專利名稱：一種微小孔徑金剛石涂層拉絲模的制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及的是一種金剛石制造技術(shù)領域的方法，具體是一種微小孔徑金剛石涂層拉絲模的制備方法。
背景技術(shù)：
微小孔徑拉絲模通常是成品線材最后幾道次的拉拔，直接關(guān)系到成品線材生產(chǎn)效率和質(zhì)量，因此微小孔徑拉絲模的質(zhì)量和使用性能在線材拉拔中起著至關(guān)重要的作用。隨著拉絲?？讖匠叽绲臏p少，拉拔速度更快，摩擦磨損接觸的面積更小，磨損得更快，模具使用壽命更短。目前Φ 1.5mm以下的模具使用的是硬質(zhì)合金和聚晶模具，硬質(zhì)合金模具盡管價格便宜，但使用壽命僅為3噸；而聚晶模具在保證每天卸下保養(yǎng)的情況下的使用壽命一般在10噸 20噸。上述兩類產(chǎn)品不能滿足連續(xù)拉拔、高生產(chǎn)率的需求。因此，開發(fā)各種耐磨性能優(yōu)良、長壽命的超硬拉絲模具是必然趨勢，對推動線材、管材加工制造業(yè)的快速發(fā)展具有十分重要的意義。金剛石具有極高硬度和化學穩(wěn)定性，其耐磨性是硬質(zhì)合金的100倍 250倍，具有耐強酸強堿的能力，但韌性很·差。若以韌性較好的硬質(zhì)合金拉絲模具為基體，涂敷一層耐磨性高、化學惰性好的金剛石薄膜，則金剛石涂層模具兼具硬質(zhì)合金的較高強度和金剛石超耐磨的特點，將是一種理想的提高拉絲模具性能的手段?；瘜W氣相沉積(CVD)法可實現(xiàn)復雜工模具表面上制備一層高硬度，高耐磨性，低摩擦系數(shù)以及高表面光潔度的金剛石薄膜，使其成為了拉絲模最具前景的材質(zhì)之一，為拉絲模行業(yè)帶來了新的活力。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索，發(fā)現(xiàn)拉絲模的結(jié)構(gòu)為中心軸對稱，為保證內(nèi)表面的溫度均勻，最理想的熱絲排列方式是熱絲圓柱陣列排布在拉絲模內(nèi)孔中。隨著拉絲模孔徑的減少，熱絲數(shù)量也要相應減少，最終可以是單根熱絲位于拉絲模具中心軸位置。專利ZL02136951.8提供了一種大孔徑金剛石涂層拉絲模的制備方法，采用多根熱絲組成并由圓形鑰片均勻隔離分布的鼠籠式熱絲組件作為加熱和氣體激勵源，由于多根熱絲分布的對稱性與均勻性，以及熱絲與孔徑表面的距離縮短，涂層的質(zhì)量和厚度都能得到保證。專利ZL200810044524.5提供了一種小孔徑(大于Φ1.5mm)金剛石涂層拉絲模具制備方法，采用垂直方向上布置單根熱絲穿過?？?，使用錐形重物和高溫彈簧拉直熱絲，采用環(huán)向均布夾具固定模具實現(xiàn)對中，保證了模具表面溫度和激勵氣源分布的均勻性，從而擴大了金剛石涂層拉絲模的尺寸范圍。但當孔徑小于1.5mm時，已不再適合熱絲穿過拉絲模進行金剛石涂層制備。主要是由于熱絲與模具壁距離小于0.8mm，近2000°C的熱絲對模具會出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象；其次孔徑小于1.0mm時，熱絲穿孔的對多個模具的對中性操作就非常困難；還有微小孔徑對常規(guī)化學氣相沉積工藝中反應氣氛的屏障作用，使得微小孔內(nèi)的工作面很難生成金剛石薄膜。以上幾點限制了 CVD金剛石涂層在更小孔徑拉絲模中的應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種微小孔徑金剛石涂層拉絲模的制備方法，采用本發(fā)明能夠使小孔徑拉絲模內(nèi)孔表面金剛石涂層均勻，涂層與基體結(jié)合力強，涂層后的孔型圓整度較好。本發(fā)明的微小孔徑金剛石涂層拉絲模的制備方法，依次包括如下步驟:采用孔徑ΦΟ.8πιπΓΦ1.5mm的小孔徑低鈷硬質(zhì)合金拉絲模為基體，通過修模預留涂層厚度和模具的公差尺寸，經(jīng)表面脫碳處理和稀硝酸去鈷預處理后，采用熱絲化學氣相沉積法，通過空間熱絲陣列和區(qū)域選擇性生長法制備微米納米金剛石復合涂層微小孔徑拉絲模。所述的低鈷硬質(zhì)合金是指:含鈷量低于8%的YG系列WC-Co類硬質(zhì)合金，牌號有YG8, YG6, YG3 等。所述的表面脫碳處理是指:作為拉絲模的硬質(zhì)合金基體置于碳源濃度低于0.5%的氫氣氛中，氣壓保持在0.3kPa 0.7kPa，基體溫度保持900°C 1000°C，時間30min。