金刚石涂层拉拔模具制备、性能与优化
Ni-金刚石复合涂层的结构优化及基础磨削性能
*国家自然科学基金(51271153) 周阳:男,1993年生,硕士研究生,研究方向为复合涂层的制备与性能 E -m a i l :1042423256@q q.c o m 聂朝胤:通讯作者,男,1964年生,博士,教授,博士研究生导师,研究方向为功能薄膜材料与材料表面改性 E -m a i l :n i e c y@s w u .e d u .c n N i -金刚石复合涂层的结构优化及基础磨削性能*周 阳,金 秋,龚小玲,聂朝胤(西南大学材料与能源学部,重庆400715)摘要 采用电沉积技术在304不锈钢基体上制备了N i -金刚石复合涂层㊂通过金刚石掺入量㊁加厚镀时间优化了金刚石复合涂层结构,利用球-盘式摩擦磨损试验仪研究了优化后的金刚石复合涂层对不同材料偶件(G C r 15㊁S i C ㊁304不锈钢)的磨削性能㊂结果表明:金刚石掺入量为1.5g /L 时,金刚石上砂均匀且密集;加厚镀15m i n 时,金刚石埋入率约为2/3,附着强度较好,适合磨削加工;G C r 15㊁S i C ㊁304不锈钢3种材料偶件的磨损体积依次减小,分别为:0.35376mm 3㊁0.31590mm 3㊁0.19401mm3,金刚石复合涂层对G C r 15有较好的磨削性能;金刚石复合涂层磨削G C r 15㊁S i C ㊁304不锈钢均发生了磨粒磨损,此外,G C r 15还发生了微弱的化学磨损,不锈钢发生了较明显的化学磨损和粘着磨损㊂关键词 N i -金刚石复合涂层 电沉积 不同偶件 磨削性能中图分类号:T G 174;T G 441 文献标识码:A D O I :10.11896/j.i s s n .1005-023X .2017.020.008S t r u c t u r eO p t i m i z a t i o na n dB a s i cG r i n d i n g Pe rf o r m a n c e o f N i c k e l -d i a m o n dC o m p o s i t eC o a t i n gZ H O U Y a n g ,J I N Q i u ,G O N G X i a o l i n g ,N I EC h a o yi n (F a c u l t y o fM a t e r i a l s a n dE n e r g y ,S o u t h w e s tU n i v e r s i t y ,C h o n g q i n g 400715)A b s t r a c t N i -d i a m o n d c o m p o s i te c o a t i n g w a s p r e p a r e d o n 304s t a i n l e s s s t e e l s u b s t r a t e s b y e l e c t r o d e p o s i t i o n t e c h n i q u e .T h e d i a m o n d c o m p o s i t e c o a t i n g s t r u c t u r ew a s o p t i m i z e d b y a d d i n g t h e a m o u n t of d i a m o n d a n d t h i c k e n i ng t i m e .G r i n d i n g p e r f o r m a n c e o f th e o p ti m i z e d d i a -m o n d c o m p o s i t e c o a t i n g s l i d i n g a g a i n s t d i f f e r e n t c o u n t e r p a r t s (G C r 15,S i C ,304s t a i n l e s s s t e e l )w a s e v a l u a t e db y ba l l d i s c f r i c t i o n a n dw e a r t e s t e r .R e s u l t s s h o w t h a t t h e d i a m o n d i s u n i f o r ma n d d e n s ew h e n d i a m o n d c o n c e n t r a t i o n i s 1.5g /L .W h e n t h e t h i c k e n i n g t i m e i s 15m i n ,t h e e mb e d d i n g r a t i o o f d i a m o n d i s a b o u t 2/3,a n d t h e a d h e s i o n s t r e n g t h i s b e t