小孔径金刚石涂层拉丝模具制备方法

摘要

本发明提供了一种小孔径金刚石涂层拉丝模具制备方法，采用垂直方向上布置热丝，热丝穿过模孔后，用锥形重物拉直，高温弹簧缓冲重力；采用环向均布夹具固定模具，环向均布夹具的连动作用使不同外形规格尺寸的模具轴线位于热丝方向上，另外均布夹具具有均匀冷却的作用，使金刚石涂层的质量和均匀性得到了保证。本发明制备的金刚石涂层拉丝模可成套用于焊接材料、不锈钢、冷镦钢、铜铝、合金钢、钨、钼等线材和管材的拉制，具有使用寿命长、尺寸精度高、线材或管材表面质量好等特点。

说明书

技术领域

本发明属于通过气态化合物分解且表面材料的反应产物以沉积金属材料以外之无机材料为特征的化学镀覆技术领域。具体涉及热丝化学气相沉积(简称HFCVD)小孔径金刚石涂层拉丝模具制备方法。

背景技术

目前线材和管材行业所用的模具主要是硬质合金模具和金刚石(天然、聚晶)模具，硬质合金模具由于成本相对低廉，使用最为广泛，但硬质合金模寿命短，易粘料，生产效率低，尺寸公差不能长期保持稳定。天然金刚石模具硬度高、耐磨性好，但天然金刚石的脆性较大，较难加工，价格昂贵，且尺寸较小，多应用于小孔径的成品丝材制作中。聚晶金刚石模虽然耐磨损能力强，但韧性差，对于较高强度以及大尺寸的线材、管材，易使聚晶金刚石模爆裂，且制作困难，模具成本相对较高。随着线材、管材行业加工技术的进步，各种具有耐磨性好、高比强度等性能的新型线材、管材不断涌现，这些材料在拉制时，模具使用寿命短。另外，线材、管材加工正向着高精密、高速、低耗、高生产率拉制的方向发展，是获得高精度、高质量产品的技术保证，故对模具的使用寿命、成品质量提出了更高更新的要求，而上述两类产品不能满足进一步的需求。因此，开发各种耐磨性能优良、长寿命的超硬拉丝模具是必然趋势，对推动线材、管材加工制造业的快速发展具有十分重要的意义。

金刚石具有极高硬度和化学稳定性，其耐磨性是硬质合金的100倍～250倍，具有耐强酸强碱的能力，但韧性很差。若以韧性较好的硬质合金拉丝模具为基体，涂敷一层耐磨性高、化学惰性好的金刚石薄膜，则金刚石涂层模具兼具硬质合金的较高强度和金刚石超耐磨的特点，将是一种理想的提高拉丝模具性能的手段。

半成品或成品线材拉制的模具常用的出口模孔径范围大多集中Φ1.5mm至Φ2.5mm，用量大，是控制线材质量的关键模具；同时在拉丝过程中，经过前几道次的塑性变形，后几道次的拉拔应力更大，拉丝模具更容易破坏，特别对最后一只出口模使用性能要求更高。另外拉丝模具的几何结构特点是变半径的内孔表面作为工作面，在其工作面上制作金刚石涂层本身比较困难，对于小孔径金刚石涂层拉丝模尤其如此。因此如何有效地实现金刚石涂层技术在小孔径拉丝模具方面的应用非常必要。

发明创造名称为《金刚石涂层拉丝模》的专利文献(公开号为CN1211635A)公开了一种金刚石涂层拉丝模的制备方法。专利文献采用HFCVD方法可以实现在拉丝模具的内孔表面进行金刚石涂层，采用水平直拉热丝穿过模孔并置于孔的轴心，热丝用耐高温弹簧拉直，反应气体气流与热丝方向一致，在模孔内表面可以制备一层金刚石薄膜。由于热丝在高温下容易产生伸长，在高温区间会造成弯曲变形，尽管有高温弹簧的作用，在一定程度上可以纠正这种变形，但是反应室中高温和反应产物的复杂性造成各种接触摩擦比较复杂，最终使得高温弹簧的力度很难控制，拉力过大则会使热丝拉断，而拉力不足则会使热丝产生少许弯曲变形，这对于大孔径(孔径Φ＞2.5mm)的拉丝模具涂层是可以接受的，涂层均匀性影响较小，而对小孔径(1.5mm＜孔径Φ＜2.5mm)拉丝模具进行金刚石涂层时，稍微偏离模具的轴线，就会对整个涂层的质量和均匀性造成很大的影响。其次，小孔径模具涂层采用的直拉热丝直径更细，更容易发生热丝拉断或者热丝碰上模具的内孔表面，而导致涂层失败。另外，模具是固定在支撑台上，模具内孔表面各区域距离热丝的距离不一致，同时又是支撑台一方的单向冷却，造成了模具内孔表面温度分布不均匀，最终导致金刚石涂层不均匀。热丝的布置和模具的冷却两方面限制了其在小孔径金刚石涂层拉丝模上的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种小孔径金刚石涂层拉丝模具制备方法，采用本发明能够使小孔径拉丝模内孔表面金刚石涂层均匀，涂层与基体结合力强，涂层后的孔型圆整度较好。

