上，拉丝模单元13的上下端面各有一根第一热丝141，即共有八根第一热丝141。

为了保证热丝的张紧力，在本实施方式中，还设有第一张紧机构，所述第一张紧机构包括电极柱151、滚轮152以及重锤153。第一热丝141的一侧通过钼压板固定于电极柱151上，而第一热丝141的另一侧通过滚轮152由重锤153张紧，其中，滚轮152可以为钼材质，而重锤153为不锈钢材质。

第二热丝142其设置与第一热丝141相似，区别在于，第二热丝142的设置方向在垂直于第一方向的第二方向(即图2中垂直于纸面方向，或是参考图1可以知晓，为Y方向)，其距离拉丝模单元13的端面位置为5～7mm。另外需要说明的是，第二热丝142的张紧力通过第二张紧机构实现，第二张紧机构的结构与第一张紧机构相同，因而，在此不再赘述。

通过上述设置，使得在第一方向上的第一热丝141以及在第二方向上的第二热丝142相互不接触，因而，可以通过独立的直流供电系统对第一热丝141以及第二热丝142进行加热，加热温度为700～900℃，功率最大可以为10kW。

第一热丝141以及第二热丝142的长度为220mm，材料为金属钽，直径为Φ0.3～0.5mm。

在本案中，拉丝模单元13进行预处理后，设置于第一通孔110内，其内孔131如图2所示，开口沿高度方向逐渐变窄，该结构设计有利于反应基团随气流进入孔内。

上述预处理工艺包括以下步骤：

步骤S1：对拉丝模单元的表面进行脱钴处理，具体可以为：将拉丝模单元浸泡在Murakami溶液中超声清洗30min，再浸泡在Caro混合酸溶液中刻蚀2min，然后用金刚石微粉/甘油悬浊液进行研磨，最后浸泡在丙酮溶液中超声清洗5min。其中，Murakami溶液包括质量比为1：1：10的KOH、K₃[Fe(CN)₆]和H2O；Caro混合溶液包括体积比为3：7的HCl和H₂O₂。

步骤S2：对拉丝模单元的内孔进行研磨和植晶，其具体为：可以使用金刚石微粉/甘油悬浊液(例如：可以为质量比为1:200的金刚石微粉和甘油进行配比获得，所述金刚石采用微粉粒度为5～10μm的金刚石)对拉丝模单元的内孔进行研磨和植晶。

图3为采用本发明所述的用于不穿丝的小孔径金刚石涂层拉丝模的夹具中各个拉丝模单元的内孔表面温度分布仿真结果。

如图3所示，采用ANSYS仿真软件对拉丝模内表面温度进行仿真计算，为热丝直径、热丝温度和热丝-基体间距等参数的选择提供依据。沉积过程分为形核和生长两个阶段，形核阶段采用较低的气压(1200～1600Pa)和较高的甲烷浓度(体积百分数5％～6％)，时间约为30～60min，目的是在基体表面形成一层密度较高的金刚石晶核，为下一步涂层生长提供基础。涂层的生长阶段也可以通过调节气压和甲烷浓度来实现微米和纳米两种晶粒尺度金刚石膜的生长，其中微米晶粒的气压和甲烷浓度(此处为体积百分数)分别为3500～4500Pa和2％～3％，生长速率约为3～5μm/h；纳米晶粒的气压和甲烷浓度分别为1000～1200Pa和4％～5％，生长速率约为6～10μm/h。涂层的生长阶段还可以通过周期性地调节气压和甲烷浓度来实现双层或多层复合金刚石涂层的沉积，各层生长时间和总生长时间由所需要的涂层性能决定。

图4为采用本发明所述的制备方法制备获得的单层微米金刚石涂层表面形貌(a)和截面形貌(b)；

图5为采用本发明所述的制备方法制备获得的微米/纳米复合金刚石涂层表面形貌(a)和截面形貌(b)；

图6为采用发明所述的制备方法制备获得的微米/纳米多层复合金刚石涂层表面形貌(a)和截面形貌(b)。

实施例1

针对生产低碳钢丝所用到的外部尺寸Φ12*8mm，孔径Φ0.7mm拉丝模，使用本方法以及拉丝模制备单层微米金刚石涂层时：首先将硬质合金模具浸入适量的Murakami溶液中进行30min超声振荡，取出后清水冲洗表面的残留药品；将模具进入Caro溶液中进行2min的刻蚀，再次清水冲洗；将模具进入金刚石微粉悬浊液滴入拉丝模内孔，并使用麻线进行轻微的研磨；最后将拉丝模浸入丙酮溶液中超声清洗5min。

