具有多种涂层的拉丝模具及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具有多种涂层的拉丝模具，包括拉丝模具基体，以及依次设置于所述拉丝模具基体上的碳化硅层、碳化硅‑金刚石梯度复合涂层、金刚石涂层和类金刚石涂层，所述碳化硅‑金刚石梯度复合涂层中，沿厚度方向由所述碳化硅层向所述金刚石涂层，碳化硅含量逐渐减少而金刚石含量逐渐增加。碳化硅层和碳化硅‑金刚石梯度复合涂层能有效弱化基体与金刚石涂层之间的热膨胀差异，提高金刚石涂层的结合强度，金刚石涂层上的类金刚石层可以降低金刚石涂层的粗糙度，避免金刚石晶粒尖锐的棱角造成加工过程产生应力集中。拉丝模具上这样的多层结构，可以有效提高拉丝模具的使用寿命。本发明专利技术还提供了该具有多种涂层的拉丝模具的制备方法。

【技术实现步骤摘要】
具有多种涂层的拉丝模具及其制备方法
本专利技术涉及金刚石涂层制备
，特别是涉及一种具有多种涂层的拉丝模具及其制备方法。
技术介绍
拉丝模具由于其易粘料、工作部位易磨损、尺寸公差无法长期保持稳定、使用寿命短、生产效率低而逐渐无法满足市场需求。解决以上问题最好的方法是在拉丝模表面沉积一层高硬度、高耐磨性的保护涂层。金刚石涂层由于其高硬度、良好的耐磨性、抗冲击性、化学稳定性等性能，是拉丝模具表面保护涂层的最佳选择。目前，通常采用热丝气相沉积法(HFCVD)在拉丝模表面沉积一定厚度的微米/纳米金刚石涂层作为表面保护层，从而延长模具的使用寿命。由于金刚石涂层与拉丝模基体的热膨胀系数不同，导致HFCVD所沉积的金刚石涂层与基体间的结合强度较差，在较高的冲击力下容易发生剥落现象。此外，得到的金刚石涂层表面较为粗糙，使得拉丝模具在对线材或者管材进行拉拔时，得到表面粗糙度较高的产品，因此，一般需要对金刚石涂层进行抛光处理，例如磁性研磨抛光、激光抛光、热化学抛光、离子束抛光等。以上抛光技术不仅工艺繁琐，操作难度大，而且抛光过程中所施加的力会造成极大的残余应力，对涂层的使用寿命造成一定的损伤。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术第一方面提供了一种具有多种涂层的拉丝模具，其通过在拉丝模具基体上依次沉积碳化硅层、碳化硅-金刚石梯度复合涂层、金刚石涂层和类金刚石涂层，用以解决现有金刚石涂层与拉丝模具基体粘附性不足，及金刚石涂层粗糙度较大的问题，从而提高拉丝模具的使用寿命及加工质量，减少抛光工艺。具体地，第一方面，本专利技术提供了一种具有多种涂层的拉丝模具，包括拉丝模具基体，以及依次设置于所述拉丝模具基体上的碳化硅层、碳化硅-金刚石梯度复合涂层、金刚石涂层和类金刚石涂层，所述碳化硅-金刚石梯度复合涂层中，沿厚度方向由所述碳化硅层向所述金刚石涂层，碳化硅含量逐渐减少而金刚石含量逐渐增加。碳化硅层的存在能够阻碍基体中的钴向金刚石涂层扩散，并与钴形成少量的钴化硅化合物，消除钴催化生成石墨的作用。碳化硅-金刚石梯度复合涂层中，成分、硬度和热膨胀系数均呈梯度分布，无新界面的产生和成分突变的界面，因此可将薄膜热应力降至趋于零，提高金刚石涂层的膜基结合强度；且其中的碳化硅可以增强涂层的韧性。而碳化硅-金刚石梯度复合涂层也能进一步阻挡金属钴扩散。在金刚石涂层上沉积的一层类金刚石涂层，类金刚石涂层由于其极低的摩擦系数与优异的耐磨性可以作为润滑层，极大地降低金刚石涂层表面的粗糙度以及降低了金刚石涂层中的晶粒棱角在工作时的应力集中，减少了后续对金刚石涂层的抛光工艺，避免了抛光过程中施加的力会造成极大的残余应力，延长了涂层的有效使用期限，提高拉丝模具的使用寿命以及加工质量。