復(fù)合金剛石薄膜涂層鋁塑復(fù)合管拉拔模的制備及應(yīng)用(上)

王新昶,申笑天,趙天奇,孫方宏,沈彬(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240)

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復(fù)合金剛石薄膜涂層鋁塑復(fù)合管拉拔模的制備及應(yīng)用(上)

王新昶,申笑天,趙天奇,孫方宏,沈彬
(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240)

摘 要:選取一種新型的高性能三層復(fù)合金剛石薄膜,即硼摻雜微米-未摻雜微米-未摻雜納米復(fù)合金剛石(boron-doped micro-crystalline,undoped micro-crystalline and undoped nano-crystalline composite diamond,BDM-UM-UNCD)薄膜作為鋁塑復(fù)合管拉拔模具內(nèi)孔工作表面的耐磨減摩保護(hù)涂層,該薄膜具有優(yōu)異的綜合性能。表征結(jié)果表明,采用仿真優(yōu)化的沉積參數(shù)在該拉拔模具整個(gè)內(nèi)孔表面沉積了厚度較為均勻(19～24μm)的復(fù)合金剛石薄膜,尤其是在主要的工作區(qū)域沉積了厚度均勻、質(zhì)量?jī)?yōu)異的復(fù)合金剛石薄膜;采用機(jī)械拋光可以便利地將內(nèi)孔薄膜拋光到Ra～45 nm的表面粗糙度以下。油潤(rùn)滑及水潤(rùn)滑條件下拉拔鋁塑復(fù)合管的應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明,相比于未涂層及其他類型金剛石薄膜涂層拉拔模具而言,該復(fù)合金剛石薄膜涂層模具具有很長(zhǎng)的使用壽命,并且表現(xiàn)出極佳的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞:復(fù)合金剛石薄膜;熱絲化學(xué)氣相沉積;拉拔模具;水潤(rùn)滑;鋁塑復(fù)合管

1　引言

鎢鈷類硬質(zhì)合金(WC-Co)具有較高的硬度、較高的紅熱硬性、較高的耐磨損和耐腐蝕性能、良好的抗氧化性能等優(yōu)異特性,因此成為加工制造拉拔模具最常用的材料。然而,鎢鈷類硬質(zhì)合金材料成型需要消耗大量的鎢資源和鈷資源,而這些資源都是重要的戰(zhàn)略資源。此外,鎢鈷類硬質(zhì)合金的硬度還沒有達(dá)到超硬材料的級(jí)別,仍然不能夠保證拉拔模具在極端工況條件下的工作壽命和長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性,因此硬質(zhì)合金拉拔模具的快速損耗和失效會(huì)進(jìn)一步加劇上述戰(zhàn)略資源的消耗。尤為重要的是,鎢鈷類硬質(zhì)合金拉拔模具不能夠在水潤(rùn)滑條件下拉拔金屬管線材,因?yàn)樗哂泻艿偷恼扯群洼^強(qiáng)的氧化性,在水潤(rùn)滑條件下水潤(rùn)滑膜很難在硬質(zhì)合金和金屬材料的接觸界面形成,進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的氧化腐蝕和金屬材料的粘著磨損。

化學(xué)氣相沉積(Chemical vapor deposition, CVD)金剛石薄膜具有接近天然單晶金剛石的優(yōu)異特性,比如極高的硬度、良好的耐磨損和抗腐蝕性能、較低的摩擦系數(shù)、極高的熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性[1,2],尤其是在水潤(rùn)滑條件下金剛石薄膜表面的成膜性能好,化學(xué)穩(wěn)定性好,不容易形成磨屑或其他摩擦系數(shù)較高的反應(yīng)產(chǎn)物,不易形成氧化腐蝕或粘著磨損,表現(xiàn)出很好的水潤(rùn)滑特性[3,4],因此在拉拔模具領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。常用的沉積CVD金剛石薄膜的方法包括微波等離子體CVD (Microwave plasma CVD,MPCVD)、熱絲CVD (Hot filament CVD,HFCVD)、直流等離子體噴射CVD(DC plasma jet CVD,DPJCVD)和燃燒火焰CVD(Combustion flame CVD,CFCVD),其中HFCVD方法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低和操作便利等優(yōu)點(diǎn),尤其適用于大面積、復(fù)雜形狀表面及內(nèi)孔表面金剛石薄膜沉積,因此在工業(yè)領(lǐng)域最具有實(shí)用性[5,6]。