所述的稀硝酸去鈷預處理是指:硬質(zhì)合金基體置于稀硝酸溶液(各組分體積比HNO3 =H2O = 1:3沖刻蝕15min以去除表層殘余鈷元素。最后在含有粒徑1μ m的酒精懸浮溶液中超聲處理30min。所述的空間熱絲陣列是指:設置一對平行高溫彈簧直拉熱絲，拉絲模置于平行熱絲中間，其中心軸線垂直于平行熱絲且在同一個平面，熱絲與拉絲模的入口面和出口面相距 3mm 5mm所述的區(qū)域選擇性生長法是指:拉絲模非工作區(qū)刷涂一層二氧化硅作為絕緣和阻擋層；另外在熱絲和模具間采用輔助負偏壓，使得激勵的等離子體產(chǎn)生定向移動。所述的制備微米納米金剛石復合涂層工藝參數(shù):
1)形核階段的氣體壓力4.0kPa 5.0kPa,碳源氣體的體積份數(shù)為4% 6%,時間30min 60min ;2)生長階段反應壓力6.0kPa 8.0kPa,碳源氣體的體積份數(shù)為2% 4%,沉積時間5h 7h ;3)表面納米化階段,反應壓力4.0kPa 5.0kPa,碳源氣體的體積份數(shù)為 4% 6%,時間 30 min 60min。三階段中反應氣體均為碳源氣體CH4和H2混合氣，總流量300 ml/min 500ml/min,始終保持直拉熱絲的溫度約為2000°C 2300°C，根據(jù)熱絲溫度調(diào)節(jié)游動芯頭基體溫度范圍在800°C 900°C。本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)是在微小孔徑拉絲模涂層過程中微小孔內(nèi)的工作面上制備均勻致密的金剛石薄膜。在保證金剛石反應所需達到的溫度范圍條件下，采用特殊的表面預處理改善金剛石涂層結(jié)合力；設計布置空間裝絲結(jié)構(gòu)，避免熱絲接觸到模具；調(diào)整工藝參數(shù)，減少微小孔徑的屏障作用，使得反應氣氛能順利到達微小孔內(nèi)。本發(fā)明制備的金剛石涂層微小孔徑拉絲?？沙商子糜诤附硬牧?、不銹鋼、冷鐓鋼、銅鋁、合金鋼、鎢、鑰等線材拉制，具有使用壽命長、尺寸精度高、線材或管材表面質(zhì)量好等優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明的微小孔徑金剛石涂層拉絲模的制備裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的微小孔徑金剛石涂層拉絲模的制備裝置結(jié)構(gòu)局部俯視圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。圖1所示，拉絲?；wI經(jīng)表面脫碳和酸處理去鈷后，在拉絲模的外周緣刷涂一層絕緣的二氧化硅4，然后整齊地排列在反應室中冷卻臺上的夾具上，在模具的出口和入口位置各布置一根加熱絲2，一端固定在電極上，一端采用高溫彈簧3拉緊。在熱絲兩端采用直流電源加熱熱絲2分解氣體和輻射加熱拉絲模基體1，同時在熱絲和拉絲?；w間施加熱絲負偏壓6，使氣體分解更充分，且使分解的反應氣氛定向移動至未刷涂二氧化硅的區(qū)域，從而使得金剛石涂層僅在拉絲模內(nèi)孔形成。圖2所示空間熱絲陣列2排布的位置關(guān)系圖，一對平行高溫彈簧直拉熱絲，拉絲?；wI置于平行熱絲中間，其中心軸線垂直于平行熱絲且在同一個平面，熱絲與拉絲模的A 口面和出口面相距3_ 5mm。本發(fā)明中的拉絲?；wI采用YG6硬質(zhì)合金拉絲模，外形規(guī)格尺寸為Φ12ηιm X8 mm,孔徑Φ0.8 mm,允許公差為-0.02 mm Omm,模孔表面經(jīng)修模預留涂層厚度和公差后的孔徑Φ0.86 mm ;模具經(jīng)表面去污清洗后，置于表面脫碳處理爐中，氣氛為含碳0.5%的氫氣氛，氣壓0.5kPa，基體溫度950°C，脫碳處理30min。取出后經(jīng)稀硝酸溶液(HNO3 =H2O=1:3)處理，以除去基體表面的鈷，15min后取出，用清水洗去表面殘留的酸，再將模具放入粒度為I μ m的金剛石微粉懸浮液中超聲振蕩處理30min，取出后用去離子水和無水酒精清洗，然后置于化學氣相沉積反應室的水冷平臺上。熱絲采用兩根平行Φ0.3mm的鉭絲，兩端用高溫彈簧拉緊。反應室抽真空后通入反應氣體(H2、CH4)，總流量500ml/min，調(diào)整反應室壓力后開始化學氣相沉積金剛石涂層。形核階段工藝參數(shù)為:壓力4.0kPa，014的體積份數(shù)為5%，基體溫度約850°C，時間30min。生長階段工藝參數(shù)為:壓力7.0kPa, CH4體積份數(shù)為3%，時間6h ;表面納米化階段，反應壓力4.0kPa，碳源氣體的體積份數(shù)為5%，時間30 min。整個階段輔助負偏壓的電流為2A。得到約35 μ m厚的微細晶粒金剛石涂層。涂層模具拋光后的孔徑為Φ0.795 mm。這種涂層拉絲模具用于氣體保護焊絲最后一道次的拉拔，其壽命是硬質(zhì)合金 模具的10倍以上。