本专利技术中，所述类金刚石涂层的厚度为2-6微米。进一步优选为4-6微米。本专利技术中，所述碳化硅层的厚度为0.5-2微米，优选为0.8-2微米。所述碳化硅层中的碳化硅晶粒大小为纳米级别(即100纳米以内)，具体可以是30-80纳米。适合的厚度能保证碳化硅层能很好地附着在基体表面，以及为后续沉积碳化硅-金刚石梯度复合涂层和金刚石涂层提供良好基础，且能有效阻碍基体中的钴向金刚石涂层扩散。本专利技术中，所述碳化硅-金刚石梯度复合涂层的厚度为2-5微米。适合的梯度复合涂层厚度，有利于形成良好的中间过渡层，使该涂层的弹性模量和热膨胀系数在基体与金刚石涂层的弹性模量和热膨胀系数之间均匀地梯度变化，从而降低金刚石涂层的切应力峰值，提高金刚石涂层与基体的粘附性。所述碳化硅-金刚石梯度复合涂层中，碳化硅晶粒大小为纳米级别，具体可以是30-80纳米；金刚石晶粒的大小为纳米级别或微米级别(例如1-2微米)，具体可以是20-50纳米、1.5-2微米。本专利技术中，所述金刚石涂层的厚度为2-8微米。所述金刚石涂层的金刚石晶粒为纳米或微米级别，具体可以是20-50纳米、1.5-2微米。其中，当涂层中金刚石晶粒为微米级别时，涂层硬度、强度会更高，但金刚石涂层的粗糙度会相应增大。优选地，所述金刚石涂层的金刚石晶粒为纳米级别。本专利技术中，沿所述碳化硅-金刚石梯度复合涂层的厚度方向，碳化硅和金刚石的含量在大于0小于100％之间变化，使从碳化硅层到金刚石涂层，碳化硅含量由100％至0逐渐减少，而金刚石含量由0至100％逐渐增加，即基体表面整个涂层从基体到顶层，碳化硅含量由100％至0逐渐减少，而金刚石含量由0至100％逐渐增加，无新界面的增加。本专利技术中，整个碳化硅-金刚石梯度复合涂层中，碳化硅所占体积分数可为30-70％，例如40％、50％、60％。碳化硅相对含量大，能增强薄膜的粘贴性和断裂韧性；相对含量小则涂层硬度、强度会更高。本专利技术中，为了使金刚石涂层获得更好的粘附性，金刚石涂层的设置厚度最好不超过4倍所述碳化硅-金刚石梯度复合涂层的厚度，例如可以是1-3倍或1-2倍所述碳化硅-金刚石梯度复合涂层厚度。本专利技术中，所述拉丝模具基体的材料为硬质合金、合金钢或陶瓷等。其中，所述硬质合金可以为钨钴类硬质合金(WC-Co)或钨钛钴类硬质合金(成份为碳化钨、碳化钛及钴)。本专利技术具有多种涂层的拉丝模具，通过在硬质合金基体上在沉积金刚石涂层之前先依次设置碳化硅层和碳化硅-金刚石梯度复合涂层作为热膨胀系数过渡层以及金属钴(Co)阻挡层，能够有效降低金刚石薄膜中的热应力，有效提高金刚石涂层的结合强度，并在金刚石涂层设置类金刚石涂层作为润滑层，极大地降低金刚石涂层表面粗糙度，降低了金刚石晶粒棱角在工作时的应力集中。相应地，本专利技术第二方面提供了一种具有多种涂层的拉丝模具的制备方法，包括以下步骤：取拉丝模具基体，将其进行预处理；所述预处理包括对所述工件基体进行喷砂处理，然后分别采用丙酮和乙醇超声清洗；采用热丝气相沉积的方式在所述预处理后的拉丝模具基体上依次碳化硅层、碳化硅-金刚石梯度复合涂层和金刚石涂层，其中，使所述碳化硅-金刚石梯度复合涂层中，碳化硅含量沿厚度增长方向逐渐减少而金刚石含量逐渐增加；在所述沉积有金刚石涂层的拉丝模具上沉积类金刚石涂层，最终得到具有多种涂层的拉丝模具。其中，在所述沉积生长类金刚石涂层之前，还包括：对所述沉积有金刚石涂层的拉丝模具先采用丙酮和乙醇超声清洗，再进行离子源清洗，其中：所述离子源清洗的条件为：将拉丝模具置于反应腔室内，将反应腔室的真空度抽在3×10-3Pa以下，并加热至140-160℃；然后向反应腔室内通入氩气，调节氩气流量使所述反应腔室的真空度维持在01.