t e r ,w h ic h i s s u i t a b l e f o r t h e g r i nd i n g p r o ce s s .T h ew e a r v o l u m e of G C r 15,S i C ,304s t a i n l e s s s t e e l a r e d e c r e a s e d i n t u r n ,r e s p e c t i v e l y ,a s f o l l o w s :0.35376m m 3,0.31590m m 3,0.19401m m 3,a n d t h e d i a -m o n d c o m p o s i t e c o a t i n g h a v e b e t t e r g r i n d i n gp e r f o r m a n c e f o rG C r 15.D i a m o n dc o m p o s i t e c o a t i n gg r i n d i n g Si C ,G C r 15,304s t a i n l e s s s t e e l h a v e o c c u r r e d a b r a s i v ew e a r ,i na d d i t i o n ,G C r 15a l s oh a saw e a kc h e m i c a lw e a r ,s t a i n l e s ss t e e l h a sas e r i o u sc h e m i c a lw e a r a n da d h e s i v e w e a r .K e y w o r d s n i c k e l -d i a m o n d c o m p o s i te c o a t i n g ,e l e c t r o d e p o s i t i o n ,d if f e r e n t c o u p l i ng ,g r i n d i n gp e r f o r m a n c e 0 引言金刚石因具有强度硬度高㊁线膨胀系数小㊁耐磨性好等一系列优异的物理化学特性,被认为是理想的切削工具材料[1],其与金属镍共同沉积所形成的复合涂层具有较好的耐磨㊁耐蚀性能,常被用作切割工具,如砂轮㊁线锯㊁切割片等,广泛应用于陶瓷㊁有机玻璃㊁石材㊁有色金属等材料的加工[2-3]㊂但是一般认为金刚石工具不适用于加工F e 基金属材料[4],并简单地解释为金刚石中的碳原子与被加工材料中的铁原子有较好的化学亲和力,易石墨化,从而产生严重的磨损㊂然而由于种种原因,金刚石工具仍被用于某些F e 基金属的加工中[5-6],特别是近年来,金属基陶瓷复合材料在军事防弹㊁食品加工㊁汽车㊁机械等领域的应用越来越广泛[7-8],采用金刚石工具切削金属基陶瓷复合材料时不可避免地会对F e 基金属进行切削㊂为此,有必要进一步深入研究金刚石对F e 基金属的磨削机理㊂本研究采用电沉积技术在304不锈钢基体上制备了N i -金刚石复合涂层,通过金刚石掺入量㊁加厚镀时间等参数优化了N i -金刚石复合涂层结构,获得了具有良好附着强度㊁耐磨性及磨削性能的复合涂层㊂研究了N i -金刚石复合涂层与G C r 15㊁S i C ㊁304不锈钢3种不同材料偶件的摩擦磨损特性,并通过分析不同材料偶件的磨损形貌㊁磨痕处金刚石颗粒的形貌及成分探讨了金刚石复合涂层对不同材料的磨削机理㊂1 实验本实验采用的基体材料为镜面抛光的304不锈钢,试样尺寸为30mmˑ20mmˑ1mm ,磨粒材料为粒度均匀的金刚石微粉,粒径尺寸为40μm ㊂金刚石复合涂层的制备工艺如下:金刚石微粉的酸处理ң基体打磨ң电解除油ң水洗ң㊃53㊃N i -金刚石复合涂层的结构优化及基础磨削性能/周 阳等酸洗ң水洗ң活化ң不锈钢预镀镍ң金刚石上砂镀ң加厚镀ң水洗ң吹干㊂电镀金刚石的镀液成分:硫酸镍280g /L ㊁氯化镍40g /L ㊁硼酸35g /L ㊁糖精1g /L ㊁1,4-丁炔二醇0.5g /L ㊁12-烷基硫酸钠0.1g /L ㊂采用磁力搅拌㊁金刚石掺入量0.5~2g /L ㊁温度60ħ㊁电流密度5A /d m 2㊁上砂时间7m i n 的工艺进行金刚石上砂镀,然后对上砂量好的金刚石试样进行加厚镀,金刚石加厚镀的电流密度为5A /d m 2㊁温度为60ħ㊁时间为5~40m i n㊂采用瑞士C S M 公司生产的球-盘式摩擦磨损试验仪测定不同加厚度时间下金刚石的复合涂层中金刚石颗粒的附着强度,偶件为Φ6mm 的S i C 陶瓷球,载荷8N ,线速度10c m /s ,时间2h ㊂用加厚镀时间为15m i n 的金刚石复合涂层对G C r 15㊁S i C ㊁304不锈钢3种材料偶件进行摩擦磨损实验,考察了金刚石复合涂层的基础磨削特性,采用S E M 分析金刚石复合涂层及不同材料偶件的磨损形貌,采用E D S 分析磨痕处金刚石颗粒表面附着物的成分㊂2 结果与讨论2.1 