專利名稱：金剛石復(fù)合涂層拉絲模制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新的金剛石復(fù)合涂層拉絲模及其制備方法，涉及到化學(xué)氣相沉積(簡稱CVD)納米金剛石涂層拉絲模制備技術(shù)，屬冶金類金屬材料的鍍覆技術(shù)領(lǐng)域。
金屬拉絲，都要求拉絲模的模孔表面有很高的硬度和光潔度，提高拉絲模的工作壽命。當(dāng)拉絲模的孔徑較小時(shí)，模芯可采用天然或人造金剛石單晶，CVD金剛石厚膜和聚晶金剛石片等材料。但是，當(dāng)孔徑φ≥2.5mm時(shí)，采用非常稀少的大顆粒金剛石單晶作為模芯是不可能的，而制備厚度大于3毫米的高質(zhì)量CVD厚膜已非常困難，雖然仍可以采用聚晶金剛石片，但成本很高，價(jià)格昂貴。因此國內(nèi)絕大多數(shù)場合都采用硬質(zhì)合金拉絲模，但這種模芯容易磨損，工作壽命較短，使用效果并不理想。如果以價(jià)格和使用效果兩方面考慮，比較理想做法是在硬質(zhì)合金拉絲模內(nèi)孔表面涂覆一層均勻的，附著力滿足拉絲要求的表面光滑的金剛石薄膜。中國專利“金剛石涂層拉絲?！?專利號ZL98110896.2)采用市售硬質(zhì)合金拉絲模，以平行氣流穿孔直拉熱絲CVD法在?？變?nèi)表面涂覆一層均勻的，附著力強(qiáng)的金剛石薄膜，薄膜厚度10～20微米，表面硬度非常接近或達(dá)到天然金剛石水平。用這種拉絲模拉焊接材料(如H08，ER50-6等)，其工作壽命比普通硬質(zhì)合金拉絲模提高5～10倍。但是，由于金剛石有很大的表面能，因此，常規(guī)金剛石表面呈凹凸不平，而且硬度極高，很難對涂層進(jìn)行拋光。由于表面粗糙(Ra約0.3微米)，使拉絲時(shí)拉拔力過大，且工件表面光潔度下降，從而限制了該涂層拉絲模的應(yīng)用。雖然添加少量四氯化碳進(jìn)行CVD沉積可以改善涂層表面光潔度，但反應(yīng)產(chǎn)物氯化氫氣體對設(shè)備有嚴(yán)重的腐蝕作用。
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提出一種新的金剛石復(fù)合涂層拉絲模的制備方法，既保持常規(guī)金剛石涂層的強(qiáng)附著力，耐磨等優(yōu)點(diǎn)，又能增加涂層表面平整光滑，摩擦系數(shù)小，容易拋光等特點(diǎn)，使涂層拉絲模能適應(yīng)各種線材的拉絲。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，關(guān)鍵技術(shù)是在拉絲模的內(nèi)孔表面涂覆一層常規(guī)金剛石薄膜后，如何原位沉積一層納米金剛石薄膜以組成復(fù)合涂層，滿足涂層表面平整光滑和易于研磨拋光的要求。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為(1)仍然采用市售大孔徑硬質(zhì)合金拉絲模(孔徑≥2.5毫米)為襯底，襯底經(jīng)稀鹽酸腐蝕和金剛石粉末研磨等預(yù)處理后，置于?？纵S心位置的熱燈絲用耐高溫彈簧拉直，氣流方向和燈絲方向平行，使內(nèi)孔表面的溫度和氣流保持均勻。在熱絲和拉絲模內(nèi)孔表面加上直流偏壓，形成直流等離子體，以加速金剛石膜生長。這樣得到的常規(guī)金剛石涂層厚10～20微米，涂層附著力強(qiáng)，表面硬度可達(dá)到天然金剛石的水平。(2)在上述已沉積一層常規(guī)金剛石涂層的基礎(chǔ)上，原位繼續(xù)沉積一層納米金剛石薄膜，以組成復(fù)合涂層。