國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)各類單層金剛石薄膜的制備及性能表征進(jìn)行了系統(tǒng)研究,包括未摻雜微米金剛石(undoped micro-crystalline diamond,UMCD)、未摻雜納米金剛石(undoped nano-crystalline diamond,UNCD)[7]、硼摻雜微米金剛石(boron-doped micro-crystalline diamond,BDMCD)[8]、硼摻雜納米金剛石(boron-doped nano-crystalline diamond, BDNCD)[9],硅摻雜金剛石(silicon-doped diamond)薄膜[10]等,它們分別表現(xiàn)出各異的特性。結(jié)合不同的單層金剛石薄膜的不同特點(diǎn)開發(fā)多層復(fù)合金剛石薄膜是獲得高性能金剛石薄膜的有效途徑,在現(xiàn)有文獻(xiàn)中[11-13],兩層及多層未摻雜微米和未摻雜納米復(fù)合金剛石(undoped micro-crystalline and undoped nano-crystalline composite diamond,UM-UNCD)薄膜,以及基于UMCD和UNCD開發(fā)的超光滑復(fù)合金剛石薄膜已經(jīng)得到了系統(tǒng)研究,證明了微米金剛石晶粒與基體之間具有較為緊密的機(jī)械鎖合,而復(fù)合薄膜表層的UNCD薄膜或超光滑薄膜則表現(xiàn)出較低的表面粗糙度;為了進(jìn)一步提高薄膜附著性能,可降低薄膜殘余應(yīng)力、抑制硬質(zhì)合金基體中鈷向外滲透的硼摻雜工藝被引入復(fù)合金剛石薄膜最底層薄膜層的沉積中,據(jù)此開發(fā)的硼摻雜微米和未摻雜微米復(fù)合金剛石(boron-doped micro-crystalline and undoped nanocrystalline composite diamond,BDM-UMCD)薄膜具有良好的附著性能、極高的表面硬度和優(yōu)異的耐磨損性能,適用于對(duì)表面粗糙度要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合[14]。在BDM-UMCD薄膜基礎(chǔ)上進(jìn)一步沉積表層納米金剛石薄膜獲得的硼摻雜微米-未摻雜微米-未摻雜納米復(fù)合金剛石(boron-doped micro-crystalline,undoped micro-crystalline and undoped nanocrystalline composite diamond,BDM-UM-UNCD)薄膜兼具BDM-UMCD薄膜的優(yōu)異特性以及納米金剛石薄膜良好的表面光潔度,因此表現(xiàn)出較好的摩擦學(xué)性能[15]。

本文在上述研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了BDM-UM-UNCD薄膜在鋁塑復(fù)合管(polyethylene-aluminum compound pipe,PAP)拉拔模具內(nèi)孔表面的制備及應(yīng)用研究,首先采用仿真方法對(duì)該拉拔模具內(nèi)孔表面HFCVD金剛石薄膜的沉積參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,據(jù)此在拉拔模具內(nèi)孔表面獲得了較為均勻的溫度場(chǎng)及薄膜厚度分布,然后采用未涂層及不同金剛石薄膜涂層的拉拔模具進(jìn)行了拉拔應(yīng)用試驗(yàn),驗(yàn)證了復(fù)合金剛石薄膜在油潤(rùn)滑及水潤(rùn)滑拉拔PAP過(guò)程中的應(yīng)用效果。

2　試驗(yàn)方法

PAP拉拔模具內(nèi)孔主要分為入口區(qū)、壓縮區(qū)、定徑帶和出口區(qū)四個(gè)部分,拉拔模具應(yīng)用過(guò)程中主要承受摩擦磨損的位置是定徑帶以及壓縮區(qū)靠近定徑帶的部分,此外,原料管線材進(jìn)入?？缀笈c壓縮區(qū)初始接觸的位置還會(huì)受到比較劇烈的沖擊作用,因此在拉拔模具內(nèi)孔金剛石薄膜沉積過(guò)程中,重點(diǎn)是要保證這些區(qū)域上沉積的薄膜質(zhì)量。受入口區(qū)角度和壓縮區(qū)半角的影響,入口區(qū)及壓縮區(qū)靠近入口區(qū)部分的直徑較大,在金剛石薄膜沉積過(guò)程中基體表面溫度相對(duì)較低,但是這些區(qū)域并非我們重點(diǎn)關(guān)心的區(qū)域,而定徑帶以及壓縮區(qū)靠近定徑帶的部分直徑非常接近,因此在這些區(qū)域比較容易獲取均勻的溫度場(chǎng)分布,進(jìn)而保證沉積的金剛石薄膜的厚度均勻性。

本文選取了最小孔徑(定徑帶區(qū)域的直徑)Dc= 8.0 mm的YG6硬質(zhì)合金PAP拉拔模具作為典型模具基體進(jìn)行研究,并在薄膜沉積之前需要先對(duì)基體進(jìn)行酸堿兩步法及研磨布晶預(yù)處理。

針對(duì)本文選取的孔徑適中的模具基體所采用的熱源為多根鉭絲絞制而成的絞絲(等效直徑0.7mm),熱絲從內(nèi)孔中心對(duì)中穿過(guò),一端用耐高溫彈簧片拉直,另一端用耐高溫壓片壓緊,沉積裝置示意見圖1a,采用前續(xù)研究中所提出的仿真方法[16]確定的最優(yōu)沉積參數(shù)如表1所示,該參數(shù)下單只模具內(nèi)孔表面的溫度場(chǎng)分布云圖如圖1b所示,由于模具靠近端面的入口區(qū)位置直徑較大,因此表面溫度會(huì)明顯小于壓縮區(qū)、定徑帶以及出口區(qū)部分,但在模具實(shí)際使用過(guò)程中受摩擦磨損比較嚴(yán)重的部位多集中于壓縮區(qū)和定徑帶,在這兩個(gè)重點(diǎn)關(guān)心的區(qū)域,表面溫度分布相對(duì)比較均勻,并且溫度數(shù)值可以滿足沉積高質(zhì)量金剛石薄膜的要求。

