直流電弧等離子體噴射法制備金剛石涂層拉拔模具

崔玉明， 李國(guó)華， 姜 龍

(1. 河北省激光研究所, 石家莊 050081)

(2. 河北普萊斯曼金剛石科技有限公司, 石家莊 050081)

隨著線材拉拔加工向精密、高速、低耗、高生產(chǎn)效率方向發(fā)展，實(shí)際生產(chǎn)對(duì)拉拔模具的質(zhì)量要求也越來越高。傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金模具已經(jīng)不能滿足用戶的需求，人們更趨向于效果更好的金剛石聚晶模具和金剛石涂層模具。一般而言，金剛石聚晶模具雖然比硬質(zhì)合金模具耐磨性能好，但前者具有尺寸限制。目前最大內(nèi)孔尺寸只能到40 mm左右，存在很大的使用制約。而隨著化學(xué)氣相沉積法(CVD法)沉積金剛石薄膜的技術(shù)日趨成熟，金剛石涂層模具內(nèi)孔孔徑可以達(dá)到零點(diǎn)幾毫米至幾百毫米，能夠滿足絕大多數(shù)線管材尺寸的拉拔需求。另外，CVD金剛石涂層模具是由高質(zhì)量的金剛石多晶薄膜涂覆而成，具有很強(qiáng)的耐磨性能和很低的摩擦系數(shù)。模具使用壽命長(zhǎng)，拉拔出的線管材等表面質(zhì)量好，被廣大用戶所接受[1-2]。

目前，金剛石薄膜涂層的制備方法主要有熱絲CVD法和直流電弧等離子噴射CVD法。熱絲CVD法在制備小孔徑模具(φ≤30 mm)上有很大的優(yōu)勢(shì)，但隨著模具孔徑的加大，內(nèi)孔表面附近碳?xì)浠鶊F(tuán)電離密度越來越低，制備的金剛石涂層質(zhì)量越來越差，模具的使用壽命明顯降低甚至無法使用[3]。直流電弧等離子噴射CVD法具有沉積速率高、等離子噴射面積大、金剛石涂層質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，適合于制作各種孔徑的拉拔模具。然而，直流電弧等離子噴射CVD法主要用于自支撐厚膜或者平面涂層的制備，用于內(nèi)孔縱向表面的金剛石薄膜涂層制備較少。因此，本試驗(yàn)采用直流電弧等離子噴射CVD法制備出金剛石涂層拉拔模具，并檢測(cè)其性能。

1 金剛石涂層制備工藝

1.1 強(qiáng)射流等離子炬設(shè)計(jì)

等離子炬是直流電弧等離子噴射裝置中最關(guān)鍵的部件。由于拉拔模具需要在內(nèi)孔進(jìn)行涂層且內(nèi)孔尺寸繁多，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要等離子射流縱向長(zhǎng)度和徑向面積皆可調(diào)節(jié)，以保證不同孔徑的拉拔模具以及同一個(gè)拉拔模具每個(gè)區(qū)域等離子體能量密度分布均勻，從而在模具內(nèi)壁制備出厚度及粒度均勻的金剛石涂層。基于以上考慮，在制備自支撐平面厚膜或者涂層用等離子炬的基礎(chǔ)上，改變氬氣、氫氣和碳源等的進(jìn)氣方式和流速，同時(shí)在輔助陽極和陽極上增加了可拆裝的引弧嘴和陽極噴嘴，再通過引弧嘴和陽極噴嘴孔徑配合調(diào)整等離子射流縱向長(zhǎng)度和徑向面積，實(shí)現(xiàn)拉拔模具內(nèi)孔的均勻沉積。強(qiáng)射流等離子炬結(jié)構(gòu)及工作示意圖如圖1所示。圖1由等離子炬(陰極、輔助陽極、引弧嘴、陽極、陽極噴嘴)、流量計(jì)、襯套組件(上壓蓋、襯套、拉拔模具、防滑擋環(huán))、沉積臺(tái)、真空室、真空計(jì)、測(cè)溫儀、真空泵、壓力調(diào)節(jié)閥組成。

