HFCVD金剛石薄膜涂層小孔徑拉絲模的制備及應(yīng)用研究

王新昶,王成川,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)

HFCVD金剛石薄膜涂層小孔徑拉絲模的制備及應(yīng)用研究

王新昶,王成川,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)

在傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金拉拔模具內(nèi)孔表面沉積熱絲化學(xué)氣相沉積(Hot filament chemical vapor deposition,HFCVD)金剛石薄膜可顯著提升模具的耐磨損性能,降低拉拔過程中的摩擦系數(shù),改善模具應(yīng)用效果,但是對(duì)于小孔徑拉絲模而言,采用HFCVD方法在其內(nèi)孔表面沉積金剛石薄膜對(duì)熱絲的對(duì)中性提出了極高要求,且難以同時(shí)滿足“熱絲溫度盡量高”和“基體溫度控制在合適的范圍內(nèi)”這兩個(gè)必要條件。文章開發(fā)了可保證熱絲對(duì)中性的平行四邊形拉絲裝置及可滿足熱絲及拉絲模內(nèi)孔表面雙重溫度要求的輔助散熱裝夾夾具,并選取定徑帶直徑為1.3 mm的漆包線拉絲模作為研究對(duì)象,結(jié)合基于有限體積法的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真方法和正交配制方法,對(duì)該工況下內(nèi)孔金剛石薄膜涂層沉積過程中與拉絲模內(nèi)孔表面溫度場分布相關(guān)的工藝參數(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化,在此基礎(chǔ)上,在拉絲模內(nèi)孔表面均勻沉積了可滿足高品質(zhì)漆包線高速拉拔生產(chǎn)需求的、具有良好綜合性能的高質(zhì)量硼摻雜微米-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-UNCCD)薄膜,顯著提高了模具壽命,獲得了良好的應(yīng)用效果。

金剛石薄膜;熱絲化學(xué)氣相沉積;小孔徑;拉絲模;漆包線

1 引 言

拉絲模通常指的是用于拉制各類金屬線材(包括雙金屬絲、銅絲、鋁絲、不銹鋼絲、低碳鋼絲、中碳鋼絲、高碳鋼絲等)的模具[1],目前工業(yè)生產(chǎn)中常用的拉絲模材料主要包括鋼材、硬質(zhì)合金、聚晶金剛石復(fù)合體(Polycrystalline diamond compacts,PDC)和單晶金剛石等,其中鋼制拉絲模僅能用于拉制較軟的金屬材料(比如金、銀);硬質(zhì)合金拉絲模是最常用的拉絲模種類,常見的鎢鈷類硬質(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絲模最常用的材料,但是硬質(zhì)合金的硬度仍然有限,不能滿足拉絲模高耐磨損性、長壽命、長期運(yùn)行穩(wěn)定性等方面的要求,并且其所使用的原材料(鎢、鈷等)都是重要的戰(zhàn)略資源,硬質(zhì)合金拉絲模的快速損耗和失效會(huì)導(dǎo)致這些國家重要戰(zhàn)略資源的大量消耗; PDC拉絲模是采用聚晶金剛石微粉和粘結(jié)劑燒結(jié)而成的[2],在應(yīng)用過程中硬度較低的粘結(jié)劑容易磨損,導(dǎo)致金剛石晶粒凸出,影響加工質(zhì)量和模具壽命;單晶金剛石拉絲模具有純金剛石組分,因此耐磨損性能優(yōu)異,壽命很長,但是價(jià)格非常昂貴、加工成型困難。

漆包線是繞組線的一個(gè)主要品種,由導(dǎo)體和絕緣層兩部分組成,裸線經(jīng)退火軟化后,再經(jīng)過多次涂漆,烘焙而成。漆包線產(chǎn)品具有較高的質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),其成品的外觀、尺寸及性能都必須符合產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),漆包線成品外觀應(yīng)光潔,色澤均勻,無粒子,無氧化、發(fā)毛、陰陽面、黑斑點(diǎn)、脫漆等影響性能的缺陷,而影響其成品外觀質(zhì)量的一個(gè)重要因素就是采用拉絲模拉拔生產(chǎn)的銅裸線的表面質(zhì)量。此外,漆包線成品及銅裸線在尺寸精度、機(jī)械性能、耐熱性能、電學(xué)性能和耐化學(xué)性能等方面也具有很高的質(zhì)量要求。因此,相對(duì)于其他金屬線材拉拔制品而言,漆包線中銅裸線部分的拉拔生產(chǎn)對(duì)于拉絲模的內(nèi)孔表面光潔度、內(nèi)孔尺寸精度、孔徑穩(wěn)定性(即耐磨性)、摩擦磨損性能和實(shí)際應(yīng)用效果提出了更高的要求。

