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http :∥ ZZHD．chinajournal．net．cn E-mail :ZZHD@chainajournal．net．cn 《 机械制造与自动化 》

基金项目 :国家自然科学基金 (No51075211 ; 南京航空航天大学 2010年度研究生创新基金 作者简介 :黄美健 (1987— , 男 , 湖北荆门人 , 硕士 , 研究方向为表面工程技术 。

CVD 金刚石涂层拉丝模温度场数值分析 黄美健 , 左敦稳 , 卢文壮 , 徐锋 , 张旭辉 (南京航空航天大学 机电学院 , 江苏 南京 210016 摘

要 :衬底温度是热丝化学气相沉积 (HFCVD 制备金刚石薄膜的重要参数之一 , 在拉丝模

表面沉积 CVD 金刚石涂层时 , 均匀的衬底温度场显得尤为重要 。 对 HFCVD 系统中制备 CVD 金刚石涂层时拉丝模衬底温度场进行数值分析 , 得到了拉丝模温度场的分布和热丝参数对衬

底温度场的影响规律 ,

为 CVD 金刚石涂层拉丝模的制备提供重要指导 。 关键词 :热丝化学气相沉积 ; 金刚石薄膜 ; 拉丝模 ; 温度场 ; 数值分析

中图分类号 :TG17文献标志码 :A 文章编号 :1671-

5276(2012 02-0024-04Numerical Analysis of CVD Diamond Wire Drawing Temperature Field

HUANG Mei-jian , ZUO Dun-wen , LU Wen-zhuang , XU Feng , ZHANG Xu-hui (College of Mechanical and Electrical Engineering , Nanjing University

of Aeronautics ＆Astronautics , Nanjing 210016, China

Abstract :Substrate temperature is one of the key parameters in diamond hot filament chemical vapor deposition (HFCVD ．Uniform

substrate temperature field is even more important in diamond deposition on the interior surface of wire drawing．This paper carries out numerical analysis of the temperature field of wire drawing in HFCVD system and obtains the temperature distribution and the in-fluence characteristics of the hot filament parameters on the magnitude and uniformity of substrate temperature field , which provide a guide for the fabrication of the CVD diamond wire drawing．

Key words :hot filament chemical vapor deposition (HFCVD ; diamond film ; wire drawing ; temperature field ; numerical analysis

0引言

拉丝模是各种金属线材生产厂家拉制线材的一种非

常重要的模具 , 广泛应用于拉拔棒材 、 线材 、 丝材 、 管材等 领域 。 但拉丝模的易消耗性 , 大大增加了拉丝费用 。 CVD 金刚石以其高硬度 , 高耐磨性 , 低摩擦系数以及高表面光 洁度的良好性能成为了拉丝模最具前景的材质之一 , 为拉

丝模行业带来了新的活力 [1] 。

热丝化学气相沉积法 (HFCVD 由于设备简单 , 参数 易于控制 , 成本低而被广泛应用于各种金刚石产品的生产 中 。 HFCVD 制备金刚石过程中 , 衬底温度场是影响金刚

石涂层品质的关键因素之一 [2]

。 目前 , 有些学者对 HF-CVD 法衬底温度场开展了一系列的研究 , 取得了一些成 果 [3-5], 但对 HFCVD 法 衬 底 温 度 场 的 研 究 往 往 基 于 平 面衬底 , 对 于 曲 面 衬 底 温 度 场 的 研 究 很 少 。 本 文 运 用

ansys11．0对 HFCVD 金刚石沉积过程中拉丝模的温度场 进行了数值分析 , 讨论了热丝参数对衬底温度场的影响 , 对拉丝模表面 CVD 金刚石涂层的均匀制备具有重要的指 导意义 。

1拉丝模温度场的有限元模型

HFCVD 法沉积金刚石过程中热量传递主要以热辐射 的形式发生 , 衬底温度的空间分布主要受热丝的热辐射影 响 , 热传导和热对流作用影响较小 [6]

。 而在拉丝模内表 面沉积金刚石时 , 为保证拉丝模的温度达到可沉积金刚石 的温度范围且温度分布均匀 , 应尽量减少拉丝模与其他物 体的接触 , 从而减少由热传导造成的热量的散失以及温度 的不均匀性 。 因此 ,

在对拉丝模温度场进行分析时可以忽 略由热传导和热对流传递的热量 , 仅考虑热辐射 。 采用 ansys11．0进行有限元建模 , 拉丝模和热丝采用 solid70单元 , 拉丝模和热丝表面上覆盖 shell57单元 , 在分 析热辐射时将辐射以载荷的形式施加在 shell57上 。 面与 面的辐射角系数采用 AUX12矩阵生成器计算并将其作为 超单元进行热分析 ,

超单元选用 matrix50。 分析采用的系 统为开放系统 , 需定义一个空间节点 , 用于吸收未被模型 吸收的能量 , 以达到能量平衡 。 拉丝模材料为硬质合金 YG8, 热丝采用钨丝 。 不同尺寸的拉丝模在沉积金刚石时 , 热丝排列方式有 所不同 。 拉丝模的结构为中心轴对称 , 为保证内表面的温 度均匀 , 最理想的热丝排列方式是热丝圆柱阵列排布在拉 丝模内孔中 。 随着拉丝模孔径的减小 , 热丝数量也要相应 减少 ,