圖1 強(qiáng)射流等離子炬結(jié)構(gòu)及工作示意圖

1.2 基體控溫裝置

在硬質(zhì)合金基體上沉積金剛石涂層，基體溫度是影響金剛石涂層質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。沉積溫度偏高，硬質(zhì)合金中鈷元素的活性增強(qiáng)，擴(kuò)散到基體表面會(huì)使金剛石石墨化，降低金剛石涂層的附著強(qiáng)度；沉積溫度偏低，會(huì)使金剛石純度下降，影響涂層的附著強(qiáng)度和耐磨性能[4]。所以，沉積溫度必須控制在一定的范圍內(nèi)?？紤]到等離子體射流需要穿過拉拔模具內(nèi)孔，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種專門控溫的裝置?？販匮b置及工作示意圖如圖2所示。在圖2中，控溫裝置由襯套和上壓蓋2部分組成，襯套上有測(cè)溫孔和出氣孔，襯套內(nèi)放置拉拔模具。當(dāng)沉積時(shí)，等離子體射流沿著上壓蓋內(nèi)壁流過拉拔模具內(nèi)孔并從出氣孔排出，流經(jīng)拉拔模具內(nèi)壁的等離子體會(huì)提供金剛石沉積所需的含碳基團(tuán)。同時(shí)，產(chǎn)生的熱量會(huì)被沉積臺(tái)內(nèi)的冷卻水帶走，保證拉拔模具基體溫度控制在合理的范圍內(nèi)，且實(shí)時(shí)溫度通過測(cè)溫孔監(jiān)測(cè)。

圖2 控溫裝置示意圖

1.3 沉積基體選擇

碳化鎢硬質(zhì)合金以難熔金屬WC粉末為主要成分，以Co為黏結(jié)劑，在真空爐或者氫氣還原爐中燒結(jié)而成。WC硬質(zhì)合金牌號(hào)主要由Co含量決定，如YG3(Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%)、YG6(Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%)、YG12(Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%)等。在沉積金剛石薄膜涂層時(shí)，黏結(jié)劑Co對(duì)金剛石形核非常不利。它不但抑制形核，而且還是金剛石石墨化的催化劑，直接影響到膜-基附著強(qiáng)度[4]。為此，試驗(yàn)中采用稍低Co含量的YG6牌號(hào)硬質(zhì)合金。

1.4 涂層沉積及拉拔模具制造

拉拔模具坯料經(jīng)過孔型修磨、表面預(yù)處理等步驟后裝入直流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，在裝配合適的引弧嘴和陽極噴嘴中通入Ar、H2和碳源，引弧，調(diào)節(jié)氣體流量、腔壓、基體溫度等工藝參數(shù)，在拉拔模具內(nèi)孔沉積一層厚度15～40 μm的金剛石薄膜涂層。金剛石薄膜涂層經(jīng)機(jī)械拋光后制成金剛石涂層拉拔模具，如圖3所示。對(duì)應(yīng)的具體沉積參數(shù)如表1所示，表1中SLM表示0 ℃、1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的流量(L/min)，SCCM表示0 ℃、1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的流量(mL/min)。

表1 沉積參數(shù)表

2 拉拔模具性能及檢測(cè)

2.1 膜-基附著強(qiáng)度

金剛石涂層與硬質(zhì)合金基體之間的附著強(qiáng)度是其應(yīng)用的關(guān)鍵，應(yīng)保證線材拉拔過程中金剛石涂層牢固不脫落。采用壓痕法檢測(cè)金剛石涂層的附著強(qiáng)度，測(cè)試設(shè)備為SCT-148洛氏硬度計(jì)。首先用線切割將金剛石涂層拉拔模具切成兩半，然后在1 470 N載荷下將金剛石壓頭垂直壓入金剛石涂層表面，觀察壓痕邊緣區(qū)域裂紋和薄膜脫落情況(圖4)。在顯微鏡下觀察壓痕，發(fā)現(xiàn)壓痕邊緣區(qū)域無嚴(yán)重的裂紋和薄膜脫落現(xiàn)象，表明金剛石涂層與硬質(zhì)合金基體之間有很好的附著力。

圖4 1 470 N載荷下金剛石涂層壓痕照片

2.2 金剛石涂層表面粗糙度

在硬質(zhì)合金基體上沉積的金剛石薄膜涂層表面比較粗糙，無法直接用來拉拔線管材，需要對(duì)模具內(nèi)孔的金剛石涂層進(jìn)行拋光來滿足使用要求，一般對(duì)拉拔磨具內(nèi)孔的表面粗糙度要求是Ra≤0.1 mm。在拉拔線材時(shí)，金剛石涂層表面的粗糙度直接影響加工線材的質(zhì)量，所以粗糙度越低越好。實(shí)驗(yàn)中用精密線拋光機(jī)拋光金剛石涂層，拋光過程中加入尺寸2～3 μm的金剛石微粉來提高拋光效率，最終得到了光亮的加工表面。在室內(nèi)溫度20 ℃，相對(duì)濕度42%的環(huán)境下，在拉拔模具工作區(qū)隨機(jī)選取6個(gè)對(duì)稱位置，用表面粗糙度輪廓測(cè)量?jī)x檢測(cè)的表面粗糙度結(jié)果如表2所示。表2中的表面粗糙度Ra平均值為18 nm，可以滿足使用要求。