化學(xué)氣相沉積(Chemical vapor deposition, CVD)金剛石薄膜具有高達(dá)99%以上的金剛石sp3結(jié)構(gòu)純度,因此其性能接近天然單晶金剛石,比如有極高的硬度、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[3,4],因此在拉絲模領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。相比于硬質(zhì)合金和PDC,金剛石薄膜的耐磨損性能更加優(yōu)異,相比于單晶金剛石,金剛石薄膜性價(jià)比更高,并且可以在硬質(zhì)合金模具預(yù)成型基礎(chǔ)上進(jìn)行表面沉積,不存在加工成型問題。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)等,其中HFCVD方法具有設(shè)備簡單、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)孔表面金剛石薄膜的沉積,因此是最適用于金剛石薄膜涂層拉絲模批量化生產(chǎn)的工藝方法[5,6]。

采用HFCVD方法進(jìn)行金剛石薄膜涂層拉絲模制備的基本工藝方法是:將用作熱源的耐高溫金屬絲(主要是鉭絲或鎢絲)穿過拉絲模內(nèi)孔并拉緊,通電加熱金屬絲,通過高溫金屬絲為CVD反應(yīng)提供能量并控制熱絲和基體溫度,同時(shí)控制反應(yīng)氣體流量、反應(yīng)壓力等沉積參數(shù),從而在模具內(nèi)孔表面獲得滿足金剛石薄膜生長的氛圍[7]。在該工藝過程中,熱絲穿過模具內(nèi)孔后的對(duì)中性會(huì)顯著影響內(nèi)孔表面的溫度分布均勻性,進(jìn)而影響金剛石薄膜沉積的均勻性,熱絲溫度必須達(dá)到2000℃以上,才能保證氣源分解反應(yīng)尤其是氫氣分解反應(yīng)的正常進(jìn)行,通常情況下要求熱絲溫度盡量高,一般要保持在2200℃以上以提供較高的氣源分解效率,同時(shí)拉絲模內(nèi)孔表面溫度必須控制在600℃～1000℃(嚴(yán)格而言,700℃～900℃)之間以保證金剛石的正常生長。對(duì)于孔徑較大的拉絲模,通過控制熱絲參數(shù)以保證熱絲和基體溫度比較簡便,對(duì)于熱絲對(duì)中性的要求也相對(duì)較低,但是對(duì)于小孔徑的拉絲模,熱絲和內(nèi)孔表面的距離很小,因此如何同時(shí)達(dá)到“熱絲溫度盡量高”和“基體溫度控制在合適的范圍內(nèi)”這兩個(gè)必要條件,是亟需解決的工藝難題,此外,小孔徑拉絲模有限的內(nèi)孔空間也對(duì)熱絲對(duì)中性提出了極高的要求。

國內(nèi)外研究人員針對(duì)拉拔模具內(nèi)孔表面金剛石薄膜沉積技術(shù)開展的研究較少,在國外,日本工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程研究所的M.Murakawa等學(xué)者以及法國的D.Ivan等研究人員分別采用HFCVD和MPCVD方法在拉拔模具內(nèi)孔表面沉積了金剛石薄膜[8-10],但是均未見有后續(xù)研究及應(yīng)用的報(bào)道,尤其是其中的MPCVD方法,工藝復(fù)雜,難以量產(chǎn)。在國內(nèi),四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院無機(jī)材料系的茍立等學(xué)者、龍巖學(xué)院物理與機(jī)電學(xué)院的唐慶順等學(xué)者、中國工程物理研究院結(jié)構(gòu)力學(xué)研究所的梅軍等研究人員圍繞模具內(nèi)孔表面金剛石薄膜沉積技術(shù)也開展了一些基礎(chǔ)及應(yīng)用性研究[11-16]。近十年來,本課題組則系統(tǒng)性地針對(duì)各種不同的拉拔模、緊壓模、焊接套等圓孔模具進(jìn)行了較為系統(tǒng)的內(nèi)孔常規(guī)、納米或微納復(fù)合HFCVD金剛石薄膜制備與應(yīng)用研究[7,17-21],長期致力于各類普通圓孔模具的產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用,研制的各類金剛石薄膜涂層模具制品的使用壽命可以達(dá)到傳統(tǒng)硬質(zhì)合金模具的10倍以上,并且在拉拔過程中可以有效保證拉拔制品的表面光潔度和尺寸穩(wěn)定性,但仍未完全解決金剛石薄膜涂層小孔徑拉絲模的制備難題。

