复合金刚石薄膜涂层铝塑复合管拉拔模的制备及应用(上)

王新昶,申笑天,赵天奇,孙方宏,沈彬(上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240)



复合金刚石薄膜涂层铝塑复合管拉拔模的制备及应用(上)

王新昶,申笑天,赵天奇,孙方宏,沈彬
(上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240)

摘 要:选取一种新型的高性能三层复合金刚石薄膜,即硼掺杂微米-未掺杂微米-未掺杂纳米复合金刚石(boron-doped micro-crystalline,undoped micro-crystalline and undoped nano-crystalline composite diamond,BDM-UM-UNCD)薄膜作为铝塑复合管拉拔模具内孔工作表面的耐磨减摩保护涂层,该薄膜具有优异的综合性能。表征结果表明,采用仿真优化的沉积参数在该拉拔模具整个内孔表面沉积了厚度较为均匀(19～24μm)的复合金刚石薄膜,尤其是在主要的工作区域沉积了厚度均匀、质量优异的复合金刚石薄膜;采用机械抛光可以便利地将内孔薄膜抛光到Ra～45 nm的表面粗糙度以下。油润滑及水润滑条件下拉拔铝塑复合管的应用试验结果表明,相比于未涂层及其他类型金刚石薄膜涂层拉拔模具而言,该复合金刚石薄膜涂层模具具有很长的使用寿命,并且表现出极佳的应用效果。

关键词:复合金刚石薄膜;热丝化学气相沉积;拉拔模具;水润滑;铝塑复合管

1　引言

钨钴类硬质合金(WC-Co)具有较高的硬度、较高的红热硬性、较高的耐磨损和耐腐蚀性能、良好的抗氧化性能等优异特性,因此成为加工制造拉拔模具最常用的材料。然而,钨钴类硬质合金材料成型需要消耗大量的钨资源和钴资源,而这些资源都是重要的战略资源。此外,钨钴类硬质合金的硬度还没有达到超硬材料的级别,仍然不能够保证拉拔模具在极端工况条件下的工作寿命和长期运行稳定性,因此硬质合金拉拔模具的快速损耗和失效会进一步加剧上述战略资源的消耗。尤为重要的是,钨钴类硬质合金拉拔模具不能够在水润滑条件下拉拔金属管线材,因为水具有很低的粘度和较强的氧化性,在水润滑条件下水润滑膜很难在硬质合金和金属材料的接触界面形成,进而导致严重的氧化腐蚀和金属材料的粘着磨损。

化学气相沉积(Chemical vapor deposition, CVD)金刚石薄膜具有接近天然单晶金刚石的优异特性,比如极高的硬度、良好的耐磨损和抗腐蚀性能、较低的摩擦系数、极高的热导率、低热膨胀系数和优异的化学稳定性[1,2],尤其是在水润滑条件下金刚石薄膜表面的成膜性能好,化学稳定性好,不容易形成磨屑或其他摩擦系数较高的反应产物,不易形成氧化腐蚀或粘着磨损,表现出很好的水润滑特性[3,4],因此在拉拔模具领域具有广阔的应用前景。常用的沉积CVD金刚石薄膜的方法包括微波等离子体CVD (Microwave plasma CVD,MPCVD)、热丝CVD (Hot filament CVD,HFCVD)、直流等离子体喷射CVD(DC plasma jet CVD,DPJCVD)和燃烧火焰CVD(Combustion flame CVD,CFCVD),其中HFCVD方法具有设备简单、成本低和操作便利等优点,尤其适用于大面积、复杂形状表面及内孔表面金刚石薄膜沉积,因此在工业领域最具有实用性[5,6]。

国内外研究学者针对各类单层金刚石薄膜的制备及性能表征进行了系统研究,包括未掺杂微米金刚石(undoped micro-crystalline diamond,UMCD)、未掺杂纳米金刚石(undoped nano-crystalline diamond,UNCD)[7]、硼掺杂微米金刚石(boron-doped micro-crystalline diamond,BDMCD)[8]、硼掺杂纳米金刚石(boron-doped nano-crystalline diamond, BDNCD)[9],硅掺杂金刚石(silicon-doped diamond)薄膜[10]等,它们分别表现出各异的特性。结合不同的单层金刚石薄膜的不同特点开发多层复合金刚石薄膜是获得高性能金刚石薄膜的有效途径,在现有文献中[11-13],两层及多层未掺杂微米和未掺杂纳米复合金刚石(undoped micro-crystalline and undoped nano-crystalline composite diamond,UM-UNCD)薄膜,以及基于UMCD和UNCD开发的超光滑复合金刚石薄膜已经得到了系统研究,证明了微米金刚石晶粒与基体之间具有较为紧密的机械锁合,而复合薄膜表层的UNCD薄膜或超光滑薄膜则表现出较低的表面粗糙度;为了进一步提高薄膜附着性能,可降低薄膜残余应力、抑制硬质合金基体中钴向外渗透的硼掺杂工艺被引入复合金刚石薄膜最底层薄膜层的沉积中,据此开发的硼掺杂微米和未掺杂微米复合金刚石(boron-doped micro-crystalline and undoped nanocrystalline composite diamond,BDM-UMCD)薄膜具有良好的附着性能、极高的表面硬度和优异的耐磨损性能,适用于对表面粗糙度要求不高的应用场合[14]。在BDM-UMCD薄膜基础上进一步沉积表层纳米金刚石薄膜获得的硼掺杂微米-未掺杂微米-未掺杂纳米复合金刚石(boron-doped micro-crystalline,undoped micro-crystalline and undoped nanocrystalline composite diamond,BDM-UM-UNCD)薄膜兼具BDM-UMCD薄膜的优异特性以及纳米金刚石薄膜良好的表面光洁度,因此表现出较好的摩擦学性能[15]。