表2 表面粗糙度測(cè)量值

2.3 金剛石涂層的質(zhì)量

金剛石涂層的質(zhì)量主要是指涂層中金剛石的純度。用激光器波長(zhǎng)λ為532.11 nm的LRS-5微區(qū)拉曼光譜儀，分別測(cè)量拉拔模具樣品拋光后的潤(rùn)滑區(qū)、壓縮區(qū)、定徑區(qū)的拉曼光譜，觀察各部分的金剛石特征峰是否純凈。金剛石涂層拉拔模具斷面圖如圖5所示，拉拔模具不同位置金剛石涂層的拉曼光譜如圖6所示。從圖6可以看出：拉拔模具各區(qū)在1 332 cm-1附近均有尖銳的金剛石特征峰，而在1 580 cm-1附近的石墨峰都較弱。表明各區(qū)的金剛石成分占優(yōu)，金剛石涂層質(zhì)量較好。

圖5 拉拔模具樣品斷面圖

圖6 拉拔模具不同位置金剛石涂層的拉曼光譜

2.4 金剛石涂層的厚度

在拉拔模具內(nèi)孔沉積金剛石薄膜涂層時(shí)，對(duì)不同型號(hào)的拉拔模具選用合適的引弧嘴，配合陽極孔徑及專用襯套裝置，可以一次性沉積出晶粒大小和膜厚相對(duì)均勻的金剛石薄膜涂層。對(duì)圖5所示的拉拔模具5個(gè)區(qū)，通過光學(xué)顯微鏡檢測(cè)斷面膜厚，每個(gè)區(qū)檢測(cè)3個(gè)部位，膜厚取其平均值，膜厚值測(cè)量結(jié)果如表3所示。表3中的潤(rùn)滑區(qū)、壓縮區(qū)、定徑區(qū)3個(gè)區(qū)薄膜厚度基本一致，都在(20.0±3.0) μm范圍內(nèi)；入口區(qū)與出口區(qū)薄膜厚度稍薄。這種不同區(qū)域的厚度差正好與模具在使用過程中的受力情況和磨損情況一致。在實(shí)際拉線過程中，潤(rùn)滑區(qū)、壓縮區(qū)、定徑區(qū)3個(gè)區(qū)直接與線材接觸并受力，金剛石薄膜涂層偏厚可以保證其使用壽命；而入口區(qū)與出口區(qū)分別是為了加潤(rùn)滑液與排除廢液，它們不與線材接觸，金剛石薄膜涂層稍薄不會(huì)影響其性能與壽命。經(jīng)試驗(yàn)證明，此金剛石薄膜涂層拉拔模具性能良好[5-6]。

表3 不同位置的金剛石涂層厚度

3 結(jié)論

直流電弧等離子噴射CVD法具有沉積速率高、等離子噴射面積大、金剛石質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，適合于制作各種孔徑的拉拔模具。針對(duì)拉拔模具縱向沉積金剛石涂層的特點(diǎn)，在制備金剛石平面厚膜和平面涂層用等離子炬的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)了強(qiáng)射流等離子炬，再配合對(duì)應(yīng)的控溫裝置和沉積工藝，制備出合格的金剛石涂層拉拔模具。對(duì)樣品進(jìn)行性能檢測(cè)和結(jié)果分析，得出如下結(jié)論：

(1)在1 470 N載荷下，金剛石薄膜壓痕邊緣區(qū)域無嚴(yán)重的裂紋和薄膜脫落現(xiàn)象，金剛石涂層與硬質(zhì)合金基體之間附著性很好。

(2)加工后的涂層表面Ra平均值為18 nm，滿足使用要求。

(3)涂層拉曼光譜顯示拉拔模具內(nèi)孔各區(qū)域金剛石成分占優(yōu)，金剛石涂層質(zhì)量較好。

(4)與線材接觸區(qū)域的金剛石涂層厚度均在(20.0±3.0) μm范圍內(nèi)，可保證涂層的使用壽命。