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添加MWCNTs陶瓷拉拔模具材料的摩擦特性研究

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人工晶体学报 2015年第9期44卷 2583-2589页

作者：马涛杨学锋姚孔李运玺王呈敏济南大学机械工程学院济南250022 兰州兰石能源装备工程研究院有限公司兰州730314

通过真空热压烧结方法制备了添加多壁碳纳米管(MWCNTs)的Al2O3/Ti C/MWCNTs陶瓷拉拔模具材料,研究了其摩擦磨损性能、机械性能,并对其磨损机理进行了分析。研究表明:MWCNTs能够减小Al2O3/Ti C陶瓷拉拔模具材料的摩擦系数,当MWCNTs含量... 详细信息

通过真空热压烧结方法制备了添加多壁碳纳米管(MWCNTs)的Al2O3/Ti C/MWCNTs陶瓷拉拔模具材料,研究了其摩擦磨损性能、机械性能,并对其磨损机理进行了分析。研究表明:MWCNTs能够减小Al2O3/Ti C陶瓷拉拔模具材料的摩擦系数,当MWCNTs含量为5%时,Al2O3/Ti C/MWCNTs陶瓷的摩擦系数最小;随着MWCNTs含量的增加,磨损量呈现先下降后上升趋势,当MWCNTs含量为4%时,Al2O3/Ti C/MWCNTs陶瓷的磨损量最小。摩擦过程中,MWCNTs被拖覆到摩擦表面,具有自润滑效果,起到减摩抗磨作用。

关键词：拉拔模具陶瓷材料碳纳米管磨损量

Al_2O_3-TiC/Al_2O_3-TiC-CaF_2叠层陶瓷拉拔模具坯体的叠层结构优化分析

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人工晶体学报 2013年第11期42卷 2418-2424页

作者：宋培龙杨学锋王守仁杨丽颖王砚军马涛济南大学机械工程学院济南250022

采用真空热压烧结的方式制备出Al2O3-TiC/Al2O3-TiC-CaF2叠层陶瓷拉拔模具坯体。通过显微压痕强度实验,研究Al2O3-TiC层和Al2O3-TiC-CaF2层的叠层厚度和层厚比对陶瓷材料硬度和断裂韧性的影响,并且用有限元方法对叠层陶瓷材料烧结过程... 详细信息

采用真空热压烧结的方式制备出Al2O3-TiC/Al2O3-TiC-CaF2叠层陶瓷拉拔模具坯体。通过显微压痕强度实验,研究Al2O3-TiC层和Al2O3-TiC-CaF2层的叠层厚度和层厚比对陶瓷材料硬度和断裂韧性的影响,并且用有限元方法对叠层陶瓷材料烧结过程中的残余应力进行分析。结果表明:Al2O3-TiC/Al2O3-TiC-CaF2叠层陶瓷拉拔模具坯体具有良好的层间界面,晶粒结合紧密;在模具坯体叠层部分总高度不变的情况下,当叠层数目为5,层厚比(Al2O3-TiC层:Al2O3-TiC-CaF2层)为1∶1时,叠层陶瓷拉拔模具坯体的硬度值和断裂韧性值达到最大,分别为18.2±0.3 GPa和5.7±0.2 MPa·m1/2;在烧结冷却过程中,由于不同材料层的热膨胀系数和弹性模量而引起的残余应力是该叠层陶瓷拉拔模具坯体具有良好机械性能的原因。

关键词：拉拔模具陶瓷材料叠层有限元结构优化

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金刚石涂层拉拔模具的制备与性能研究

金刚石与磨料磨具工程 2010年第3期30卷 44-48页

作者：胡东平季锡林李建国丰杰梅军中国工程物理研究院结构力学研究所绵阳621900

本文通过在硬质合金基体表面沉积金刚石膜,制作了金刚石涂层拉拔模具。金刚石压痕仪测试显示,涂层的抗压能力达1.5 kN。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Ra〈0.1μm。用于拉制焊接金属丝... 详细信息