金刚石掺入量对N i -金刚石复合涂层上砂量的影响图1为不同金刚石掺入量下N i -金刚石复合涂层的表面S E M 图㊂由图1可见,当金刚石掺入量为0.5g /L 时,金刚石微粒分布不均匀且上砂量小,当金刚石掺入量为1g /L时,金刚石的上砂量增多,当金刚石掺入量为1.5g /L 时,金刚石分布均匀且上砂密集,当金刚石掺入量为2g /L 时,金刚石上砂量不再增加㊂这是因为金刚石掺入量越高,被传送至阴极表面的金刚石微粒越多,由于镀液中的金刚石微粒吸附了镍离子,在电场力作用下,被嵌入镀层的金刚石微粒增多㊂金刚石掺入量较高时,传送至阴极表面的金刚石微粒达到饱和状态,金刚石的上砂量不再增加㊂图1 不同金刚石掺入量下N i -金刚石复合涂层的表面S E M 图F i g .1 S u r f a c eS E Mi m a g e s o fN i -d i a m o n d c o m p o s i t e c o a t i n g wi t hd i f f e r e n t d i a m o n d c o n c e n t r a t i o n 2.2 加厚镀时间对金刚石颗粒附着强度的影响图2是金刚石掺入量均为1.5g /L ,不同加厚镀时间下制备的N i -金刚石复合涂层的表面S E M 图㊂从图2中可见,加厚镀5m i n 时,金刚石颗粒棱角分明,金刚石的埋入率低,随着加厚镀时间延长,N i -金刚石复合涂层中金刚石的埋入率增大,加厚镀15m i n 时,金刚石的埋入率约为2/3,露出尖锐的棱边,加厚镀40m i n 时,N i -金刚石复合涂层表面平整,埋入率超过90%,金刚石颗粒几乎完全被覆盖㊂这是由于加厚镀时间越长,金属N i 沉积越厚,使得金刚石的埋入率增大㊂图2 不同加厚镀时间下N i -金刚石复合涂层表面的S E M 图F i g .2 S u r f a c eS E Mi m a g e s o fN i -d i a m o n d c o m p o s i t e c o a t i n g w i t hd i f f e r e n t t h i c k e n i n g ti m e 图3为不同加厚镀时间下N i -金刚石复合涂层的磨痕S E M 图㊂图3(a )中金刚石颗粒呈大面积脱落;图3(b )中金刚石颗粒没有脱落,主要是被磨平,少量金刚石颗粒发生破碎;图3(c )中金刚石颗粒几乎完全被覆盖,但在N i 的磨损表面上呈现连续分布的犁沟㊂由上述实验结果可以看出金刚石颗粒的埋入率过低(低于50%),会导致镀层对金刚石颗粒的把持力不足,磨削过程中金刚石颗粒容易脱落,但是金刚石颗粒的埋入率过高(高于90%),会导致金刚石涂层的磨削能力减弱,金刚石颗粒的埋入率为2/3左右,有较好的磨削能力[9]㊂为此,在后面的分析研究中,采用了具有最优化结图3 不同加厚镀时间下N i -金刚石复合涂层磨痕的S E M 图F i g .3 W e a r s c a r S E Mi m a g e s o fN i -d i a m o n d c o m p o s i t e c o a t i n g u n d e r d i f f e r e n t t h i c k e n i n g ti m e ㊃63㊃材料导报B :研究篇 2017年10月(B )第31卷第10期构的N i -金刚石复合涂层,即金刚石掺入量为1.5g /L ,加厚镀时间为15m i n 的N i -金刚石复合涂层㊂2.3 N i -金刚石复合涂层对不同材料偶件的摩擦磨损性能图4(a )㊁(b )㊁(c )分别为磨削偶件G C r 15㊁S i C ㊁304不锈钢球磨损后的低倍S E M 图,可以看出3种材料偶件的磨损面均呈圆形平面,经计算,磨损体积依次减小,分别为0.35376mm 3㊁0.31590mm 3㊁0.19401mm 3,并没有出现材料硬度越小磨损量越大的现象,且对G C r 15的磨削量略高于S i C ,对不锈钢的磨削量最小㊂这是因为不锈钢本身固有良好的塑性与韧性,在磨削高温条件下,磨屑易黏附在金刚石复合涂层上并填满金刚石颗粒间的缝隙,从而削弱金刚石微粒的磨削作用[10]㊂此外,有研究表明,金刚石磨削黑色金属会发生化学磨损[11],不锈钢中含有F e ㊁C r ㊁M n 等存在未配对d 电子的黑色金属元素,这些元素倾向于通过其d 轨道与碳的p 轨道重叠发生化学反应,使碳原子从紧密的金刚石晶格中脱除,从金刚石晶格脱离出来的碳原子通过与其他碳原子的化合转变成一种软质石墨结构或与被磨削材料形成碳化物或扩散到其中[12-13],对金刚石颗粒造成化学磨损㊂G C r 15与304不锈钢同为黑色金属,但304不锈钢含碳量低,相对较大的碳浓度差易造成金刚石的扩散磨损[14]㊂S i C 的硬度非常高,机械冲击作用会破碎金刚石颗粒,其被磨损体积较G C r 15小㊂图4(d )㊁(e )㊁(f )分别为磨削偶件G C r 15㊁S i C ㊁不锈钢球磨损后的高倍S