本文在上述研究基础上进行了BDM-UM-UNCD薄膜在铝塑复合管(polyethylene-aluminum compound pipe,PAP)拉拔模具内孔表面的制备及应用研究,首先采用仿真方法对该拉拔模具内孔表面HFCVD金刚石薄膜的沉积参数进行了优化,据此在拉拔模具内孔表面获得了较为均匀的温度场及薄膜厚度分布,然后采用未涂层及不同金刚石薄膜涂层的拉拔模具进行了拉拔应用试验,验证了复合金刚石薄膜在油润滑及水润滑拉拔PAP过程中的应用效果。

2　试验方法

PAP拉拔模具内孔主要分为入口区、压缩区、定径带和出口区四个部分,拉拔模具应用过程中主要承受摩擦磨损的位置是定径带以及压缩区靠近定径带的部分,此外,原料管线材进入模孔后与压缩区初始接触的位置还会受到比较剧烈的冲击作用,因此在拉拔模具内孔金刚石薄膜沉积过程中,重点是要保证这些区域上沉积的薄膜质量。受入口区角度和压缩区半角的影响,入口区及压缩区靠近入口区部分的直径较大,在金刚石薄膜沉积过程中基体表面温度相对较低,但是这些区域并非我们重点关心的区域,而定径带以及压缩区靠近定径带的部分直径非常接近,因此在这些区域比较容易获取均匀的温度场分布,进而保证沉积的金刚石薄膜的厚度均匀性。

本文选取了最小孔径(定径带区域的直径)Dc= 8.0 mm的YG6硬质合金PAP拉拔模具作为典型模具基体进行研究,并在薄膜沉积之前需要先对基体进行酸碱两步法及研磨布晶预处理。

针对本文选取的孔径适中的模具基体所采用的热源为多根钽丝绞制而成的绞丝(等效直径0.7mm),热丝从内孔中心对中穿过,一端用耐高温弹簧片拉直,另一端用耐高温压片压紧,沉积装置示意见图1a,采用前续研究中所提出的仿真方法[16]确定的最优沉积参数如表1所示,该参数下单只模具内孔表面的温度场分布云图如图1b所示,由于模具靠近端面的入口区位置直径较大,因此表面温度会明显小于压缩区、定径带以及出口区部分,但在模具实际使用过程中受摩擦磨损比较严重的部位多集中于压缩区和定径带,在这两个重点关心的区域,表面温度分布相对比较均匀,并且温度数值可以满足沉积高质量金刚石薄膜的要求。

图1　(a)模具内孔表面金刚石薄膜沉积装置示意图及(b)优化沉积参数下模具内孔表面的温度场分布云图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

为了保证拉制的PAP产品的表面光洁度,金刚石薄膜涂层模具的内孔表面需要具有较高的光洁度,其表面粗糙度Ra值要低于50 nm,因此还需要对内孔不同区域沉积的金刚石薄膜(初始表面粗糙度Ra值约为100～150 nm左右)进行抛光处理。

表1　用于PAP拉拔模具(Dc=8.0 mm)内孔BDM-UM-UNCD薄膜沉积的优化参数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)

参考文献:

[1]F.Sun,Z.Zhang,M.Chen,H.Shen.Fabrication and application of high quality diamond-coated tools,J.Mater.Process.Technol.129(2002)435-440.

[2]A.Inspektor,E.J.Oles,C.E.Bauer.Theory and practice in diamond coated metal-cutting tools,Int.J.Refract.Met.Hard Mater.15(1997)49-56.

[3]B.Shen,F.Sun,Z.Zhang,H.Shen,S.Guo.Application of ultra-smooth composite diamond film coated WC-Co drawing dies under water-lubricating conditions,T.Nonferr.Metal Soc.23(2013)161-169.

[4]C.S.Abreu,M.Amaral,F.J.Oliveira,J.R.Gomes,R.F.Silva.HFCVD nanocrystalline diamond coatings for tribo-applications in the presence of water[J].Diamond Relat.Mater.18 (2009)271-275.