本发明的一种小孔径金刚石涂层拉丝模具制备方法，包括以低钴硬质合金拉丝模为基体，经酸处理去钴，金刚石微粉预置形核处理并在拉丝模内孔表面沉积一层金刚石薄膜；还包括

采用具有自动对中、均匀冷却的环向夹具固定模具，垂直方向装配直拉热丝，热丝穿过模具模孔后用锥形重物悬挂拉直，锥形重物还作为热丝自由下垂端的电极，锥形重物下用耐高温弹簧缓冲重力，然后用热丝化学气相沉积法在拉丝模内孔表面制备金刚石涂层；

形核阶段的反应压力为3.0～5.0kPa，反应气体为CH₄和H₂混合气，总流量300～500ml/min，CH₄的体积份数为2～4％，热丝温度2000～2300℃，时间30～60min；

生长阶段的反应压力2.0～4.0kPa，反应气体采用CH₄和H₂混合气，总流量300～500ml/min，CH₄的体积份数为1～3％；直拉热丝的温度约为2000℃～2300℃；模具表面温度为800℃～1000℃，再沉积时间5～7h。

所述生长阶段的反应压力2.0～3.0kPa，反应气体采用CH4、N2和H2，CH4体积份数为2～4％，N2体积份数为6～12％，总气体流量300～500ml/min，直拉热丝的温度约为2000℃～2300℃，模具表面温度为800℃～1000℃，再沉积7～9h。

所述的小孔径金刚石涂层拉丝模的孔径范围为Φ1.5mm～Φ2.5mm。

所述的环向均布夹具的材料采用耐高温、导热性好的钨钼合金。

所述的直拉热丝采用钨丝或钽丝。

本发明的关键技术是在小孔径拉丝模涂层过程中保持热丝较好的对中性，同时要求热丝不被拉断，以保证模具内孔表面各处获得的热量和气体分解物比较一致；另外解决拉丝模的均匀传热问题，以保持模具内孔表面的温度场分布均匀。最终保持金刚石涂层的质量和均匀性。

本发明采用的垂直方向直拉热丝制备小孔径金刚石涂层拉丝模，由于热丝在高温下软化伸长，并在重力作用下自然下垂，再利用锥形重物将其拉直，高温弹簧自动补偿热丝的伸长，从而使热丝在整个涂层过程中始终保持在垂直方向上。另外锥形重物比热丝的体积大，亦可作为热丝的电极，避免了对高温弹簧的加热。

本发明采用的环向均布夹具除了具有固定模具外，夹具间的连动作用使得所夹持模具的轴线始终位于直拉热丝位置上，与模具的外形规格尺寸无关，另外环向对称性分布夹具使模具向外均匀传热，使模具内孔表面温度分布比较一致，因此涂层的质量和均匀性能够得到保证，满足实际使用的要求。

本发明制备的金刚石涂层拉丝模可成套用于焊接材料、不锈钢、冷镦钢、铜铝、合金钢、钨、钼等线材和管材的拉制，具有使用寿命长、尺寸精度高、线材或管材表面质量好等优点。

附图说明

图1为本发明的小孔径金刚石涂层拉丝模的制备装置剖面结构示意图

图2为本发明的小孔径金刚石涂层拉丝模的制备装置结构局部俯视图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明采用小孔径低钴硬质合金拉丝模为基体，通过修模预留涂层厚度和模具的公差尺寸，内孔表面经稀硝酸脱钴和金刚石微粉悬浮液超声振荡处理后置于反应室中，以垂直方向穿孔直拉热丝作为气体激励源，在热丝的底部采用锥形重物拉直，模具固定在环向均布夹具上，工装加微调可以保证热丝位于模具的轴线位置。

采用HFCVD法在拉丝模内孔表面沉积得到金刚石涂层，工艺参数为：形核阶段的压力3.0～5.0kPa，反应气体为CH₄和H₂混合气，总流量300～500ml/min，CH₄的体积份数为2～4％，热丝温度2000～2300℃，时间30～60min。生长阶段的压力2.0～4.0kPa，反应气体为CH₄和H₂混合气，总流量300～500ml/min，CH₄的体积份数为1～3％，热丝的温度约为2000℃～2300℃，模具表面温度保持在800℃～1000℃，再经过5～7h的沉积后，模具内孔表面沉积得到30～50μm厚的金刚石涂层。