本文選取了定徑帶直徑為1.3 mm的小孔徑漆包線拉絲模作為研究對(duì)象,開發(fā)了適用于小孔徑內(nèi)孔表面金剛石薄膜沉積的專用熱絲張緊裝置和基體裝夾夾具,并結(jié)合基于有限體積法的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真方法,采用仿真方法對(duì)內(nèi)孔表面溫度場分布相關(guān)的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,據(jù)此在拉絲模內(nèi)孔表面獲得了均勻的溫度場分布,在此基礎(chǔ)上,選用前期研究中開發(fā)的高性能硼摻雜微米-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-UNCCD)薄膜作為內(nèi)孔表面保護(hù)涂層[22],并采用未涂層拉絲模進(jìn)行了對(duì)比拉拔應(yīng)用試驗(yàn)。

2 小孔徑內(nèi)孔表面金剛石薄膜沉積專用裝置的設(shè)計(jì)

內(nèi)孔HFCVD金剛石薄膜沉積的反應(yīng)設(shè)備及反應(yīng)原理如圖1所示,在內(nèi)孔表面沉積HFCVD金剛石薄膜是通過將熱絲穿入內(nèi)孔作為熱源和反應(yīng)氣體分解源來實(shí)現(xiàn)的,在HFCVD金剛石薄膜沉積過程中存在兩個(gè)關(guān)鍵的溫度數(shù)值,其一是熱絲溫度盡量高,以保證反應(yīng)氣體分解效率。其二是基體溫度要控制在700℃～900℃的溫度范圍內(nèi),這一溫度相對(duì)于熱絲溫度而言較低。對(duì)于普通孔徑的模具而言,合理控制熱絲直徑和熱絲溫度即可較好地滿足這兩個(gè)條件,但是當(dāng)模具孔徑較小時(shí),這兩個(gè)關(guān)鍵的溫度數(shù)值卻成為一對(duì)非常尖銳的矛盾制約體,當(dāng)熱絲溫度達(dá)到2000℃以上時(shí),基體溫度往往也會(huì)超過1000℃,而要使基體溫度滿足沉積需求,熱絲溫度就無法達(dá)到氣源分解所需要的溫度,因此需要采用輔助手段來加快基體散熱從而在熱絲和基體表面之間形成較大的溫度梯度。

此外,在小孔徑內(nèi)孔涂層過程中,采用與普通孔徑類似的直拉熱絲法進(jìn)行穿絲時(shí),對(duì)熱絲的對(duì)中性提出了很高的要求,因?yàn)閷?duì)小孔徑模具而言,熱絲稍有偏離?？纵S線就會(huì)使基體內(nèi)孔表面溫度場分布的不均勻性迅速增加,并且在沉積過程中的溫度變化會(huì)導(dǎo)致熱絲熱脹冷縮,致使熱絲下垂等更為嚴(yán)重的偏離軸線的情況出現(xiàn),嚴(yán)重影響金剛石薄膜生長的質(zhì)量均勻性,甚至?xí)霈F(xiàn)熱絲碰觸基體表面從而導(dǎo)致基體表面燒傷或短路的情況發(fā)生,因此需要采用新型的熱絲排布方式或熱絲張緊裝置來保證金剛石薄膜沉積過程中熱絲的對(duì)中性。針對(duì)這一問題,中國工程物理研究院結(jié)構(gòu)力學(xué)研究所的梅軍等研究人員開發(fā)出了垂直拉絲的拉拔模具批量化HFCVD金剛石薄膜沉積設(shè)備[14-16],但是受熱絲自身強(qiáng)度的限制,垂直拉絲方法中錐形重物重力的合理控制比較困難,并且設(shè)備整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,真空反應(yīng)腔內(nèi)的整體沉積環(huán)境更加難以精確控制。