納米金剛石表面平整光滑，而且表面硬度也要比常規(guī)金剛石低20％～30％，這非常有利于涂層的機(jī)械拋光。本發(fā)明的納米金剛石的制備方法與常規(guī)金剛石涂層完全相同，只要改變工藝條件，如降低反應(yīng)氣體壓力，增加碳源(丙酮)濃度，添加惰性氣體(如Ar氣)等等就可達(dá)到目的了。因此，涂覆納米金剛石可在原位進(jìn)行，得到的金剛石多晶顆粒大小約為50～100納米。采用復(fù)合涂層可充分發(fā)揮常規(guī)金剛石和納米金剛石兩方面的優(yōu)點(diǎn)。如果只有常規(guī)金剛石涂層，雖然涂層附著力強(qiáng)，涂層硬度高，耐磨，但表面粗糙，摩擦系數(shù)較大，極難拋光；如果只有納米金剛石涂層，雖然有表面光滑平整，摩擦系數(shù)小，易拋光等優(yōu)點(diǎn)，但由于涂層晶界多，含較多非金剛石sp2結(jié)構(gòu)，因而硬度，耐磨性下降，內(nèi)應(yīng)力較大而導(dǎo)致附著力下降，無法作為耐磨涂層而應(yīng)用。因此，采用單一涂層都不理想，而復(fù)合涂層是最為合適的。
為了更好的理解本發(fā)明的技術(shù)解決方案，下面結(jié)合金剛石涂層拉絲模的制備裝置和涂層表面形貌作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1為制備金剛石復(fù)合涂層拉絲模的裝置示意圖。
圖中，在襯底支撐臺7上擱置有拉絲模5，熱燈絲6置于拉絲模5的軸心位置并用耐高溫彈簧8拉直，熱燈絲6的兩端連接電極支架3到燈絲電源1，反應(yīng)氣體從進(jìn)氣口4進(jìn)入，從排氣口9出，在熱燈絲6和拉絲模5內(nèi)孔表面加上直流偏壓2，將經(jīng)過預(yù)處理的襯底(拉絲模)置于CVD反應(yīng)室中，熱燈絲采用單根穿孔直拉鉭絲或鎢絲，穿過拉絲?？缀笥媚透邷貜椈?拉直，并恰好置于拉絲模5軸心位置；反應(yīng)室抽真空后從進(jìn)氣口4通入反應(yīng)氣體氫氣和丙酮(或氫氣和乙醇)，調(diào)整反應(yīng)室壓力后加熱燈絲，施加偏壓，開始CVD沉積常規(guī)金剛石涂層。反應(yīng)氣體在熱燈絲和直流等離子體的激勵(lì)下產(chǎn)生足夠濃度的活性氫原子和含碳活性基因，不斷地流過拉絲模5內(nèi)孔表面，從而保證在拉絲模5內(nèi)孔表面沉積均勻的金剛石涂層。
沉積常規(guī)金剛石涂層時(shí)的反應(yīng)氣體壓力較高，一般在4～10KPa范圍內(nèi)，碳源體積濃度較低，一般為1～3％。當(dāng)常規(guī)涂層達(dá)到10～20微米后，開始原位沉積納米金剛石涂層。此時(shí)拉絲模5不必取出，只需改變工藝條件即降低反應(yīng)氣體，增加碳源濃度和添加惰性氣體Ar就行了。反應(yīng)氣體壓力可降低到0.5～2KPa，碳源體積濃度增加到2％～6％，添加Ar氣(Ar/H2體積比為0.3～2)。降低反應(yīng)氣體壓力，增加碳源濃度和添加惰性氣體大大增加了金剛石二次成核的速度，因此沉積得到了納米金剛石涂層，晶體顆粒大小約50～100納米，含大量晶界和sp2結(jié)構(gòu)，因此表層較光滑平整，摩擦系數(shù)小，硬度也下降了，這非常有利于以后涂層的研磨拋光。
圖2～圖4為常規(guī)金剛石與本發(fā)明納米金剛石涂層的表面形貌比較圖。
圖2為常規(guī)涂層的掃描電鏡照片，多晶晶體發(fā)育良好，顆粒大小為2～4微米，表面呈高低不平，較為粗糙。圖3為納米涂層的原子力顯微鏡照片，多晶顆粒尺寸為50～100納米(0.05～0.1微米)，這比常規(guī)涂層要小的多。圖4為納米涂層的掃描電鏡照片，它表明納米涂層的表面要比常規(guī)涂層光滑的多。