为了获得光滑度更好的涂层表面，还可以采用HFCVD法在拉丝模内孔表面沉积纳米晶或超纳米晶金刚石薄膜，工艺参数为：形核阶段的压力3.0～5.0kPa，反应气体为CH₄和H₂混合气，总流量300～500ml/min，CH₄的体积份数为2～4％，热丝温度2000～2300℃，时间30～60min。生长阶段的压力为2.0～3.0kPa，反应气体为CH₄、N₂和H₂，CH₄体积份数为2～4％，N₂体积份数为6～12％，总气体流量300～500ml/min，再经过7～9h的沉积后，模具内孔表面沉积得到10～20μm厚的纳米晶金刚石涂层。

本发明拉丝模的基体可采用小孔径低钴硬质合金拉丝模，牌号YG6或YG8，孔径为：Φ1.5mm～Φ2.5mm。

图1所示，硬质合金拉丝模基体7固定在环向均布夹具(5、6、15、16)中间，通过连动装置(14、17、18)使基体7自动对中，连动装置(14、17、18)和夹具(5、6、15、16)固定在支架3上，直拉热丝9沿垂直方向布置，并用锥形重物10拉直，高温弹簧11缓冲重力，高温弹簧通过支架13固定，直拉热丝9的一端连接电极支架2，另一端通过锥形重物10作为电极，并通过铜线缆4连接到电源1，反应气体从进气口8进入，从排气口12出。

图2为本发明的小孔径金刚石涂层拉丝模的制备装置结构局部俯视图，连动装置(14、17、18)均布夹具(5、6、15、16)与基体7、热丝9的相互位置关系示意图。

实施例1

基体7采用YG6硬质合金拉丝模，外形规格尺寸为Φ16mm×14mm，孔径Φ2.2mm，允许公差为-0.02～0.02mm，模孔表面经修模预留涂层厚度和公差后的孔径Φ2.25mm，模具经表面去污清洗后置于15％的稀硝酸溶液中以除去基体表面的钴，20min后取出，用清水洗去表面残留的酸，再将模具放入粒度为1μm的金刚石微粉悬浮液中超声振荡处理30min，取出后用去离子水和无水酒精清洗，然后置于化学气相沉积反应室中的环向均布夹具5、6、15、16上。热丝采用Φ0.3mm的钨丝，穿过拉丝模孔后用锥形重物10拉直，高温弹簧缓冲重力。反应室抽真空后通入反应气体H₂和CH₄，调整反应室压力后开始化学气相沉积金刚石涂层。形核阶段工艺参数为：压力4.0kPa，反应气体为CH₄和H₂混合气，总流量500ml/min，CH₄的体积份数为3％，热丝温度约2200℃，时间1h。生长阶段工艺参数为：压力2.5kPa，反应气体为CH₄、H₂混合气，CH₄体积份数为2％，总气体流量500ml/min，时间6h。得到约35μm厚的微细晶粒金刚石涂层。涂层模具抛光后的孔径为Φ2.185mm。这种涂层拉丝模具用于气体保护焊丝最后一道次的拉拔，其寿命是硬质合金模具的30倍以上。

实施例2

基体7采用YG6硬质合金拉丝模，外形规格尺寸为Φ16mm×14mm，孔径Φ1.8mm，允许公差为-0.02～0mm，模孔表面经修模预留涂层厚度和公差后的孔径Φ1.8lmm，模具经表面去污清洗后置于15％的稀硝酸溶液中以除去基体表面的钴，20min后取出，用清水洗去表面残留的酸，再将模具放入粒度为1μm的金刚石微粉悬浮液中超声振荡处理30min，取出后用去离子水和无水酒精清洗，然后置于化学气相沉积反应室中的环向均布夹具(5、6、15、16)上。热丝采用Φ0.2mm的钨丝，穿过拉丝模孔后用锥形重物10拉直，高温弹簧缓冲重力。反应室抽真空后通入反应气体H₂和CH₄，调整反应室压力后开始化学气相沉积金刚石涂层。形核阶段工艺参数为：压力4kPa，反应气体为CH₄和H₂混合气，总流量500ml/min，CH₄的体积份数为3％，热丝温度约2200℃，时间1h。生长阶段工艺参数为：压力2.5kPa，反应气体为CH₄、N₂和H₂混合气，CH₄体积份数为3％，N₂体积份数为8％，总气体流量500ml/min，时间7h。得到约15μm厚的微细晶粒金刚石涂层。该涂层经抛光后，表面粗糙度Ra小于0.05μm，最后涂层模具的孔径为Φ1.788mm。这种涂层拉丝模具用于镀铜焊丝的拉拔，其寿命是聚晶金刚石模具的3倍，其表面光洁度优于聚晶金刚石模具，模具免维护保养，耐磨性好，全寿命过程保持负公差运行。