圖1 內(nèi)孔HFCVD金剛石薄膜沉積的反應(yīng)設(shè)備示意圖及反應(yīng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of reactor and reaction principle of inner bore HFCVD diamond film deposition

為了保證沉積過程中熱絲的對(duì)中性不發(fā)生改變,我們提出了一種菱形的新型輔助熱絲張緊裝置,該新型裝置的工作原理和樣品模型如圖2所示,其中(a)所示為傳統(tǒng)輔助熱絲張緊裝置的工作原理,在傳統(tǒng)裝置中,用于熱絲張緊的拉力來源于單根高溫彈簧片,彈簧片底端固定,熱絲另一端采用耐高溫壓片壓緊,實(shí)線所示為沉積前的熱絲張緊位置,在沉積過程中隨著溫度升高,熱絲膨脹伸長,彈簧片會(huì)向虛線方向移動(dòng),則熱絲的對(duì)中位置會(huì)發(fā)生較大改變,從而影響模具內(nèi)孔表面溫度分布的均勻性。(b)所示則為新型輔助熱絲張緊裝置的工作原理,用于熱絲張緊的拉力來源于四根等長度、成菱形布置的高溫彈簧片,彈簧片組于熱絲重合的水平對(duì)角線后端固定,熱絲另一端采用耐高溫壓片壓緊,同樣的,實(shí)線所示為沉積前的熱絲張緊位置,在沉積過程中隨著溫度升高,熱絲膨脹伸長,四根彈簧片分別會(huì)向?qū)?yīng)虛線位置移動(dòng),但是只要在安裝時(shí)保證了熱絲的對(duì)中性,在整個(gè)沉積過程中溫度的變化就不會(huì)對(duì)熱絲位置造成明顯影響。

圖2 熱絲張緊裝置原理圖Fig.2 Schematic diagram of hot filament tensioner

在內(nèi)孔金剛石薄膜沉積過程中,反應(yīng)腔內(nèi)的熱量傳遞過程如下:首先,熱絲通電發(fā)熱產(chǎn)生的熱量會(huì)通過熱輻射作用傳遞到模具、紅銅塊、石墨工作臺(tái)或反應(yīng)腔的水冷外壁面上,模具吸收的熱量有一部分會(huì)用于加熱模具,還有一部分會(huì)通過紅銅塊傳遞到石墨工作臺(tái)上,模具和紅銅塊吸收的熱量還會(huì)有一部分通過輻射作用傳遞到反應(yīng)腔的水冷外壁面,其中大部分的多余熱量是通過水冷外壁面及石墨工作下方的水冷臺(tái)散出的。對(duì)小孔徑模具而言,采用這種傳統(tǒng)的熱量傳遞系統(tǒng)可能無法保證熱絲與模具內(nèi)孔表面之間形成合理的溫度梯度,因此我們在原有的紅銅支承塊內(nèi)部通冷卻水管,以增加對(duì)流散熱,加快模具向外散熱的速率,同時(shí)再合理增加熱絲功率,以保證基體內(nèi)孔表面的溫度控制在700℃～900℃之間,同時(shí)熱絲溫度可以達(dá)到2000℃以上。

3 漆包線拉絲模內(nèi)孔表面溫度場分布相關(guān)的工藝參數(shù)優(yōu)化

采用上述小孔徑內(nèi)孔表面金剛石薄膜沉積專用裝置在進(jìn)行漆包線拉絲模內(nèi)孔表面金剛石薄膜沉積的過程中,與基體內(nèi)孔表面溫度場分布相關(guān)的工藝參數(shù)主要包括反應(yīng)壓力、反應(yīng)氣體流量(包括碳源濃度)、熱絲溫度Tf、熱絲直徑df、熱絲長度lf和輔助散熱夾具散熱效率q(定義為紅銅支承塊的經(jīng)驗(yàn)表面對(duì)流散熱系數(shù),實(shí)際上與冷卻水流量相關(guān)),其中反應(yīng)壓力和反應(yīng)氣體流量與沉積的金剛石薄膜類型及質(zhì)量直接相關(guān),因此不能隨意調(diào)整,因此本研究中主要針對(duì)另外四個(gè)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化目標(biāo)是在給定的熱絲溫度條件下(2000℃、2100℃、2200℃或2300℃,熱絲溫度盡量高),保證拉絲模內(nèi)孔表面溫度控制在合適的溫度區(qū)間內(nèi)(700℃～900℃,考察目標(biāo)為最低溫度數(shù)值Tm),并使得溫差d T盡量小。