将吹干的模具装夹在特制的紫铜夹具中，选用Φ0.3mm的钽丝16根，长度220mm一侧用双层钼板固定在电极柱上，另一次绕过滚轮靠不锈钢重锤拉紧。x和y两个方向的热丝固定方式一致，x向热丝更加靠近拉丝模基底，x向热丝距离基体3mm，模具同一侧正交热丝之间距离为2mm，保证双向热丝的正交节点位于拉丝模的孔中心线上。打开真空泵将反应腔压力抽至1Pa以下，通入1000sccm氢气和40sccm甲烷，并将气压调至1600Pa，x和y两相热丝功率均调至4kW，基体温度约为800℃，形核30min。形核结束后，将甲烷流量降至30sccm，气压调至4000Pa，生长6h，单边膜厚24μm，涂层表面和截面形貌如图3所示。抛光后的单层微米涂层模具被用在低碳钢丝的冷拉拔生产中，结果表明，本方法制备的微米金刚石涂层拉丝模可以稳定生产100吨高质量低碳钢丝产品，相比于无涂层的硬质合金模具，寿命提高了10倍。低碳钢的拉制过程会对金刚石涂层造成剧烈的磨损，由热、化学和机械等多因素耦合作用所引起，微米金刚石涂层具有较低的晶界密度，因此非金刚石相的含量很低，具有极高的耐磨损性。

实施例2

针对生产低碳钢丝所用到的外部尺寸Φ12×8mm，孔径Φ0.5mm拉丝模，使用本方法以及拉丝模制制备单层微米金刚石涂层时：首先将硬质合金模具浸入适量的Murakami溶液中进行30min超声振荡，取出后清水冲洗表面的残留药品；将模具进入Caro溶液中进行2min的刻蚀，再次清水冲洗；将模具进入金刚石微粉悬浊液滴入拉丝模内孔，并使用麻线进行轻微的研磨；最后将拉丝模浸入丙酮溶液中超声清洗5min。

将吹干的模具装夹在特制的紫铜夹具中，选用Φ0.3mm的钽丝16根，长度220mm一侧用双层钼板固定在电极柱上，另一次绕过滚轮靠不锈钢重锤拉紧。x和y两个方向的热丝固定方式一致，x向热丝更加靠近拉丝模，x向热丝距离基体3mm，模具同一侧正交热丝之间距离为2mm，保证双向热丝的正交节点位于拉丝模的孔中心线上。打开真空泵将反应腔压力抽至1Pa一下，通入1000sccm氢气和40sccm甲烷，并将气压调至1600Pa。由于模具整体尺寸的减小，热容量有所降低，调节x和y两相热丝功率至3.5kW，基体温度约为800℃，形核30min。形核结束后，将甲烷流量降至30sccm，气压调至4000Pa，生长4h，单边膜厚20μm。由于拉丝模内孔表面收到的磨损程度随着线材产品的直径减小逐渐增大，常规的聚晶金刚石拉丝模在每生产2吨线材后，需要进行停机修模，严重的影响了生产效率。采用本方法制备的微米金刚石涂层拉丝模可以连续稳定生产20吨高质量低碳钢丝产品，大幅度减少修模次数，提高了生产效率。

实施例3

针对生产不锈钢丝所用到的外部尺寸Φ12*8mm，孔径Φ0.7mm拉丝模，使用本方法以及拉丝模制制备微米/纳米复合金刚石涂层时：首先将硬质合金模具浸入适量的Murakami溶液中进行30min超声振荡，取出后清水冲洗表面的残留药品；将模具进入Caro溶液中进行2min的刻蚀，再次清水冲洗；将模具进入金刚石微粉悬浊液滴入拉丝模内孔，并使用麻线进行轻微的研磨；最后将拉丝模浸入丙酮溶液中超声清洗5min。

将吹干的模具装夹在特制的紫铜夹具中，选用Φ0.3mm的钽丝16根，长度220mm一侧用双层钼板固定在电极柱上，另一次绕过滚轮靠不锈钢重锤拉紧。x和y两个方向的热丝固定方式一致，x向热丝更加靠近拉丝模基底，x向热丝距离基体3mm，模具同一侧正交热丝之间距离为2mm，保证双向热丝的正交节点位于拉丝模的孔中心线上。打开真空泵将反应腔压力抽至1Pa一下，通入1000sccm氢气和40sccm甲烷，并将气压调至1600Pa，x和y两相热丝功率均调至4kW，基体温度约为800℃，形核30min。形核结束后，将甲烷流量降至30sccm，气压调至4000Pa，生长微米膜4h；将甲烷流量调至50sccm，气压调至1200Pa，生长纳米膜2h。微米/纳米复合涂层的表面和截面形貌如图4所示，从截面形貌可以看出明显的双层复合结构。相比于单层的微米涂层，复合涂层的表层纳米膜可以显著降低涂层的表面粗糙度，减小摩擦系数，降低拉拔过程中的能耗。经过抛光厚的复合金刚石涂层具有镜面光洁度(Ra值小于50nm)，同时表层的纳米金刚石涂层具有良好的摩擦学性能，因此在拉拔过程中对于漆包线表面的刮擦作用较弱，可以保证全寿命周期内拉拔的线材产品均具有良好的表面质量。抛光后的涂层模具被用在不锈钢丝的冷拉拔生产中，生产400吨不锈钢丝产品后，模具内表面金刚石涂层没有出现脱落。相比于无涂层的硬质合金模具，采用本方法制备的复合金刚石涂层模具寿命提高了15倍。

