不穿丝工艺制备拉拔模具内孔金刚石涂层的仿真及实验研究.doc

不穿丝工艺制备拉拔模具内孔金刚石涂层的仿真及实验研究拉拔模具是金属拉拔加工的关键工具,其内孔表面的耐磨减摩性能直接决定了模具的磨损情况和寿命,并进一步影响产品的生产效率和表面质量。使用热丝化学气相沉积（HotFilamentChemicalVaporDeposition,HFCVD）技术在模具内孔表面沉积金刚石涂层,可以显著降低模具内孔表面的磨损率和摩擦系数,大幅提高模具寿命和生产效率,改善产品加工质量。然而,当前拉拔模具内孔金刚石涂层的产业化制备中普遍采用热丝穿孔的沉积工艺（简称:穿丝工艺）,其适用范围较窄,在小孔径（内径Φ≤3mm）拉拔模具上无法应用,并且在大孔径拉拔模具（内径Φ≥20mm）上应用时难以实现大批量制备;此外,随着批量化生产的发展,设备中模具容量增多,各模具内孔表面温度场分布的差异性增加,进一步影响各处金刚石涂层生长速率和沉积质量,也严重制约拉拔模具内孔金刚石涂层技术的标准化、产业化应用。本文提出双层热丝布局的不穿丝工艺,以解决热丝化学气相沉积金刚石涂层在小孔径拉拔模具内孔无法沉积和大孔径拉拔模具内孔批量化制备效率低的问题。围绕金刚石涂层在拉拔模具内孔应用的探究方法,即拉拔模具内孔沉积金刚石薄膜的关键影响因素分析、温度场分布仿真及参数优化、制备表征及应用摩擦磨损实验等,主要完成了以下研究内容:1.不穿丝工艺制备拉拔模具内孔金刚石涂层的关键影响因素分析和可行性验证。针对不穿丝工艺应用过程中更为复杂的物理场和沉积环境,分别从沉积机理、气相环境、热丝辐射的角度出发,探究不穿丝工艺的关键影响因素。研究结果表明,不同沉积环境下,热丝对衬底的辐射是影响衬底表面活性基团和温度场分布的根本原因。通过数值计算考察了不穿丝工艺中热丝对内孔表面周向的辐射值差异,证明对于不同的热丝直径r_f、内孔孔径_sr、热丝中心线与内孔考察平面距离H,内孔不同角度处辐射强度的差异最大只有约1%,能满足内孔圆度的要求。通过实验研究不穿丝工艺拉拔模具内孔的薄膜沉积深度,证明将内孔的深度控制在4倍孔径以内可以实现内孔全区域的金刚石薄膜沉积,并以此对小孔径拉丝模的孔型进行了合理设计。2.不穿丝工艺制备拉拔模具内孔金刚石涂层的温度场仿真模型建立与验证。分别针对小孔径拉丝模和大孔径拉管模涂层批量化制备过程,建立与实际沉积系统契合度很高的三维仿真模型,使用Fluent软件进行温度场仿真,选取考察点进行测温对比。结果表明,考察点仿真温度与实际温度测量值误差在4%以内,变化趋势非常吻合,温度场仿真具有指导意义和准确性。3.小孔径模具内孔不穿丝工艺HFCVD涂层制备温度场仿真与实验分析。针对单件和批量化小孔径模具内孔涂层制备过程,分别采用正交实验法和控制变量法,对影响衬底温度场的热丝参数和其他沉积参数进行了仿真优化,仿真优化参数为:下层热丝与基体间距S₁=5mm,上层热丝与基体间距S₂=4.5mm,下层热丝直径D₁=0.3mm,上层热丝直径D₂=0.4mm,各排模具间距L=35mm,排间模具间距D=20mm,夹具材料选为红铜,冷却水流量Q=35mL·s^-1。使用优化参数组合进行小孔径拉丝模内孔HFCVD金刚石涂层沉积实验并进行金刚石薄膜的表征,使用内孔线抛光机对金刚石涂层模具进行应用摩擦磨损试验,结果表明,在小孔径拉丝模内孔制备了质量较高且均匀性良好,同时具有较好的耐磨性和较高的附着力的金刚石涂层。4.大孔径模具内孔不穿丝工艺HFCVD涂层制备温度场仿真与实验分析。针对大孔径模具内孔涂层制备进行温度场仿真优化,热丝排布方式优化为:上下各三根热丝;使用正交实验法将单件模具热丝参数优化为:下层热丝直径D₁=0.4mm,上层热丝直径D₂=0.4mm,下层热丝间距L₁=7.5mm,上层热丝间距L₂=8mm,下层热丝与基体间距S₁=7mm,上层热丝与基体间距S₂=5mm;使用控制变量法将大批量模具沉积参数优化为:排间模具间距D=65mm,各排模具间隔L=65mm,夹具材料选为红铜,冷却水流量Q=35mL·s^-1。使用优化参数组合进行大孔径拉管模内孔HFCVD金刚石涂层沉积实验并对制备的金刚石涂层进行表征,使用内孔点抛光机对涂层模具进行应用摩擦磨损试验,结果表明,单件和大批量大孔径模具内孔沉积了连续均匀且致密,同时具有极好的耐磨性和较高的附着力的金刚石薄膜。