把兩種涂層的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起是本發(fā)明的特點(diǎn)。具有復(fù)合金剛石涂層的拉絲模，采用高速線拋光和超聲波拋光技術(shù)，可以比較容易地使涂層表面達(dá)到鏡面程度。
以下為
具體實(shí)施例方式襯底為市場上出售的YG6硬質(zhì)合金拉絲模，外形尺寸Φ22×18毫米，孔徑Φ5.0毫米，模孔表面經(jīng)研磨修正后置于10％的鹽酸溶液中，在拉絲模孔附近滴上3、4滴雙氧水，以除去表面的鈷，2～3分鐘后取出，用清水洗去殘留鹽酸，再以金剛石微粉對?？妆砻孢M(jìn)行研磨處理，超聲洗滌，洗凈后置于CVD反應(yīng)室中。熱燈絲采用Φ0.6毫米的鉭絲，穿過拉絲?？缀笥媚透邷貜椈衫?，并恰好置于軸心位置，反應(yīng)室抽真空后通入反應(yīng)氣體(氫氣和丙酮)，調(diào)整反應(yīng)室壓力后開始CVD沉積常規(guī)金剛石涂層。常規(guī)涂層工藝參數(shù)為壓力4～10KPa，反應(yīng)室氣體總流量200～400毫升/分，丙酮/氫氣為1～3％(體積比)。燈絲溫度約為2200℃，偏流約1A，經(jīng)過4小時(shí)沉積，?？妆砻娉练e得到10微米以上的常規(guī)金剛石涂層。在此基礎(chǔ)上改變沉積工藝，原位繼續(xù)生長納米金剛石涂層，其工藝條件改變?yōu)閴毫?KPa，丙酮/氫氣為4％，添加氬氣，Ar/H2為1.0(體積比)。經(jīng)過2小時(shí)后，得到約厚5微米的納米金剛石涂層。這樣在硬質(zhì)合金拉絲模內(nèi)孔表面就得到了15微米厚的金剛石復(fù)合涂層，該涂層拉絲模經(jīng)高速線拋光和超聲波拋光后，表面光潔可達(dá)鏡面程度(Ra≤0.05微米)。用這種拉絲模在生產(chǎn)線上進(jìn)行焊接料H08A的拉絲試驗(yàn)，工作壽命比未涂層的提高了10倍，產(chǎn)品的表面光潔度也有改善；如果用此拉絲模去拉銅絲，則工作壽命可提高5倍左右。
權(quán)利要求
1.一種金剛石復(fù)合涂層拉絲模制備方法，以大孔徑硬質(zhì)合金拉絲模為襯底，經(jīng)稀鹽酸滴加雙氧水腐蝕，清洗后用穿孔熱絲CVD法首先沉積一層常規(guī)金剛石薄膜，其特征在于當(dāng)常規(guī)涂層達(dá)到10～20微米后，開始原位沉積納米金剛石涂層，反應(yīng)氣體壓力降低到0.5～2KPa，碳源體積濃度增加到2％～6％，并添加Ar氣，Ar/H2體積比為0.3～2，沉積得到納米金剛石膜后組成復(fù)合金剛石涂層，再對涂層進(jìn)行研磨拋光。
全文摘要
一種金剛石復(fù)合涂層拉絲模制備方法,以大孔徑硬質(zhì)合金拉絲模為襯底,經(jīng)稀鹽酸滴加雙氧水腐蝕,清洗后用穿孔熱絲CVD法首先沉積一層常規(guī)金剛石薄膜,然后降低反應(yīng)氣體壓力,增加碳源體積濃度,并添加Ar氣,原位繼續(xù)沉積一層納米金剛石膜組成復(fù)合涂層。本發(fā)明的復(fù)合涂層既具有常規(guī)涂層耐磨,附著力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),又兼有納米金剛石涂層表面光滑,摩擦系數(shù)小,易研磨拋光等特點(diǎn),適用于各種金屬材料的拉絲。
文檔編號B21C3/02GK1327084SQ0111302
公開日2001年12月19日 申請日期2001年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月31日
發(fā)明者沈荷生, 張志明, 郭松壽 申請人:上海交通大學(xué)