采用基于有限體積法的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行溫度場仿真分析,采用的典型仿真計(jì)算模型如圖3所示(拉絲模定徑帶直徑Dc=1.3mm),正交仿真中會(huì)對(duì)其中的細(xì)節(jié)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,采用正交配置法進(jìn)行仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì),考慮的具體因素及水平如表1所示,正交仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)表、仿真計(jì)算結(jié)果及極差分析結(jié)果如表2所示。其中,由于空間限制,針對(duì)小孔徑拉絲模選取的熱絲直徑df相對(duì)較小(0.25～0.55 mm),表中所列的散熱效率均有詳細(xì)的對(duì)應(yīng)的冷卻水流量數(shù)值,可在試驗(yàn)或生產(chǎn)過程中進(jìn)行直接調(diào)節(jié)。

圖3 典型的仿真計(jì)算模型Fig.3 Typical simulating calculation model

表1 用于正交仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素及水平Table 1 Factors and levels designed for orthogonal simulation experiment

表2 正交仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)表、仿真計(jì)算結(jié)果及極差分析結(jié)果Table 2 Design list of orthogonal simulation experiment,simulating calculation result and range analysis result

對(duì)于具有入口區(qū)、壓縮區(qū)、定徑帶和出口區(qū)等典型區(qū)分區(qū)域的拉絲模而言,內(nèi)孔表面的溫差主要存在于具有不同直徑的區(qū)域表面(如圖4典例所示)。如表2所示,誤差列的極差明顯小于其他因素,說明采用該正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表配置的仿真分析方案較為合理,結(jié)果誤差較小;通過極差(Rj)計(jì)算結(jié)果可知,q對(duì)于Tm和d T的影響均最為顯著,Tf對(duì)于Tm也有較為顯著的影響,其次為df,再次為lf;df對(duì)于d T有僅次于q的顯著影響,其次為Tf,再次為lf。各因素的效應(yīng)曲線如圖5所示,由圖中可直觀看出各因素對(duì)于各評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律:Tm會(huì)隨Tf的增加而增加,因?yàn)門f的增加會(huì)直接增加反應(yīng)熱量;Tm會(huì)隨df的增大而增加,因?yàn)閐f的增大會(huì)導(dǎo)致熱絲輻射面積顯著增大;Tm會(huì)隨lf的增大而增加,因?yàn)閘f的增大同樣會(huì)導(dǎo)致熱絲輻射面積增大;Tm會(huì)隨q的增大而明顯下降,則是因?yàn)樯犸@著增強(qiáng);d T會(huì)隨Tf的增加而增大,因?yàn)樵谄渌麠l件不變的情況下,溫度基數(shù)有所提高; d T會(huì)隨df的增加而減小,因?yàn)闊峤z表面與基體表面的距離相對(duì)減小,熱絲輻射面積增大,因此熱絲向具有不同直徑的區(qū)域表面進(jìn)行熱輻射的差異性減小; d T也會(huì)隨lf的增加而減小,因?yàn)闊峤z增加的長度均在內(nèi)孔范圍(本文所采用的拉絲模內(nèi)孔總長為22mm)之外,增加的輻射面積所產(chǎn)生的熱輻射會(huì)更多地作用于溫度較低的入口區(qū)和出口區(qū)表面,但是對(duì)高溫區(qū)影響較小;d T會(huì)隨q的增加而顯著減小,則是因?yàn)檎w散熱效率的提升大幅抵消了不同位置的溫度差異性,除了起散熱作用之外,還具有一定的均熱作用。

圖4 優(yōu)化的工藝參數(shù)下漆包線拉絲模內(nèi)孔表面的溫度場分布云圖Fig.4 temperature field distribution of inner bore surface of the enamelled wire drawing mold under optimized technological parameters