E M 图㊂G C r 15偶件的磨损表面有较深的犁图4 3种材料偶件磨损后的表面S E M 图及高倍S E M 图:(a ,d )G C r 15,(b ,e )S i C ,(c ,f )304不锈钢F i g .4 S u r f a c eS E Mi m a g e s a n dh i gh r e s o l u t i o n S E Mi m a g e s o f t h r e ek i n d s o fm a t e r i a l e v e na f t e rw e a r i n g:(a ,d )G C r 15,(b ,e )S i C ,(c ,f )304s t a i n l e s s s t e e l沟,并有碎屑粘着在其表面上,这是由于G C r 15在坚硬的金刚石颗粒的磨削作用下发生了较大的塑性变形;S i C 偶件磨损表面较为平整,犁沟少且浅,这是由于S i C 材料脆而硬,磨削过程中塑性变形小;304不锈钢磨损表面的犁沟最深,且呈现块状剥落,发生了较为明显的磨粒磨损与粘着磨损㊂图5是金刚石复合涂层对不同材料偶件进行磨削磨损后复合涂层上金刚石颗粒的S E M 图㊂由图5(a )可见,金刚石颗粒被磨平,表面光滑,无尖锐的棱角,而图5(b )中金刚石颗粒存在棱角,有轻微的磨钝㊂由于不锈钢含碳量低,较好的塑性会给金刚石复合涂层的磨削带来阻力,同时也会增大与镀层的接触面积,导致摩擦热增加,反应活性加大,在黑色金属元素的作用下金刚石复合涂层易石墨化㊂相对不锈钢,G C r 15金刚石颗粒保持住了尖锐的棱角,说明其石墨化倾向微弱㊂图5(c )中金刚石颗粒出现了破碎的现象,因为S i C 具有较高的硬度,金刚石复合涂层与S i C 磨削过程中会在同一区域多次挤压㊁摩擦,使金刚石复合涂层局部区域的硬度削弱,呈现微小区域的塑性,并逐步发展成微观裂纹,当金刚石微观裂纹区域承受不了这种冲击性的机械摩擦,金刚石颗粒便破碎[15]㊂图5 不同材料偶件磨削磨损后金刚石的S E M 图F i g .5 D i a m o n dS E Mi m a ge s of d i f f e r e n t m a t e r i a l s a f t e rg r i n d i n g we a r 图6为金刚石复合涂层对不同材料偶件进行磨削磨损后复合涂层上金刚石颗粒表面附着物的E D S 图谱㊂采用304不锈钢㊁G C r 15偶件时,金刚石颗粒表面均含有F e ㊁O ㊁N i ㊁C 元素,C 主要来自金刚石颗粒,O 多为环境吸附,对于G C r 15,金刚石颗粒保持鲜明尖锐棱边,说明金刚石颗粒表面的F e ㊁N i 来自铁削,基本无化学磨损,而对于不锈钢,金刚石颗粒被磨平,尖锐棱边消失,说明金刚石与F e ㊁N i 发生了化学磨损㊂由图6(c )可知,采用S i C 偶件时,S i ㊁N i 来自附着在金刚石表面的碎屑,同时金刚石表面吸附的O 来自于环境中,由于没有F e 基作用,没有发生化学磨损㊂图7是不同材料偶件的距离-摩擦系数图㊂由图7可知,摩擦系数整体的变化趋势是先降低再趋于平滑㊂摩擦系数的降低在一定程度上表明切削作用的减弱,因此摩擦系数的㊃73㊃N i -金刚石复合涂层的结构优化及基础磨削性能/周 阳等变化从另一个角度反映了N i -金刚石复合涂层的磨削性能,摩擦系数越大㊁降低越缓慢即降低至平稳阶段所需时间越长,表明磨削能力越好㊂G C r 15具有较大的摩擦系数且维持时间最长,不锈钢的摩擦系数最小且维持时间最短,虽然S i C 在磨削初期具有最大的摩擦系数,但是维持时间不长,摩擦系数快速降低,其摩擦系数明显比G C r 15的小㊂由此可得,N i -金刚石复合涂层对G C r 15偶件的磨削能力最好,对S i C 偶件与304不锈钢偶件的磨削能力逐渐降低㊂图6 不同材料偶件磨削磨损后金刚石颗粒表面附着物的E D S 图谱F i g .6 E D Ss pe c t r a of s u r f a c e a d h e s i o no f d i a m o n d p a r t i c l e s a f t e rg r i n d i n g o f d i f f e r e n tm a t e r i a l pa r ts 图7 不同材料偶件距离-摩擦系数图F i g .7 D i s t a n c e -f r i c t i o n f a c t o r d i ag r a mo f d i f f e r e n tm a t e r i a l s 3 结论通过优化掺入量等工艺参数获得了上砂均匀且密集的金刚石复合涂层,加厚镀15m i n 时,金刚石颗粒附着强度较好,且磨削性能优异,适合用作切割用工具涂层㊂G C r 15㊁S i C ㊁304不锈钢3种材料偶件的被磨损体积依次减小,表明金刚石复合涂层对G C r 15的磨削作用最好㊂金刚石复合涂层磨削G C r 15的磨损机理是磨粒磨损和微弱的化学磨损,对S i C 表现为磨粒磨损,对304不锈钢表现为磨粒磨损㊁化学磨损和粘着磨损㊂参考文献1 W uY i n g .A p p l i c a t i o n s t a t u s a n d i m p r o v e dr e s e a r c ho f e l e c t r o pl a t e d d i a m o n d t o o l s [J ].H o t W o r k T e c h n o l ,2015,44(18):18(i nC h i -n e s e ).