CN1327084A

CN1327084A - 金刚石复合涂层拉丝模制备方法

Info

Publication number: CN1327084A
Application number: CN 01113027
Authority: CN
Inventors: 沈荷生; 张志明; 郭松寿
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2001-12-19
Anticipated expiration: 2021-05-31
Also published as: CN1167827C

Abstract

一种金刚石复合涂层拉丝模制备方法,以大孔径硬质合金拉丝模为衬底,经稀盐酸滴加双氧水腐蚀,清洗后用穿孔热丝CVD法首先沉积一层常规金刚石薄膜,然后降低反应气体压力,增加碳源体积浓度,并添加Ar气,原位继续沉积一层纳米金刚石膜组成复合涂层。本发明的复合涂层既具有常规涂层耐磨,附着力强的优点,又兼有纳米金刚石涂层表面光滑,摩擦系数小,易研磨抛光等特点,适用于各种金属材料的拉丝。

Description

金刚石复合涂层拉丝模制备方法

本发明涉及一种新的金刚石复合涂层拉丝模及其制备方法，涉及到化学气相沉积(简称CVD)纳米金刚石涂层拉丝模制备技术，属冶金类金属材料的镀覆技术领域。

金属拉丝，都要求拉丝模的模孔表面有很高的硬度和光洁度，提高拉丝模的工作寿命。当拉丝模的孔径较小时，模芯可采用天然或人造金刚石单晶，CVD金刚石厚膜和聚晶金刚石片等材料。但是，当孔径φ≥2.5mm时，采用非常稀少的大颗粒金刚石单晶作为模芯是不可能的，而制备厚度大于3毫米的高质量CVD厚膜已非常困难，虽然仍可以采用聚晶金刚石片，但成本很高，价格昂贵。因此国内绝大多数场合都采用硬质合金拉丝模，但这种模芯容易磨损，工作寿命较短，使用效果并不理想。如果以价格和使用效果两方面考虑，比较理想做法是在硬质合金拉丝模内孔表面涂覆一层均匀的，附着力满足拉丝要求的表面光滑的金刚石薄膜。中国专利“金刚石涂层拉丝模”(专利号ZL98110896.2)采用市售硬质合金拉丝模，以平行气流穿孔直拉热丝CVD法在模孔内表面涂覆一层均匀的，附着力强的金刚石薄膜，薄膜厚度10～20微米，表面硬度非常接近或达到天然金刚石水平。用这种拉丝模拉焊接材料(如H08，ER50-6等)，其工作寿命比普通硬质合金拉丝模提高5～10倍。但是，由于金刚石有很大的表面能，因此，常规金刚石表面呈凹凸不平，而且硬度极高，很难对涂层进行抛光。由于表面粗糙(Ra约0.3微米)，使拉丝时拉拔力过大，且工件表面光洁度下降，从而限制了该涂层拉丝模的应用。虽然添加少量四氯化碳进行CVD沉积可以改善涂层表面光洁度，但反应产物氯化氢气体对设备有严重的腐蚀作用。

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提出一种新的金刚石复合涂层拉丝模的制备方法，既保持常规金刚石涂层的强附着力，耐磨等优点，又能增加涂层表面平整光滑，摩擦系数小，容易抛光等特点，使涂层拉丝模能适应各种线材的拉丝。

为实现这样的目的，关键技术是在拉丝模的内孔表面涂覆一层常规金刚石薄膜后，如何原位沉积一层纳米金刚石薄膜以组成复合涂层，满足涂层表面平整光滑和易于研磨抛光的要求。本发明的技术解决方案为：(1)仍然采用市售大孔径硬质合金拉丝模(孔径≥2.5毫米)为衬底，衬底经稀盐酸腐蚀和金刚石粉末研磨等预处理后，置于模孔轴心位置的热灯丝用耐高温弹簧拉直，气流方向和灯丝方向平行，使内孔表面的温度和气流保持均匀。在热丝和拉丝模内孔表面加上直流偏压，形成直流等离子体，以加速金刚石膜生长。这样得到的常规金刚石涂层厚10～20微米，涂层附着力强，表面硬度可达到天然金刚石的水平。(2)在上述已沉积一层常规金刚石涂层的基础上，原位继续沉积一层纳米金刚石薄膜，以组成复合涂层。纳米金刚石表面平整光滑，而且表面硬度也要比常规金刚石低20％～30％，这非常有利于涂层的机械抛光。本发明的纳米金刚石的制备方法与常规金刚石涂层完全相同，只要改变工艺条件，如降低反应气体压力，增加碳源(丙酮)浓度，添加惰性气体(如Ar气)等等就可达到目的了。因此，涂覆纳米金刚石可在原位进行，得到的金刚石多晶颗粒大小约为50～100纳米。采用复合涂层可充分发挥常规金刚石和纳米金刚石两方面的优点。如果只有常规金刚石涂层，虽然涂层附着力强，涂层硬度高，耐磨，但表面粗糙，摩擦系数较大，极难抛光；如果只有纳米金刚石涂层，虽然有表面光滑平整，摩擦系数小，易抛光等优点，但由于涂层晶界多，含较多非金刚石sp²结构，因而硬度，耐磨性下降，内应力较大而导致附着力下降，无法作为耐磨涂层而应用。因此，采用单一涂层都不理想，而复合涂层是最为合适的。