圖5 各因素的效應(yīng)曲線圖Fig.5 Effective curves of the factors

綜上所述,在保證熱絲溫度盡量高(2300℃)的前提下,增加df、lf和q均可以起減小內(nèi)孔表面溫差的作用,因此分別取其值為0.55mm、90mm和20W/ (m2·K),即相對(duì)于第15組實(shí)驗(yàn),繼續(xù)增加df和lf,考慮到第15組實(shí)驗(yàn)的Tm結(jié)果為796℃,繼續(xù)增加df和lf所產(chǎn)生的溫升效果應(yīng)該可以保證基體溫度仍然在合適的范圍內(nèi),基于該優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行仿真的結(jié)果(圖4)進(jìn)一步證明了這一點(diǎn)(Tm=827℃,d T= 23℃),因此最終確定的漆包線拉絲模內(nèi)孔表面溫度場分布相關(guān)的工藝參數(shù)為:Tf=2200℃,df= 0.55mm,lf=90mm,q=20W/(m2·K)。

4 薄膜沉積及應(yīng)用試驗(yàn)

選用高性能的BDM-UM-UNCCD薄膜作為漆包線拉絲模的內(nèi)孔表面保護(hù)涂層,完整的沉積參數(shù)如前文所述,采用該沉積參數(shù)在Dc=1.3 mm的小孔徑漆包線拉絲模內(nèi)孔表面制備了厚度均勻的高質(zhì)量薄膜并進(jìn)行拋光,薄膜表征結(jié)果不贅述。該涂層拉絲模在上海裕生特種線材有限公司的漆包線拉拔生產(chǎn)線上進(jìn)行了拉拔漆包線中銅裸線部分的實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn),表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用效果。該模具樣品及生產(chǎn)的漆包線成品如圖6所示,應(yīng)用試驗(yàn)中共計(jì)采用了八道次的BDM-UM-UNCCD薄膜涂層模具,該模具為最后一道成品模具。

圖6 BDM-UM-UNCCD薄膜涂層小孔徑漆包線拉絲模的應(yīng)用Fig.6 Application of small-aperture enamelled wire drawing mold with BDM-UM-UNCCD film coating

應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明,應(yīng)用上述研究中設(shè)計(jì)開發(fā)的專用熱絲張緊裝置及輔助散熱夾具,采用正交仿真優(yōu)化的與內(nèi)孔表面溫度場分布相關(guān)的工藝參數(shù),在小孔徑漆包線拉絲模內(nèi)孔表面均勻沉積具有良好的綜合性能的BDM-UM-UNCCD薄膜所獲得的金剛石薄膜涂層拉絲模具有其他拉絲模產(chǎn)品難以企及的優(yōu)異性能,具體表現(xiàn)在以下方面:

(1)BDM-UM-UNCCD薄膜具有優(yōu)異的耐磨損性能,大幅提高了小孔徑漆包線拉絲模的使用壽命。采用硬質(zhì)合金拉絲模,生產(chǎn)約15 t的漆包線產(chǎn)品后,由于模具內(nèi)孔表面磨損,表面質(zhì)量惡化,繼續(xù)生產(chǎn)的漆包線產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)難以滿足使用要求。采用BDM-UM-UNCCD薄膜涂層拉絲?？梢苑€(wěn)定生產(chǎn)300 t以上的高質(zhì)量漆包線產(chǎn)品,模具使用壽命提高了20倍。

(2)可以有效提高漆包線產(chǎn)品的表面質(zhì)量。該復(fù)合薄膜表面的納米薄膜層具有較好的可拋光性,經(jīng)過后續(xù)拋光的BDM-UM-UNCCD薄膜涂層漆包線拉絲模的內(nèi)孔表面粗糙度Ra值小于50 nm,達(dá)到了鏡面光潔度,該模具全壽命周期內(nèi)表面光潔度不會(huì)發(fā)生明顯改變。該薄膜具有良好的摩擦性能,與銅裸線材料對(duì)摩的摩擦系數(shù)較小,拉拔生產(chǎn)過程中對(duì)于銅裸線表面的刮擦作用較弱,因此可以保證全壽命周期內(nèi)拉拔生產(chǎn)的漆包線銅裸線產(chǎn)品具有良好的表面質(zhì)量,進(jìn)而保證漆包線成品的表面質(zhì)量。

(3)有效提高了漆包線銅裸線產(chǎn)品的尺寸精度及其相關(guān)性能。BDM-UM-UNCCD薄膜優(yōu)異的耐磨損性能同時(shí)意味著涂層模具具有良好的孔型保持性,只要模具產(chǎn)品的初始尺寸精度達(dá)到了使用要求,在全壽命周期內(nèi)就不會(huì)發(fā)生明顯改變,進(jìn)而可以保證拉制的銅裸線產(chǎn)品尺寸精度的穩(wěn)定性,在電學(xué)應(yīng)用中,漆包線銅裸線產(chǎn)品截面尺寸的穩(wěn)定性有利于提高其電阻穩(wěn)定性和耐壓水平。此外,銅裸線產(chǎn)品尺寸精度的穩(wěn)定還可以有效減少銅材料的浪費(fèi)。