吴颖.电镀金刚石工具的应用现状及改进研究[J ].热加工工艺,2015,44(18):18.2 L i uY o n g q i .C u r r e n t r e s e a r c hs t a t u s a n dd e v e l o p m e n t o f e l e c t r o p l a -t e dd i a m o n 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CVD金刚石涂层拉拔模具参数优化仿真及试验研究
聚晶金刚石拉丝模具技术条件
聚晶金刚石拉丝模具技术条件在现代工业生产中，拉丝工艺是一项至关重要的技术，而聚晶金刚石拉丝模具则是实现高质量拉丝的关键工具。
聚晶金刚石拉丝模具具有优异的耐磨性、高精度和长寿命等特点，广泛应用于电线电缆、金属丝材等领域。
为了确保聚晶金刚石拉丝模具的性能和质量，需要明确一系列的技术条件。
一、聚晶金刚石材料的要求聚晶金刚石拉丝模具所使用的聚晶金刚石材料应具备高纯度、高硬度和良好的结晶性能。
其硬度应达到特定的标准，以保证在拉丝过程中能够承受高强度的摩擦和磨损。
同时，材料的晶体结构应均匀致密，避免出现孔隙、裂纹等缺陷，这些缺陷会严重影响模具的使用寿命和拉丝质量。
聚晶金刚石的颗粒尺寸和分布也对模具性能有着重要影响。
较小的颗粒尺寸可以提供更高的表面光洁度，但可能会降低模具的耐磨性；较大的颗粒尺寸则能提高耐磨性，但表面光洁度可能会有所下降。
因此，需要根据具体的拉丝要求，选择合适的颗粒尺寸和分布。
二、模具的几何形状和尺寸精度聚晶金刚石拉丝模具的几何形状包括入口锥角、定径区长度和出口锥角等。
入口锥角的大小决定了金属丝进入模具时的阻力，过大或过小的锥角都会导致拉丝过程中的不稳定和断丝现象。
定径区长度直接影响拉丝的精度和表面质量，一般来说，较长的定径区能够提供更好的尺寸控制和表面光洁度。
出口锥角则有助于减少金属丝在离开模具时的摩擦力，防止划伤和变形。
模具的尺寸精度是保证拉丝质量的关键因素之一。
模具的内径尺寸应严格控制在规定的公差范围内，通常要求达到微米级的精度。
任何尺寸偏差都可能导致拉丝后的金属丝直径不均匀、表面粗糙等问题。
三、表面光洁度和粗糙度聚晶金刚石拉丝模具的表面光洁度直接影响拉丝后的金属丝表面质量。
模具表面应经过精细的研磨和抛光处理，使其表面粗糙度达到极低的水平。
一般来说，表面粗糙度 Ra 值应小于 005 微米，以确保金属丝在拉丝过程中能够获得光滑的表面，减少摩擦和磨损。
为了达到良好的表面光洁度，需要采用先进的加工工艺和设备，如激光加工、电火花加工等，并结合精细的研磨和抛光技术。
高质量CVD金刚石薄膜涂层拉拔模的制备与应用研究
高质量CVD金刚石薄膜涂层拉拔模的制备与应用研究唐庆顺;姚建盛;谢煌生;卢建湘【摘要】介绍化学气相法(Chemical Vapor Deposition,CVD)制备CVD金刚石薄膜涂层拉丝模方法,并在线材的拉拔生产过程中对其性能进行了应用研究.首先,采用热丝化学气相沉积法(Hot Filament Chernical Vapor Deposition,HFCVD)在硬质合金拉丝模的内表面(内孔直径为(φ)3.8mm)沉积了高质量的CVD金刚石薄膜.并采用扫描电镜、拉曼光谱对沉积在模具内孔表面的CVD金刚石薄膜的表面形貌、薄膜质量进行了检测和评估.在实际拉拔生产线上对制备的CVD金刚石薄膜涂层拉拔模具进行了应用试验.结果表明,金刚石薄膜涂层拉丝模的工作寿命比传统硬质合金模具提高了8～10倍,并且拉制的线材具有更好的表面质量.【期刊名称】《龙岩学院学报》【年(卷),期】2010(028)005【总页数】4页(P40-43)【关键词】CVD金刚石薄膜涂层拉拔模具;热丝CVD法;拉拔加工【作者】唐庆顺;姚建盛;谢煌生;卢建湘【作者单位】龙岩学院物理与机电学院,福建龙岩,364012;龙岩学院物理与机电学院,福建龙岩,364012;龙岩学院物理与机电学院,福建龙岩,364012;龙岩学院物理与机电学院,福建龙岩,364012【正文语种】中文【中图分类】TG174.41 前言随着我国国民经济的高速发展，电线电缆加工行业对各类金属线材的需求十分巨大，如全国持牌的电线电缆企业达3000多家，每年消耗的铜、铝材数以百万吨计，电焊条、钢缆等线材的需求也十分巨大。
这些企业必备的拉丝工序每年要消耗大量的拉拔模具，因此，拉拔模是电线电缆行业生产线材的重要工具，它是实现正常的连续拉伸，保证拉拔制品质量的关键。