实施例4

针对生产二氧化碳气体保护焊丝所用到的外部尺寸Φ12*8mm，孔径Φ0.7mm拉丝模，使用本方法以及拉丝模制备微米/纳米多层复合金刚石涂层时：首先将硬质合金模具浸入适量的Murakami溶液中进行30min超声振荡，取出后清水冲洗表面的残留药品；将模具进入Caro溶液中进行2min的刻蚀，再次清水冲洗；将模具进入金刚石微粉悬浊液滴入拉丝模内孔，并使用麻线进行轻微的研磨；最后将拉丝模浸入丙酮溶液中超声清洗5min。

将吹干的模具装夹在特制的紫铜夹具中，选用Φ0.3mm的钽丝16根，长度220mm一侧用双层钼板固定在电极柱上，另一次绕过滚轮靠不锈钢重锤拉紧。x和y两个方向的热丝固定方式一致，x向热丝更加靠近拉丝模基底，x向热丝距离基体3mm，模具同一侧正交热丝之间距离为2mm，保证双向热丝的正交节点位于拉丝模的孔中心线上。打开真空泵将反应腔压力抽至1Pa一下，通入1000sccm氢气和40sccm甲烷，并将气压调至1600Pa，x和y两相热丝功率均调至4kW，基体温度约为800℃，形核30min。形核结束后，将甲烷流量调至30sccm，气压调至4000Pa，生长微米膜1.5h；将甲烷流量调至50sccm，气压调至1200Pa，生长纳米膜1.5h；将甲烷流量调至30sccm，气压调至4000Pa，生长微米膜1.5h；将甲烷流量调至50sccm，气压调至1200Pa，生长纳米膜1.5h。微米/纳米/微米/纳米四层复合涂层的表面和截面形貌如图4所示，从截面形貌可以看出明显的四层复合结构。虽然气体保护焊丝的硬度较低碳钢丝低，但是其内部添加的硅和锰等元素增加了材料对于金刚石涂层的冲击。采用多层的复合涂层可以提升金刚石涂层的冲击韧性，内部的微米层保证涂层的耐磨性能，而纳米层则可以阻挡裂纹的扩展，表层的纳米膜还可以减小拉拔过程中的摩擦阻力。抛光后的多层复合涂层模具被用在气体保护焊丝的冷拉拔生产中，在生产500吨焊丝产品后，模具内表面金刚石涂层没有出现脱落。相比于聚晶金刚石拉丝模，本方法制备的金刚石涂层拉丝模可以大幅度缩减停机修模的次数，同时寿命提升15倍以上。

实施例5

针对生产漆包线所用到的外部尺寸Φ12×8mm，孔径Φ0.5mm拉丝模，使用本方法以及拉丝模制备多层复合金刚石涂层拉丝模：首先将硬质合金模具浸入适量的Murakami溶液中进行30min超声振荡，取出后清水冲洗表面的残留药品；将模具进入Caro溶液中进行2min的刻蚀，再次清水冲洗；将模具进入金刚石微粉悬浊液滴入拉丝模内孔，并使用麻线进行轻微的研磨；最后将拉丝模浸入丙酮溶液中超声清洗5min。