(4)BDM-UM-UNCCD薄膜涂層小孔徑拉絲模全使用壽命周期內(nèi)無需進(jìn)行停機(jī)檢測、修模和換模,同時(shí)摩擦系數(shù)的減小有助于拉拔速度的提高,因此可以有效提高生產(chǎn)效率。摩擦系數(shù)的減小同樣會(huì)使拉拔生產(chǎn)過程中的摩擦生熱減少,減少能源浪費(fèi),推動(dòng)實(shí)現(xiàn)高效、低碳生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)小孔徑內(nèi)孔HFCVD金剛石薄膜沉積過程對(duì)于熱絲對(duì)中性提出的極高要求,以及“熱絲溫度盡量高(2000℃以上)”和“基體溫度控制在合適的范圍內(nèi)(700℃～900℃)”這兩個(gè)必要條件難以同時(shí)滿足的技術(shù)難題,分別開發(fā)了平行四邊形熱絲張緊裝置以及輔助散熱裝夾夾具,有效滿足了小孔徑內(nèi)孔高質(zhì)量金剛石薄膜的沉積需求。

選取定徑帶直徑Dc=1.3mm的漆包線拉絲模作為典型實(shí)例,選取熱絲溫度Tf、熱絲直徑df、熱絲長度lf和輔助散熱夾具散熱效率q四個(gè)與內(nèi)孔表面溫度場分布直接相關(guān)的工藝參數(shù)作為優(yōu)化對(duì)象,采用正交配置方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)計(jì)劃,結(jié)合基于有限體積法的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真分析方法,研究了上述參數(shù)對(duì)于內(nèi)孔表面最低溫度及溫差的影響規(guī)律,并獲得了優(yōu)化的工藝參數(shù):Tf=2200℃,df=0.55mm,lf= 90mm,q=20W/(m2·K)。

在上述研究基礎(chǔ)上,在拉絲模內(nèi)孔表面均勻沉積了高質(zhì)量的BDM-UM-UNCCD薄膜并進(jìn)行拋光,實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明,基于上述裝置及研究方法制備的金剛石薄膜涂層拉絲模具有顯著優(yōu)于傳統(tǒng)硬質(zhì)合金模具的使用壽命和應(yīng)用效果。

[1] 于仁偉,謝鐵橋.拉絲模與潤滑劑[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,1991.

[2] 張勤儉,曹鳳國,王先逵.聚晶金剛石的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].金剛石與磨料磨具工程,2006,(1):71-74.

[3] Sun F.,Zhang Z.,Chen M.,et al.Fabrication and application of high quality diamond-coated tools[J].Journal of Materials Processing Technology,2002,129:435-440.

[4] Inspektor A.,Oles E.J.,Bauer C.E.Theory and practice in diamond coated metal-cutting tools[J].International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,1997,15(1-3):49-56.

[5] Bachmann P.,Enckevort W.V.Diamond deposition technologies[J].Diamond and Related Materials,1992,1:1021-1034.

[6] Abreu C.S.,Amaral M.,Oliveira F.J.,et al.Enhanced performance of HFCVD nanocrystalline diamond self-mated tribosystems by plasma pretreatments on silicon nitride substrates [J].Diamond and Related Materials,2006,15:2024-2028.

[7] Zhang Z.,Shen H.,Sun F.,et al.Fabrication and application of chemical vapor deposition diamond-coated drawing dies[J]. Diamond and Related Materials,2001,10(1):33-38.

[8] Murakawa M.,Takeuchi S.,Yoshida K.Fabrication of a diamond-coated drawing die and performance test[J].Journal of the Japan Society for Technology of Plasticity,1996,37(422): 277-282.

[9] Murakawa M.,Takeuchi S.Wire drawing die for thin wire using polycrystalline diamond synthesized by vapor deposition method[P].Japan,1997,JP09220610.

[10] Ivan D.,Elizabeth B.G.Reactor for diamond synthesis assisted by microware plasma has system for forcing and depositing diamond germination species on inner walls of holes in wire drawing dies[P].France,2004,FR200200015108.