在传统拉拔行业中，硬质合金模具以其价格低廉而得到广泛应用。
但由于硬质合金的粘结相Co比硬质相WC的硬度低而先行磨损，致使硬质相剥落；另外硬质合金中的WC颗粒棱角尖锐也易引起快速磨损，这些因素导致了拉拔模耐磨性下降，使用寿命短等缺陷，制约了劳动生产率的进一步提高及生产成本的降低；同时，作为战略物质的钨资源的不断减少以及硬质合金和铜价格的不断上升，使得提高拉拔模具寿命、改善产品质量、节约钨和铜资源成为铜管拉拔模具急需解决的问题。
高质量CVD金刚石薄膜涂层拉拔模的制备与应用研究
２ １年 １ ０ ０ ０月
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Ｖ０． ８ Ｎｏ５ １ ． ２ Ｏｃｏ ｅ ０ ０ ｔ ｂ ｒ２ １
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｌ ＧＹＡＮ Ｉ Ｃ Ｄ金刚石薄膜涂层拉拔模 的制备 与应用研究 Ｖ
唐庆顺 ， 姚建盛 ， 煌生 ， 谢 卢建湘
热 导率 、 低摩 擦 系数 、 低热膨 胀 系数 和高化 学 稳定 性等 优异性 能［ 可 以成 为金属拉 拔模具 的材 料 。 ， 圳。
随着 我 国国民经济 的高速发 展 。 电线 电缆加 工 行业对 各类金属线 材的需求 十分 巨大 。 全 国持牌 如 的电线 电缆企业 达 ３０ ０ ０多家 ， 每年 消耗 的铜 、 铝材 数 以百万 吨计 ， 电焊条 、 钢缆 等线 材 的需求 也 十分
巨大 。 这些企业 必备 的拉 丝工序每年要 消耗大量 的
金属拉丝要 求拉丝模 的模孔表 面具有 较高 的硬度 ，
以保证金 属丝的尺 寸精度和 表面粗糙 度 ， 提高拉 并 丝模 的工作 寿命 。 金刚石涂层 拉拨模具则 以其优异
拉拔 模具 。 因此 ， 拔模 是 电线 电缆行 业 生产 线材 拉 的重 要工 具 ， 它是 实现正 常 的连续 拉伸 。 证拉 拔 保 制 品质量 的关键 。在 传统拉 拔行业 中 。 质合金模 硬 具 以其价格 低廉而得 到广泛应用 。 由于硬质合金 但 的粘 结相 Ｃ ｏ比硬质 相 ＷＣ的硬度低 而 先行 磨 损 。 致 使硬质 相剥落 ； 另外硬 质合金 中的 ＷＣ颗粒棱 角 尖锐也易 引起 快速磨损 ， 这些 因素导致 了拉拔 模耐 磨 性下 降 ， 使用 寿命 短等 缺 陷 ， 约 了劳动 生产 率 制 的进一 步提 高及 生产 成本 的 降低 ； 同时 ， 为 战略 作 物 质 的钨 资源 的不断 减少 以及 硬质 合金 和铜 价 格 的不 断上升 。 得提 高拉 拔模 具寿命 、 使 改善 产 品质 量、 节约钨和铜 资源成 为铜管拉 拔模具 急需解决 的
精密铜管硬质合金拉拔模具金刚石涂层技术研究
精密铜管硬质合金拉拔模具金刚石涂层技术研究硬质合金CVD(Chemical Vapor Deposition)金刚石涂层拉拔模具作为一种新型模具被众多学者和工程技术人员所关注,同时也展现出巨大的应用前景和市场潜力。
但是CVD金刚石涂层沉积过程中始终存在涂层厚度不均匀等问题,导致其在拉拔模具尤其是针对铜管等管材拉拔的大孔径拉拔模具上的规模化应用一直很难进行。
本课题应用热丝CVD方法并主要针对大孔径拉拔模具金刚石沉积的应用进行了研究,主要的研究工作总结如下：1.采用有限元方法分析了拉拔模具内壁温度场的分布情况,同时研究了热丝工艺参数(热丝根数N、热丝半径R、热丝与内壁间距H和拉拔模具直径D)的改变对基底温度场分布规律的影响,并获得了优化后的最佳热丝工艺参数。
2.以拉拔模具内壁温度场分布规律为理论和方法依据,针对大孔径拉拔模具设计了两种热丝排布方式来进行金刚石涂层的沉积：螺旋线式热丝排布方式和旋转U型槽式热丝排布方式,为大孔径拉拔模具上进行金刚石涂层的沉积应用提供了依据。
3.针对实际沉积过程中的主要工艺参数(碳源浓度和沉积温度),通过对比实验分析研究了工艺参数对涂层综合性能变化规律的影响,并获得了优化的工艺参数。
4.为了达到实际拉拔应用的要求,保证铜管拉拔精度和表面质量,降低沉积出的金刚石涂层的表面粗糙度,采用超声波研磨抛光技术对金刚石涂层表面进行了抛光,并分析了抛光结果。
金刚石模型制作方法
金刚石模型制作方法介绍金刚石是一种非常坚硬和耐磨的材料，因此被广泛用于工业领域。
本文将介绍金刚石模型的制作方法，帮助读者了解金刚石模型的制作过程。
原材料准备要制作金刚石模型，我们首先需要准备以下原材料： 1. 透明塑料模具 2. 金刚石粉末 3. 粘合剂 4. 压制机 5. 磨削机 6. 涂层机制作步骤1. 准备模具首先，我们需要准备一个透明的塑料模具，这将用来给金刚石模型赋予形状。
模具可以按照需要的形状和尺寸进行订制。
2. 配制混合物接下来，将金刚石粉末和粘合剂混合在一起，生成一个均匀的混合物。
混合物的比例可以根据具体要求进行微调，以达到理想的效果。