權(quán)利要求
1.一種微小孔徑金剛石涂層拉絲模的制備方法，其特征在于:采用孔徑ΦΟ.8πιπΓΦ1.5mm的小孔徑低鈷硬質(zhì)合金拉絲模為基體，通過修模預留涂層厚度和模具的公差尺寸，經(jīng)表面脫碳處理和稀硝酸去鈷預處理后，采用熱絲化學氣相沉積法，通過空間熱絲陣列和區(qū)域選擇性生長法制備微米納米金剛石復合涂層微小孔徑拉絲模。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是，所述的低鈷硬質(zhì)合金是:含鈷量低于8%的YG系列WC-Co類硬質(zhì)合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是，所述的表面脫碳處理是:作為拉絲模的硬質(zhì)合金基體置于碳源濃度低于0.5%的氫氣氛中，氣壓保持在0.3kPa 0.7kPa，基體溫度保持 900°C~ 1000。。，時間 30min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是，所述的稀硝酸去鈷預處理是指:硬質(zhì)合金基體置于稀硝酸溶液中刻蝕15min以去除表層殘余鈷元素；組分體積比HNO3 =H2O = I:3 ；最后在含有粒徑Iym的酒精懸浮溶液中超聲處理30min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是，所述的空間熱絲陣列是:設置一對平行高溫彈簧直拉熱絲，拉絲模置于平行熱絲中間，其中心軸線垂直于平行熱絲且在同一個平面，熱絲與拉絲模的入口面和出口面相距3mm 5mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是，所述的區(qū)域選擇性生長法是:拉絲模非工作區(qū)刷涂一層二氧化硅作為絕緣和阻擋層；另外在熱絲和模具間采用輔助負偏壓，使得激勵的等離子體產(chǎn)生定向移動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是，所述的制備微米納米金剛石復合涂層工藝參數(shù): I)形核階段的氣體壓力4.0kPa 5.0kPa,碳源氣體的體積份數(shù)為3% 6%,時間30min 60min ;2)生長階段反應壓力6.0kPa 8.0kPa,碳源氣體的體積份數(shù)為1% 3%,沉積時間5h 7h ;3)表面納米化階段，生長階段反應壓力4.0kPa 5.0kPa,碳源氣體的體積份數(shù)為3 6%,時間30 min 60min ； 三階段中反應氣體均為碳源氣體CH4和H2混合氣，總流量300 ml/min 500ml/min，始終保持直拉熱絲的溫度約為2000°C 2300°C，根據(jù)熱絲溫度調(diào)節(jié)游動芯頭基體溫度范圍在 800°C 900°C。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種微小孔徑金剛石涂層拉絲模的制備方法。采用小孔徑(Φ0.8mm<孔徑<Φ1.5mm)低鈷硬質(zhì)合金拉絲模為基體，通過修模預留涂層厚度和模具的公差尺寸，經(jīng)表面脫碳處理和稀硝酸去鈷預處理后，采用熱絲化學氣相沉積法，通過空間熱絲陣列和區(qū)域選擇性生長法制備微米納米金剛石復合涂層微小孔徑拉絲模?？纱蠓忍岣呶⑿】讖嚼z模的使用壽命，對于線材連續(xù)拉拔、高生產(chǎn)率需求意義重大。
文檔編號C23C16/46GK103114274SQ20131008319
公開日2013年5月22日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者李建國, 萬強, 胡東平, 黃飛, 豐杰, 劉偉, 胡紹全 申請人:中國工程物理研究院總體工程研究所, 四川中物超硬材料有限公司