[11] 茍立,安曉明,冉均國.CVD金剛石涂層拉拔模的制備[J].工具技術(shù),2007,41(6):62-64.

[12] 唐慶順.CVD金剛石薄膜涂層銅線拉絲模的制備與應(yīng)用[J].工具技術(shù),2011,45(8):60-63.

[13] 唐慶順,姚建盛,謝煌生,等.高質(zhì)量CVD金剛石薄膜涂層拉拔模的制備與應(yīng)用研究[J].龍巖學(xué)院學(xué)報(bào),2010,28(5):40-43.

[14] 李建國,豐杰,梅軍,等.金剛石涂層拉絲模具批量制備裝置[P].中國,2009,ZL200820062778.5.

[15] 梅軍,胡東平,李建國,等.小孔徑金剛石涂層拉絲模具制備裝置[P].中國,2010,ZL200810044524.5.

[16] 胡東平,季錫林,李建國,等.金剛石涂層拉拔模具的制備與性能研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2010,30(3):44-48.

[17] 張志明,沈菏生,孫方宏,等.CVD金剛石涂層拉絲模的研制與應(yīng)用[J].工具技術(shù),2000,34(4):13-15.

[18] 張志明,沈荷生,孫方宏,等.納米金剛石復(fù)合涂層緊壓模的制備及應(yīng)用[J].電線電纜,2003,8(4):9-12.

[19] 郭松壽,張志明,沈荷生,等.納米金剛石復(fù)合涂層焊接套及拉拔套的特性與應(yīng)用[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù),2007,2 (1):9-12.

[20] Sun F.H.,Ma Y.P.,Shen B.,et al.Fabrication and application of nano-microcrystalline composite diamond films on the interior hole surfaces of Co cemented tungsten carbide substrates[J].Diamond and Related Materials,2009,18(2-3): 276-282.

[21] 鄭華,孫方宏,彭東輝.大孔徑內(nèi)孔表面金剛石薄膜涂層的制備[J].金剛石與磨料磨具工程,2009,10(5):13-16.

[22] 王新昶,申笑天,孫方宏,等.HFCVD硼摻雜復(fù)合金剛石薄膜的機(jī)械性能研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2015,35(6).

Study of the Preparation and Application of the Small-Aperture Wire Drawing Mold with HFCVD Diamond Film Coating

WANG Xin-chang,WANG Cheng-chuan,SUN Fang-hong,SHEN Bin
(School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240)

The wear-resisting property of the mold can be significantly improved by depositing HFCVD diamond film on the surface of the inner bore of the traditional cemented carbide drawing mold,and the application effect can be improved as friction coefficient during the drawing process being reduced.However,with regard to small-aperture wire drawing mold,there is an extremely high requirement for alignment of the hot filament when depositing diamond film on its inner bore surface through HFCVD method.Meanwhile,the two essential conditions-"filament temperature as high as possible"and"substrate temperature being controlled within appropriate range"-are hard to be satisfiedsimultaneously.Parallelogram wire drawing device that can ensure the alignment of the hot filament and auxiliary heat radiating clamping fixture that can meet the double temperature requirement of the inner bore surfaces of hot filament and wire drawing mold have been developed and introduced in this article.Enameled wire drawing mold of a diameter of 1.3 mm was selected as the study subject.Technological parameters related to the temperature of the inner bore surface of the wire drawing mold during the deposition process of diamond film coating have been optimized through computational fluid dynamics simulation method and orthogonal preparation method based on the finite volume method.Based on that,high quality BDM-UM-UNCCD(boron-doped micro-crystalline, undoped micro-crystalline and undoped nano-crystalline composite diamond)film with exellent comprehensive performance which can meet the requirement of high speed drawing production of the high quality enamelled wireis uniformly deposited on the inner bore surface of the wire drawing mold.As a result,the service life of the mold has been significantly improved and an exellent application effect has been achieved.

diamond film;HFCVD;small aperture;wire-drawing mold;enamelled wire

TQ164

A

1673-1433(2017)01-0035-08

2016-08-21

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

王新昶(1988-),男,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?、拋光處理及運(yùn)用,精密/超精密切削/磨削加工。

王新昶,王成川,孫方宏,等.HFCVD金剛石薄膜涂層小孔徑拉絲模的制備及應(yīng)用研究[J].超硬材料工程,2017,29(1):35-42.