3. 压制金刚石模型将混合物放入压制机中，并根据模具的形状和尺寸进行调整。
然后，使用压制机对混合物进行压力处理，使其在模具中形成坚固的形状。
4. 热处理完成压制后，需要对金刚石模型进行热处理。
这将增强模型的硬度和稳定性。
将模型置于热处理设备中，根据具体材料和设备要求，进行适当的温度和时间处理。
5. 磨削和抛光经过热处理后，金刚石模型可能还有一些不平整的表面。
为了获得更好的质量，需要利用磨削机对模型进行修整和抛光。
通过使用不同颗粒度的磨料和逐步细化磨削过程，可以获得光滑而亮丽的表面。
6. 涂层最后一步是对金刚石模型进行涂层处理。
涂层可以增加模型的防腐蚀性能和耐久性。
涂层的类型和方法可以根据使用环境和要求来选择，常用的涂层材料包括聚合物和金属膜。
核心要点总结•准备透明塑料模具•配制金刚石粉末和粘合剂的混合物•使用压制机将混合物压制成模具形状•进行热处理以增强模型的硬度和稳定性•使用磨削机修整和抛光模型表面•对模型进行涂层处理以增加防腐蚀性能和耐久性通过以上步骤，我们可以成功制作出一枚精美的金刚石模型。
制作金刚石模型的过程需要非常细致和耐心，但最终的成果将给人们带来极大的满足感和美感。
金刚石涂层的制备及其性能研究
金刚石涂层的制备及其性能研究金刚石被认为是最坚硬的天然物质，它的硬度高达10，具有非常出色的抗磨损、耐腐蚀、导热性能等特点。
近年来，研究人员通过涂层技术实现了金刚石薄膜的制备，这种金刚石涂层具有优异的磨损性能，被广泛地应用于航空航天、机械制造、电子信息和生物医学等领域。
一、金刚石涂层的制备方法制备金刚石涂层的方法主要有化学气相沉积法、物理气相沉积法和电化学沉积法等。
其中，化学气相沉积法应用最为广泛，该方法利用一种特殊的气氛，将金属和碳源在高温、高压条件下反应，生成石墨烯等碳物质，再在模板上石墨烯表面再行活化，得到金刚石薄膜。
此外，物理气相沉积法与化学气相沉积法不同之处在于利用物理击中法制造金刚石薄膜，常用的制备方法为磨损法、熔融法等，最后得到的金刚石涂层厚度较厚。
二、金刚石涂层的性能研究1. 硬度性能金刚石涂层具有极高的硬度（18-50 GPa），能够有效抵抗磨损和划伤。
磨损实验结果表明，金刚石涂层的耐磨性能是普通材料的几千倍，可以有效地延长机械设备的使用寿命。
同时，金刚石涂层具有很好的化学稳定性和高温稳定性，能够适应复杂恶劣的使用环境。
2. 生物兼容性金刚石涂层具有良好的生物兼容性，可以被用于生物医学领域。
一个典型的例子是生物医学微电极，由于其小巧、灵敏和可靠的特点，成为体内电生理学和神经科学研究的重要手段。
金刚石涂层作为电极表面的材料，可以减少组织带来的反应，使电信号传输更加稳定和可靠。
3. 导电性能金刚石涂层本身不导电，但在一定条件下，可以加工后部分或全部导电，这种导电特性称为金刚石薄膜的“金属化”。
由于金刚石涂层是通过化学气相沉积或物理气相沉积法等高温过程制备而成的，在制备过程中可以控制其导电性能，从而应用于电子行业。
此外，金刚石涂层还具有良好的热导和导热性能，使其被广泛应用于制造热管理产品。
三、金刚石涂层的应用领域金刚石涂层具有高硬度、耐磨损、高温稳定性、优异的生物兼容性和导热性能等特点，被广泛地应用于航空航天、机械制造、电子信息和生物医学等领域。
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金刚石涂层拉拔模具制备、性能与优化
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金属线材行业是我国的主要传统产业，拉拔模具是金属线材生产企业重要的易消耗品，拉拨模具的性能决定了金属线材的质量、生产效率和生产成本。
硬质合金表面添加金刚石涂层可增强工具的耐磨性能，使其使用寿命大幅提高。
应用化学气相沉积技术可实现在形状复杂工具上直接沉积金刚石膜，且成本低廉，易于实现批量生产，市场前景极佳。
金属(尤其是硬金属及合金)的拉拨要求拉丝模孔表面具有高硬度、高耐磨性，以满足金属制品的尺寸精度和光洁度，并提高拉丝模的工作寿命。
在传统拉丝模行业，硬质合金模具以其成本较低而得到广泛应用。
但该模具易磨损，工作寿命较短，难以适应高速拉拔的发展趋势。
金刚石涂层拉拔模具则以其优异的机械和摩擦学特性被逐渐应用于金属线材及管材的高速拉拨领域。
1.制备与性能
目前，线材行业所用的模具主要为硬质合金模具和聚晶金刚石模具两大类。
硬质合金模具寿命短，易粘料，生产效率低; 聚晶金刚石模具价格高，制作较大尺寸模具和异形模具非常困难，且韧性较差。
应用CVD金刚石涂层技术，制成金刚石涂层拉拨模具，克服硬质合金拉拔模具不耐磨和聚晶金刚石拉拔模具韧性较差的缺点，成为新一代拉拔模具。
本文拟用热丝法制作金刚石涂层拉拔模具，用于气体保护焊丝和不锈钢丝拉拔，并检测其使用性能，对其失效方式进行分析。
金刚石涂层拉丝模具在金属制品生产厂家生产线进行实际使用性能测试，以拉制合格丝材的模具使用寿命和丝材的尺寸稳定性为主要指标。
(1)焊接丝材料拉拨