圖1　(a)模具內(nèi)孔表面金剛石薄膜沉積裝置示意圖及(b)優(yōu)化沉積參數(shù)下模具內(nèi)孔表面的溫度場(chǎng)分布云圖Fig.1 (a)Schematic diagram of the HFCVD apparatus for depositing the diamond filmon the inner hole surface of the drawing die and(b)the temperature distribution on the inner hole surface under optimized deposition parameters

為了保證拉制的PAP產(chǎn)品的表面光潔度,金剛石薄膜涂層模具的內(nèi)孔表面需要具有較高的光潔度,其表面粗糙度Ra值要低于50 nm,因此還需要對(duì)內(nèi)孔不同區(qū)域沉積的金剛石薄膜(初始表面粗糙度Ra值約為100～150 nm左右)進(jìn)行拋光處理。

表1　用于PAP拉拔模具(Dc=8.0 mm)內(nèi)孔BDM-UM-UNCD薄膜沉積的優(yōu)化參數(shù)Table 1 Optimized deposition parameters for deposition of the BDM-UM-UNCD film on the inner hole surface of the PAP drawing die(D c=8.0 mm)

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河南省人造金剛石微粉質(zhì)檢中心正式成立

由柘城縣質(zhì)監(jiān)局籌建的河南省人造金剛石微粉質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,經(jīng)河南省質(zhì)監(jiān)局于12月1日批準(zhǔn)成立投入正常工作,成為支撐我市現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的又一個(gè)新的公共技術(shù)平臺(tái)。

該中心由柘城縣人民政府投資1100萬(wàn)元,建設(shè)實(shí)驗(yàn)室1500平方米,購(gòu)進(jìn)一批國(guó)產(chǎn)、進(jìn)口先進(jìn)設(shè)備,首批引進(jìn)十余名科技人員。2015年5月20日,省質(zhì)監(jiān)局專家組對(duì)該中心現(xiàn)場(chǎng)評(píng)審后,授予計(jì)量認(rèn)證和授權(quán)認(rèn)證證書。該中心自2014年9月試運(yùn)行以來(lái),承擔(dān)檢測(cè)金剛石微粉400余批次,出具質(zhì)檢報(bào)告220余份。

目前,柘城縣已建成全國(guó)規(guī)模最大的超硬材料產(chǎn)業(yè)集聚區(qū),139家企業(yè)從業(yè)勞動(dòng)者4萬(wàn)余人,年生產(chǎn)人造金剛石15億克拉,人造金剛石微粉47億克拉,人造金剛石制品7大系列140多個(gè)品種、50萬(wàn)套生產(chǎn)規(guī)模,形成了從原輔材料(碳棒)——人造金剛石——人造金剛石微粉——人造金剛石制品的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)業(yè)鏈。柘城縣超硬材料產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)同領(lǐng)域居技術(shù)領(lǐng)先水平,產(chǎn)品暢銷國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)。 (商丘日?qǐng)?bào))

Production and Application of Composite Diamond Film Coated PAP Drawing Die

WANG Xin-chang,SHEN Xiao-tian,ZHAO Tian-qi,SUN Fang-hong,SHEN bin
(School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai,China,200240)

Abstract:A new type of high-performance trilaminar composite diamond film with excellent overall performance,namely boron-doped micro-crystalline,undoped micro-crystalline and undoped nano-crystalline composite diamond,BDM-UM-UNCD film,has been selected as wear-resisting antifriction coating for the inner hole work surface of the PAP (polyethylene-aluminum compound pipe)drawing die.Characterization of it shows that composite diamond film of relatively uniform thickness(19～24μm)and high quality has been deposited on the entire inner hole surface of the drawing die through simulative and optimized deposition parameters,especially on the main work surface;the surface roughness of the film of inner hole can easily reduced to a level of Ra～45 nm through mechanical polishing.The application tests of the PAP drawing die under oil and water lubrication conditions show that this type of composite diamond film coated drawing die has a longer service life and presents excellent application result compared to the uncoated or other type of composite diamond film coated drawing die.

Keywords:composite diamond film;hot filament chemical vapor deposition(HFCVD); drawing die;water lubrication;PAP(polyethylene-aluminum compound pipe)

基金項(xiàng)目:本研究獲得了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)51275302及51375011)及中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)15Z102060056)資助。

作者簡(jiǎn)介:王新昶,男,1988年1月生,上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院博士后,主要研究方向?yàn)榻饎偸∧さ闹苽?、拋光處理及?yīng)用,精密/超精密切削/磨削加工。Email:wangxinchangz@163.com。

收稿日期:2015-10-13

中圖分類號(hào):TQ164

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1673-1433(2016)02-0020-04

引文格式:王新昶,申笑天,趙天奇,等.復(fù)合金剛石薄膜涂層鋁塑復(fù)合管拉拔模的制備及應(yīng)用[J].超硬材料工程,2016,28(2):20-23.