为了更好的理解本发明的技术解决方案，下面结合金刚石涂层拉丝模的制备装置和涂层表面形貌作进一步的详细描述。

图1为制备金刚石复合涂层拉丝模的装置示意图。

图中，在衬底支撑台7上搁置有拉丝模5，热灯丝6置于拉丝模5的轴心位置并用耐高温弹簧8拉直，热灯丝6的两端连接电极支架3到灯丝电源1，反应气体从进气口4进入，从排气口9出，在热灯丝6和拉丝模5内孔表面加上直流偏压2，将经过预处理的衬底(拉丝模)置于CVD反应室中，热灯丝采用单根穿孔直拉钽丝或钨丝，穿过拉丝模孔后用耐高温弹簧8拉直，并恰好置于拉丝模5轴心位置；反应室抽真空后从进气口4通入反应气体氢气和丙酮(或氢气和乙醇)，调整反应室压力后加热灯丝，施加偏压，开始CVD沉积常规金刚石涂层。反应气体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因，不断地流过拉丝模5内孔表面，从而保证在拉丝模5内孔表面沉积均匀的金刚石涂层。

沉积常规金刚石涂层时的反应气体压力较高，一般在4～10KPa范围内，碳源体积浓度较低，一般为1～3％。当常规涂层达到10～20微米后，开始原位沉积纳米金刚石涂层。此时拉丝模5不必取出，只需改变工艺条件即降低反应气体，增加碳源浓度和添加惰性气体Ar就行了。反应气体压力可降低到0.5～2KPa，碳源体积浓度增加到2％～6％，添加Ar气(Ar/H₂体积比为0.3～2)。降低反应气体压力，增加碳源浓度和添加惰性气体大大增加了金刚石二次成核的速度，因此沉积得到了纳米金刚石涂层，晶体颗粒大小约50～100纳米，含大量晶界和sp²结构，因此表层较光滑平整，摩擦系数小，硬度也下降了，这非常有利于以后涂层的研磨抛光。

图2～图4为常规金刚石与本发明纳米金刚石涂层的表面形貌比较图。

图2为常规涂层的扫描电镜照片，多晶晶体发育良好，颗粒大小为2～4微米，表面呈高低不平，较为粗糙。图3为纳米涂层的原子力显微镜照片，多晶颗粒尺寸为50～100纳米(0.05～0.1微米)，这比常规涂层要小的多。图4为纳米涂层的扫描电镜照片，它表明纳米涂层的表面要比常规涂层光滑的多。

把两种涂层的优点结合在一起是本发明的特点。具有复合金刚石涂层的拉丝模，采用高速线抛光和超声波抛光技术，可以比较容易地使涂层表面达到镜面程度。

以下为本发明的实施例：

衬底为市场上出售的YG6硬质合金拉丝模，外形尺寸Φ22×18毫米，孔径Φ5.0毫米，模孔表面经研磨修正后置于10％的盐酸溶液中，在拉丝模孔附近滴上3、4滴双氧水，以除去表面的钴，2～3分钟后取出，用清水洗去残留盐酸，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CVD反应室中。热灯丝采用Φ0.6毫米的钽丝，穿过拉丝模孔后用耐高温弹簧拉直，并恰好置于轴心位置，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沉积常规金刚石涂层。常规涂层工艺参数为：压力4～10KPa，反应室气体总流量200～400毫升/分，丙酮/氢气为1～3％(体积比)。灯丝温度约为2200℃，偏流约1A，经过4小时沉积，模孔表面沉积得到10微米以上的常规金刚石涂层。在此基础上改变沉积工艺，原位继续生长纳米金刚石涂层，其工艺条件改变为：压力1KPa，丙酮/氢气为4％，添加氩气，Ar/H₂为1.0(体积比)。经过2小时后，得到约厚5微米的纳米金刚石涂层。这样在硬质合金拉丝模内孔表面就得到了15微米厚的金刚石复合涂层，该涂层拉丝模经高速线抛光和超声波抛光后，表面光洁可达镜面程度(Ra≤0.05微米)。用这种拉丝模在生产线上进行焊接料H08A的拉丝试验，工作寿命比未涂层的提高了10倍，产品的表面光洁度也有改善；如果用此拉丝模去拉铜丝，则工作寿命可提高5倍左右。

Claims

1、一种金刚石复合涂层拉丝模制备方法，以大孔径硬质合金拉丝模为衬底，经稀盐酸滴加双氧水腐蚀，清洗后用穿孔热丝CVD法首先沉积一层常规金刚石薄膜，其特征在于当常规涂层达到10～20微米后，开始原位沉积纳米金刚石涂层，反应气体压力降低到0.5～2KPa，碳源体积浓度增加到2％～6％，并添加Ar气，Ar/H₂体积比为0.3～2，沉积得到纳米金刚石膜后组成复合金刚石涂层，再对涂层进行研磨抛光。