金刚石涂层拉拔模具用于气体保护焊丝拉拔，其性能特点如表1所示。
从表1中可以看出，金刚石涂层拉拔模具的使用寿命远超过硬质合金模具，且单产拉拔丝材量达到1000t，同规格的硬质合金模具单次拉丝材量仅为20—40t。
另外，丝材生产效率也有一定提高，废品率降低。
金刚石涂层拉丝模具用于镀铜焊丝拉拔同样使用寿命高，单只规格为模具在测试中可拉制丝材量超过50t，是同规格硬质合金模具的50倍。
表1 金刚石涂层与硬质合金拉拔模具性能对比
(2)不锈钢丝拉拔
金刚石涂层拉拔模具用于不锈钢丝拉拔，同样具有优良的性能，如表2所示，金刚石涂层拉拔模具的单次拉拔丝材量是同样规格硬手质合金的15倍，所拉制的克材尺寸稳定性良好。
表2 金刚石涂层拉拔模具用于不锈钢丝的主要性能
(3)金刚石涂层拉拔模具的失效模式
经观察，金刚石涂层拉拔模具在实际使用中，金刚石涂层拉拔模具的失效并非由于磨损导致尺寸变化过大，而是金刚石涂层部分脱落后暴露的粗糙面使丝材表面划伤导致失效，与普通硬质合金模具和聚晶金刚石模具的失效方式有本质区别。
胡东平等，通过实践与分析得到以下几点结论：
(1)以硬质合金拉拔模具为基体，表面沉积金刚石涂层，金刚石压痕仪测试显示，涂层的抗压能力达1.5kN，表明结合力良好。
(2)金刚石涂层经扫描电镜和原子力显微镜观察结果表明，涂层颗粒的平均尺寸为0.1μm，加工后的粗糙度
(3)制作的金刚石涂层拉拔模具用于拉制焊接金属丝和不锈钢丝，使用寿命达硬质合金模具的15--50倍，性能明显优于硬质合金和聚晶金刚石拉拔模具。
(4)金刚石涂层拉拔模具的失效主要是金刚石涂层部分脱落后暴露的粗糙面使丝材表面划伤导致失效，其主要原因是硬质合金基体和涂层以及界面存在的缺陷和内应力在超长周期的应力作用下演化成为裂纹。
2.优化分析
随着化学气相沉积金刚石薄膜技术的日益成熟，以硬质合金拉拨模具为衬底，在其内孔表面涂覆一层均匀的、附着力能满足实际拉拔要求的金刚石薄膜技术已应用于生产。
但目前为止，有关金刚石涂层拉拔模具有限元仿真优化的研究却比较缺乏。
于是杨晓静等着重研究线材不同压缩率时，金刚石涂层拉拔模具孔型参数对其拉拔过程的影响。
并利用弹塑性有限元模型对铜材的整个拉拔过程进行模拟仿真，得到了铜材及金刚石涂层模具的轴向和径向应力分布规律。
2.1正交实验分析
(1)因素选择：在金刚石涂层线材拉拔模具的拉拔中，为延长模具使用寿命，获得高质量的拉拔线材，就必须深入研究涂层模具孔型参数对线材拉拔过程的影响。
(2)极差分析：极差的大小反映了相应影响因素作用的大小，极差大的因素表示不同水平下对分析结果的影响较大，是主要因素。
无论压缩率大小，工作锥半角都是影响铜材表面残余应力的主要因素，过渡圆弧半径是影响模具涂层上最大等效应力的主要因素。
在相同拉拨条件下，随着铜材压缩率的增加，各因素铜材表面残余应力的极差值在增加，这表明压缩率越大，各因素对铜材表面的残余应力的影响越显著。
在直径相近的同一材质线材的拉拨时，线材压缩率越大，工作锥角也越大。
同时考虑到线材表面残余应力随压缩率的增加而减小，因此在拉拔条件允许时尽量选取较大的线材压缩率。
(3)方差分析：无论线材压缩率大小，合理的工作锥半径过渡圆弧半径的选择可显著减税小铜材表面残余应力及模具涂层上最大等效应力，从而获得高质量的拉拔线材凹及延长模具寿命。
2.2拉拔实验
对不同压缩率下优化后的金刚石涂层模具进行拉拔实验，传统的硬质合金模具铜材约为400t,而相同拉拔条件下，优化的金刚石涂层模具的铜材产量为4000t。
因此，相对于硬质合金模具而言，在铜材拉拔中金刚石涂层模具的寿命可以提高10倍。
同时，由于金刚石涂层的优异性能，拉拔铜材的表面光洁度也有很大改善。
2.3结论
采用正交实验法模拟分析了不同压缩率下金刚石涂层模型孔型参数工作锥半角、过渡圆弧半径、定径带长度远对铜材拉拔过程的影响，得出以下结论：
(1)通过正交实验分析得到不同压缩率下金刚石涂层拉拔模具的最佳孔型参数：压缩率为13.7%时，模具工作锥半角为60，过渡圆弧半径为4mm，定径带长度为4.5mm; 压缩率为25.8%时，模具工作锥半角为70，过渡圆弧半径为
3mm，定径带长度为4.5mm。
(2)由极差分析知，当铜材拉拔直径相近时，无论铜材压缩率大小，工作锥半径都是铜材表面轴向残余应力的主要影响因素;过渡圆弧半径是模具涂层上最大等效应力的主要影响因素。
(3)由方差分析得知，随着铜材压缩率的增加，过渡圆弧半径及定径带长度对铜材表面轴向残余应力的影响程度在增加，但工作锥半径的影响仍是最大。
在模具涂层上最大等效应力的影响因素中，过渡圆弧半径的影响程度始终最大，其它因素由于方差较小，其影响可忽略。
(4)随着材料压缩率的增大，拉拔后铜材表面轴向残余应力及涂层模具上的最大等效应力在减小，因此，在拉拔条件允许的情况下，适当增加线材压缩率有利于获得高质量的拉拔丝材及提高模具使用寿命。
(5)对参数优化后的金刚石涂层模具进行实际拉拔实验。
实验表明，在相同拉拔条件下，相对于硬质合金模具而言，优化后的金刚石涂层铜材拉拔模具的工作寿命可提高10倍。