本文通过在硬质合金基体表面沉积金刚石膜,制作了金刚石涂层拉拔模具。金刚石压痕仪测试显示,涂层的抗压能力达1.5 kN。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Ra〈0.1μm。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。分析了金刚石涂层具有超强耐磨损能力的原因,并对该种模具的失效机理进行了初步研究。

关键词：金刚石涂层拉拔模具失效机理

直流电弧等离子体喷射法制备金刚石涂层拉拔模具

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金刚石与磨料磨具工程 2019年第6期39卷 25-29页

作者：崔玉明李国华姜龙河北省激光研究所石家庄050081 河北普莱斯曼金刚石科技有限公司石家庄050081

线材拉拔加工正向精密、高速、低耗、高生产效率方向发展,金刚石涂层拉拔模具是最受用户青睐的产品之一。在综述直流电弧等离子体喷射技术制备金刚石涂层拉拔模具方法的基础上,利用洛氏硬度计、表面粗糙度轮廓测量仪、拉曼光谱仪和光学... 详细信息

线材拉拔加工正向精密、高速、低耗、高生产效率方向发展,金刚石涂层拉拔模具是最受用户青睐的产品之一。在综述直流电弧等离子体喷射技术制备金刚石涂层拉拔模具方法的基础上,利用洛氏硬度计、表面粗糙度轮廓测量仪、拉曼光谱仪和光学显微镜进行涂层质量检测。检测结果显示:金刚石涂层的纯度和厚度均匀性均较好;在1470 N载荷下薄膜压痕的边缘区域无严重裂纹及薄膜脱落现象,其表面粗糙度R a平均值为18 nm。

关键词：直流电弧等离子体喷射法拉拔模具金刚石涂层

精密铜管硬质合金拉拔模具金刚石涂层技术研究

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精密铜管硬质合金拉拔模具金刚石涂层技术研究

作者：冀士哲北京交通大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：拉拔模具 CVD金刚石温度场热丝排布抛光

CVD金刚石涂层拉拔模具参数优化仿真及试验研究

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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

作者：杨晓静上海交通大学

学位级别：硕士

随着国内大型装备制造业及空调制冷业的迅猛发展,我国在对铜线及铜管需求量增多的同时对其质量的要求也越来越高。它们不仅要保证足够的力学强度及刚度,还要有较高的表面光洁度和尺寸精度。在我国传统拉拔行业中,硬质合金模具应用最为广... 详细信息