将吹干的模具装夹在特制的紫铜夹具中，选用Φ0.3mm的钽丝16根，长度220mm一侧用双层钼板固定在电极柱上，另一次绕过滚轮靠不锈钢重锤拉紧。x和y两个方向的热丝固定方式一致，x向热丝更加靠近拉丝模基底，x向热丝距离基体3mm，模具同一侧正交热丝之间距离为2mm，保证双向热丝的正交节点位于拉丝模的孔中心线上。打开真空泵将反应腔压力抽至1Pa一下，通入1000sccm氢气和40sccm甲烷，并将气压调至1600Pa，x和y两相热丝功率均调至3.5kW，基体温度约为800℃，形核30min。形核结束后，将甲烷流量调至30sccm，气压调至4000Pa，生长微米膜1h；将甲烷流量调至50sccm，气压调至1200Pa，生长纳米膜1h；将甲烷流量调至30sccm，气压调至4000Pa，生长微米膜1h；将甲烷流量调至50sccm，气压调至1200Pa，生长纳米膜1h。采用本方法制备的多层复合金刚石涂层拉丝模可以稳定连续生产500吨以上高质量的漆包线产品，相比于无涂层硬质合金拉丝模，模具寿命提高至少20倍。经过抛光的多层复合金刚石涂层具有镜面光洁度(Ra值小于40nm)，同时表层的纳米金刚石涂层具有良好的摩擦学性能，因此保证了拉拔的漆包线产品具有良好的表面质量。多层复合金刚石涂层具有优异的耐磨性能，因此可以保证涂层模具具有良好的孔型保持性，在全寿命周期内，孔径不会发生明显变化，进而可以保证拉拔的漆包线产品尺寸精度的稳定性；此外，漆包线产品尺寸精度的稳定性还可以有效减少铜材料和铝材料的浪费。

对比例1

一种用于生产低碳钢丝用金刚石涂层的拉丝模，制备步骤与实施例1基本相同，不同仅在于：对比例1中采用双层平行热丝排布。为保证模具基体的温度满足金刚石涂层的沉积，控制热丝的总功率不变。结果表明双层平行热丝排布制备的涂层模具偏心度为～0.05mm，远高于本发明的“双层正交”热丝排布法制备的涂层模具偏心度0.006mm。

对比例2

一种用于生产不锈钢丝用金刚石涂层的拉丝模，制备步骤与实施例3基本相同，不同仅在于：对比例2采用的热丝为Φ0.5mm的钽丝，x和y方向热丝功率同样为4kW，模具温度为800℃。结果表明，选用Φ0.5mm的钽丝制备的金刚石涂层质量较差，非金刚石含量较高。这是因为相同功率下，较细的钽丝单位表面积上的温度较高，可以更好的分解反应气体，使非金刚石相得到充分的氢刻蚀，进而提高金刚石膜质量。

对比例3

一种用于生产二氧化碳气体保护焊丝用金刚石涂层的拉丝模，制备步骤与实施例4基本相同，不同仅在于：x向热丝距离基体间距为5mm，同时提高x和y方向热丝功率同样为4.3kW，模具基体温度维持800℃不变。结果表明，模具内部的涂层厚度不均匀，模具定径区的涂层厚度不足实施例4制备结果的一半，但模具压缩区的厚度基本与实施例4相同。经过对比说明适当的热丝-基体间距对于模具内孔涂层的均匀性至关重要。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种用于不穿丝的小孔径金刚石涂层拉丝模的夹具，其特征在于，所述夹具沿夹具的高度方向由上至下依次包括第一基体以及第二基体；

其中，第一基体，在所述第一基体上开设有至少一个第一通孔，在所述第一通孔开设空间内设有至少一个拉丝模单元，热丝组分别设于接近所述拉丝模单元的上、下端面。

2.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述热丝组包括第一热丝以及第二热丝，所述第一热丝与第二热丝在其所在端面上垂直不接触设置。

3.根据权利要求2所述的夹具，其特征在于，所述第一热丝沿第一基体的第一方向，所述第二热丝沿第一基体的第二方向，所述第二方向垂直于第一方向。

4.根据权利要求3所述的夹具，其特征在于，所述拉丝模单元具体包括：

第一张紧机构，所述第一张紧机构固定所述第一热丝，并使得第一热丝张紧；

以及第二张紧机构，所述第二张紧机构固定所述第二热丝，并使得第二热丝张进。

5.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述拉丝模单元为十六个；所述第一通孔为四个。

6.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述第一通孔沿长度方向贯穿第一基体。

7.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述夹具采用紫铜；所述拉丝模单元采用硬质合金材料。

8.一种拉丝模模具，其特征在于，所述拉丝模模具包括如权利要求1-7中任意一项所述的夹具。

9.一种基于不穿丝的小孔径金刚石涂层制备方法，其特征在于，所述制备方法采用如权利要求1-7中任意一项所述的夹具将所述热丝组以双层正交形式排布后，通过热丝化学气相沉积法制备获得小孔径金刚石涂层。

10.一种具有小孔径金刚石涂层的金属线材，其特征在于，所述金属线材具有基层与小孔径金刚石涂层，所述小孔径金刚石涂层通过权利要求9所述的小孔径金刚石涂层制备方法制备获得。

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