-0.5Pa，开启离子源，调节基底偏压至-800～-1200V，离子源清洗的时间为10～30min。本专利技术一实施方式中，所述沉积类金刚石涂层的方式为磁控溅射，包括：控制磁控溅射设备的反应腔室的真空度为(1-5)×10-2Pa，温度为320-360℃，离子源的电流为6.5～12A，以石墨作为靶材，控制所述靶材的靶功率为1.9～7.2kW，基底负偏压为-300～-600V，沉积时间为2～6h。本专利技术中，在所述预处理后的拉丝模具基体上依次沉积碳化硅层、碳化硅-金刚石梯度复合涂层和金刚石涂层，具体包括：采用热丝化学气相沉积设备，以氢气和有机硅烷为反应气体，在预处理后的拉丝模具基体表面沉积碳化硅层，控制所述有机硅烷占总气体体积的0.01％～1％；然后向所述热丝化学气相沉积设备通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有多种涂层的拉丝模具，其特征在于，包括拉丝模具基体，以及依次设置于所述拉丝模具基体上的碳化硅层、碳化硅‑金刚石梯度复合涂层、金刚石涂层和类金刚石涂层，所述碳化硅‑金刚石梯度复合涂层中，沿厚度方向由所述碳化硅层向所述金刚石涂层，碳化硅含量逐渐减少而金刚石含量逐渐增加。

【技术特征摘要】
1.一种具有多种涂层的拉丝模具，其特征在于，包括拉丝模具基体，以及依次设置于所述拉丝模具基体上的碳化硅层、碳化硅-金刚石梯度复合涂层、金刚石涂层和类金刚石涂层，所述碳化硅-金刚石梯度复合涂层中，沿厚度方向由所述碳化硅层向所述金刚石涂层，碳化硅含量逐渐减少而金刚石含量逐渐增加。2.如权利要求1所述的具有多种涂层的拉丝模具，其特征在于，所述类金刚石涂层的厚度为2-6微米。3.如权利要求1所述的具有多种涂层的拉丝模具，其特征在于，所述碳化硅层的厚度为0.5-2微米，所述碳化硅层中的碳化硅晶粒大小为纳米级别。4.如权利要求1所述的具有多种涂层的拉丝模具，其特征在于，所述碳化硅-金刚石梯度复合涂层的厚度为2-5微米；所述碳化硅-金刚石梯度复合涂层中，碳化硅晶粒大小为纳米级别，金刚石晶粒的大小为纳米或微米级别。5.如权利要求1所述的具有多种涂层的拉丝模具，其特征在于，所述金刚石涂层的厚度为2-8微米，所述金刚石涂层的金刚石晶粒为纳米或微米级别。6.一种具有多种涂层的拉丝模具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：取拉丝模具基体，将其进行预处理；所述预处理包括对所述工件基体进行喷砂处理，然后分别采用丙酮和乙醇超声清洗；采用热丝气相沉积的方式，在所述预处理后的拉丝模具基体上依次沉积碳化硅层、碳化硅-金刚石梯度复合涂层和金刚石涂层，其中，使所述碳化硅-金刚石梯度复合涂层中，碳化硅含量沿厚度增长方向逐渐减少而金刚石含量逐渐增加；在所述沉积有金刚石涂层的拉丝模具上沉积类金刚石涂层，最终得到具有多种涂层的拉丝模具。7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在所述沉积生长类金刚石涂层之前，还包括：对所述沉积有金刚石涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐永炳，张松全，王陶，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44