随着国内大型装备制造业及空调制冷业的迅猛发展,我国在对铜线及铜管需求量增多的同时对其质量的要求也越来越高。它们不仅要保证足够的力学强度及刚度,还要有较高的表面光洁度和尺寸精度。在我国传统拉拔行业中,硬质合金模具应用最为广泛,但由于其自身材料性质使得模具在应用过程中磨损非常严重、精度难以保证、拉制质量差、模具消耗大、铜等原材料浪费严重,造成生产效率低,工人劳动强度大,严重制约了铜材拉拔行业效益和产品质量的提高。此外,大量模具硬质合金材料的消耗,直接导致国家战略物质钨资源的浪费。因此采用金刚石涂层技术,研究开发的具有优异性能（CVD金刚石薄膜具有十分接近天然金刚石的硬度、高的弹性模量、极高的热导率、良好的自润滑性和化学稳定性等优异性能）的新型CVD金刚石涂层拉拔模具,不仅能大幅度提高模具的使用寿命,显著提高生产效率和产品质量,减少原材料消耗,降低成本,给应用行业带来巨大的经济效益,而且对于有效减少钨资源的消耗,促进经济可持续发展,也具有重要意义。本文通过弹塑性有限元法,利用非线性有限元分析软件分别对铜线材单、多道次及铜管空拉、固定短芯头拉拔和游动芯头拉拔过程进行有限元模拟,得到了各种拉拔条件下铜材及模具的轴向和径向应力分布,并通过不断改变模拟拉拔参数,及分析仿真结果得到各种拉拔条件下最佳的拉拔模具参数,最后对最佳的拉拔模具参数进行实际的拉拔试验研究,这对延长模具寿命、提高拉拔铜材的表面质量和尺寸精度及CVD金刚石涂层拉拔模具的推广应用有重要意义。论文的具体研究内容如下: 1.采用非线性有限元分析软件对铜线材单道次拉拔过程进行有限元仿真,得到了拉拔过程中铜线及模具的轴向及径向应力分布规律,然后通过正交实验法研究了铜线不同压缩率时金刚石涂层拉拔模具参数（工作锥半角α,过渡圆弧半径R,定径带长度L）对铜材拉拔过程的影响,得到了最佳的拉拔模具孔型参数,及不同压缩率时各影响因素对铜材表面轴向残余应力和涂层模具最大等效应力的影响规律。最后实际拉拔试验表明,孔型参数优化后的金刚石涂层拉拔模具的工作寿命是硬质合金模具的10倍。 2.对铜线材多道次拉拔过程进行有限元仿真,得到了铜线及模具在各个道次的轴向及径向应力分布规律,并对比分析了生产用铜线多道次拉拔和双递减法所得铜材多道次拉拔对铜材等效应变、等效应力及残余应力的影响。这对实际生产中铜线多道次拉拔的道次优化有重要指导作用。 3.利用弹塑性有限元法对铜管的空拔过程进行有限元模拟,分析了空拔过程中铜管与模具的轴向及径向应力分布规律,并以此阐述了空拔铜管的缩径缺陷。然后采用正交实验法模拟研究了拉拔参数（工作锥半角α、过渡圆弧半径R、定径带长度L、摩擦系数μ、拉拔速度v）对铜管空拔的影响,并得到铜管一定减面率条件下的最佳拉拔参数及各因素对分析指标的影响。实际拉拔试验验证了铜管空拔有限元分析的正确。 4.借助有限元分析软件研究了金刚石涂层模具铜管短芯头的拉拔过程,得到了拉拔过程中铜管及模具的轴向、径向应力分布,并阐述了固定短芯头拉拔铜管的缩径缺陷,根据对模拟结果的分析,得到一定拉拔条件下最佳的模具配合参数,并比较分析了摩擦系数及金刚石涂层对拉拔后铜管尺寸精度的影响。应用试验表明,与硬质合金模具相比,模具配合参数优化后的金刚石涂层模具不仅可以大幅提高模具寿命,而且可保证拉拔后铜管的尺寸精度及表面光洁度。 5.通过有限元模拟研究了金刚石涂层模具铜管游动芯头的拉拔过程,分析了铜管及模具的轴向和径向应力分布,并通过正交实验法分析研究了外模参数（工作锥半角α、过渡圆弧半径R、定径带长度L）对铜材及涂层模具轴向应力的影响,并得到一定拉拔条件下最佳的外模参数。最后,对具有最佳孔型参数的外模进行实际的拉拔试验,与硬质合金模具相比,其产量和寿命都可至少提高8倍以上。

关键词： CVD金刚石涂层拉拔模具有限元分析多道次拉拔铜管空拔固定短芯头游动芯头

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

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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

作者：丁超越上海交通大学

学位级别：硕士

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(Hot Filament Chemical Vapor Deposition,HFCVD)技术在模具内孔表面沉积金... 详细信息

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(Hot Filament Chemical Vapor Deposition,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、内孔孔径r、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S=5mm,上层热丝与基体间距S=4.5mm,下层热丝直径D=0.3mm,上层热丝直径D=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。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D=0.4mm,上层热丝直径D=0.4mm,下层热丝间距L=7.5mm,上层热丝间距L=8mm,下层热丝与基体间距S=7mm,上层热丝与基体间距S=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。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。

关键词：不穿丝工艺拉拔模具 HFCVD金刚石涂层热丝辐射温度场仿真