DTNFTH工艺下的金刚石薄膜涂层拉拔模具批量生产实验及温度分布仿真

本研究中还采用DTNFTH完成了金刚石薄膜涂层拉拔模具的批量生产，如图6-44所示，图中给出了一半模具的编号（1至12号），此外13至15号模具与1至3号模具呈轴对称。该研究中通过控制变量法仿真分析对热丝排布及辅助散热相关参数进行了优化，包括热丝-基体间距D（图6-32中的D1和D2，取相等的数值）、不同排之间的距离L1、同一排中不同模具之间的距离L2、基体夹具的材料M以及冷却水流量Q。

图6-44　采用DTNFTH工艺进行金刚石薄膜涂层拉拔模具批量生产的示意

图6-45（a）中给出了一种典型情况下热丝温度分布的仿真结果，所有情况下的仿真结果均具有类似特征，其中的平均温度指的是取自每只模具压缩区和定径区表面温度的平均值。在本研究所采用的HFCVD设备中，整体温度应该呈现出中间高、周围低的趋势，因为中间区域热量更集中，周围区域距离水冷壁面更近。但是在仿真结果中却发现2、8和14号模具确实具有相对较高的温度，但是靠近边缘的1、2和3号模具的温度与靠近中央的7和9号模具的温度不存在明显差别，这是因为三只一排的模具比九只一排的模具可以接受更多的热丝辐射。

采用方差分析评价内孔表面压缩区和定径区温度分布的均匀性，在不同参数情况下十五只模具的总平均温度Ta和温度方差Tδ2如图6-45（b）至（f）所示，与上述单只模具案例研究的结果类似，当D从4 mm增加到6 mm时，Ta会从904℃下降到865℃，而Tδ2会从1 046℃下降到732℃，其中D从4 mm增加到4.5 mm时对于Tδ2的影响更明显，而D的继续增大会对基体表面活性基团的浓度产生不利影响，因此最优的D值确定为4.5 mm。L1的减小意味着各排模具之间的靠近，也意味着热丝的靠近，因此会导致更加明显的热量集中和较高的Ta值，从最小化Tδ2的角度出发，最优的L1值应当为35 mm。同理，最优的L2值应当为20 mm。

图6-45　（a）D=4.5 mm，L1=35 mm，L2=20 mm，M为红铜，Q=20 mL/s时的不同模具平均温度及温度分布，（b）D（L1=30 mm，L2=18 mm，M为红铜，Q=30 mL/s），（c）L1（D=4.5 mm，L2=20 mm，M为红铜，Q=30 mL/s），（d）L2（D=4.5 mm，L1=35 mm，M为红铜，Q=35 mL/s），（e）M（D=5.0 mm，L1=35 mm，L2=20 mm，Q=30 mL/s）和（f）Q（D=5.5 mm，L1=35 mm，L2=20 mm，M为红铜）对Ta和Tδ2的影响(www.xing528.com)

本研究中对比了三种典型材质（铜、石墨和不锈钢）的基体夹具，这三种材料的热传导系数具有显著差异，夹具热传导系数的提高有利于改善整体散热，因此Ta和Tδ2同步减小。冷却水流量的增加可以起到类似的作用。综上所述，M和Q分别优化为红铜和35 mL/s。采用如表6-20所述的基本沉积参数和经过优化的热丝排布和散热相关参数（D＝4.5 mm，L1＝35 mm，L2＝20 mm，M为红铜，Q＝35 mL/s）进行金刚石薄膜涂层拉拔模具的批量制备试验。四只典型模具（1、2、4、8号）不同采样点（A和B）的表面和截面形貌如图6-46所示，均具有成型良好且致密的微米级金刚石晶粒，晶粒尺寸均在1～3μm左右；4号模具内孔表面沉积的薄膜厚度最小，8号模具薄膜厚度最大，与温度分布的结果一致，但是所有的薄膜厚度均在3.5～5μm的范围内。

图6-46　（a）1号，（b）2号，（c）4号和（d）8号模具内孔表面A和B位置的表面和截面形貌

采用批量制备的金刚石薄膜涂层拉拔模具中的一部分进行应用试验，并将其应用效果与未涂层硬质合金模具及采用DTFTH制备的MCD薄膜涂层模具进行对比。所有的拉拔模具在实际应用前都要先进行抛光，将其表面粗糙度Ra值降低到50 nm以下，典型的抛光后涂层模具的表面形貌如图6-47（a）所示。用于不锈钢丝拉拔的设备及相应产品如图6-47（b）所示。该设备属于多道次连续拉拔设备，因此应用试验过程中需要同时应用定径区直径为4.00 mm、3.50 mm、3.00 mm、2.70 mm、2.35 mm和2.00 mm的模具，其中前面五只模具采用的都是DTFTH制备的高质量MCD薄膜涂层模具，最后一只则分别采用了未涂层模具、DTFTH-MCD薄膜涂层模具和DTNFTH-MCD薄膜涂层模具，拉拔速度为7 m/s，润滑方式为粉润滑。整个应用试验过程中前面五只模具工作情况良好，分别考察最后一只模具的寿命，其中未涂层模具可生产约20 t不锈钢丝，DTFTHMCD薄膜涂层模具可生产180 t左右，而DTNFTH-MCD薄膜涂层模具的平均寿命约为120 t，可以达到DTFTH-MCD薄膜涂层模具的67%。

图6-47　（a）抛光后金刚石薄膜涂层模具的典型表面形貌和（b）多道次连续拉拔现场及产品

综合来看，DTNFTH的应用有利于简化金刚石薄膜涂层拉拔模具的制备工艺、实现批量生产、提高生产率、降低成本，并且该工艺还有望实现超小孔径内孔表面金刚石薄膜的沉积，因此具有广阔的应用前景。