[5]P.Bachmann,W.V.Enckevort,Diamond deposition technologies[J].Diamond Relat.Mater.1(1992)1021-1034.

[6]C.S.Abreu,M.Amaral,F.J.Oliveira,A.J.S.Fernandes, J.R.Gomes,R.F.Silva,Enhanced performance of HFCVD nanocrystalline diamond self-mated tribosystems by plasma pretreatments on silicon nitride substrates[J].Diamond Relat.Mater.15(2006)2024-2028.

[7]P.W.May,M.N.R.Ashfold,Y.A.Mankelevich.Microcrystalline,nanocrystalline,and ultrananocrystalline diamond chemical vapor deposition:Experiment and modeling of the factors controlling growth rate,nucleation,and crystal size,J.Appl.Phys.101(2007)1-9.

[8]F.Beck,W.Kaiser,H.Krohn.Boron doped diamond(BDD)-layers on titanium substrates as electrodes in applied electrochemistry[J].Electrochim.Acta 45(2000)4691-4695.

[9]Q.Liang,A.Stanishevsky,Y.K.Vohra.Tribological properties of undoped and boron-doped nanocrystalline diamond films [J].Thin Solid Films 517(2008)800-804.

[10]J.Zhang,X.Wang,B.Shen,F.Sun.Effect of boron and silicon doping on improving the cutting performance of CVD diamond coated cutting tools in machining CFRP,Int.J.Refract.Met.Hard Mater.41(2013)285-292.

[11]E.Salgueiredo,F.A.Almeida,M.Amaral,M.A.Neto,F.J.Oliveira,R.F.Silva.A multilayer approach for enhancing the erosive wear resistance of CVD diamond coatings[J].Wear 297(2013)1064-1073.

[12]F.H.Sun,Y.P.Ma,B.Shen,Z.M.Zhang,M.Chen.Fabrication and application of nano-microcrystalline composite diamond films on the interior hole surfaces of Co cemented tungsten carbide substrates[J].Diamond Relat.Mater.18(2009) 276-282.

[13]B.Shen,F.Sun,Z.Zhang,H.Shen,S.Guo.Fabrication and applications of ultra-smooth composite diamond coated WC-Co drawing dies[J].Solid State Phenom.175(2011)233-238.

[14]X.Wang,J.Zhang,F.Sun,T.Zhang,B.Shen.Investigations on the fabrication and erosion behavior of the composite diamond coated nozzles[J].Wear 304(2013)126-137.

[15]X.Wang,L.Wang,B.Shen,F.Sun.Friction and wear performance of boron doped,undoped microcrystalline and fine grained composite diamond films[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering 28(2015)155-163.

[16]X.Wang,T.Zhang,B.Shen,J.Zhang,F.Sun.Simulation and experimental research on the substrate temperature distribution in HFCVD diamond film growth on the inner hole surface[J].Surf.Coat.Technol.219(2013) 109-118.

河南省人造金刚石微粉质检中心正式成立

由柘城县质监局筹建的河南省人造金刚石微粉质量监督检验中心,经河南省质监局于12月1日批准成立投入正常工作,成为支撑我市现代产业技术创新的又一个新的公共技术平台。

该中心由柘城县人民政府投资1100万元,建设实验室1500平方米,购进一批国产、进口先进设备,首批引进十余名科技人员。2015年5月20日,省质监局专家组对该中心现场评审后,授予计量认证和授权认证证书。该中心自2014年9月试运行以来,承担检测金刚石微粉400余批次,出具质检报告220余份。

目前,柘城县已建成全国规模最大的超硬材料产业集聚区,139家企业从业劳动者4万余人,年生产人造金刚石15亿克拉,人造金刚石微粉47亿克拉,人造金刚石制品7大系列140多个品种、50万套生产规模,形成了从原辅材料(碳棒)——人造金刚石——人造金刚石微粉——人造金刚石制品的系列化、标准化的产业链。柘城县超硬材料产业在国内同领域居技术领先水平,产品畅销国内外市场。 (商丘日报)

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)

基金项目:本研究获得了中国国家自然科学基金项目(项目编号51275302及51375011)及中国博士后科学基金面上项目(项目编号15Z102060056)资助。

作者简介:王新昶,男,1988年1月生,上海交通大学机械与动力工程学院博士后,主要研究方向为金刚石薄膜的制备、抛光处理及应用,精密/超精密切削/磨削加工。Email:wangxinchangz@163.com。

收稿日期:2015-10-13

中图分类号:TQ164

文献标识码:A

文章编号:1673-1433(2016)02-0020-04

引文格式:王新昶,申笑天,赵天奇,等.复合金刚石薄膜涂层铝塑复合管拉拔模的制备及应用[J].超硬材料工程,2016,28(2):20-23.