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www.read-wca.comWire & Cable ASIA – March/April 2015
❍
❍
图
4
:
纳米金刚石复合涂层模（纳米模具）的外观
❍
❍
图
3
:
多晶涂层（黑色）和纳米金刚石涂层（红色）的拉曼光谱
强度（埃单位）
波数
(cm
-1
)
在下方的多晶金刚石薄膜
纳米金刚石薄膜外表
❍
❍
图
2
:
多晶和纳米金刚石涂层扫描电子显微镜成像的平面视图
尤其是铝导线拉拔应用，要求极低摩擦工艺和很高的光洁
度，而这两点热丝化学气象沉积都可以做到。
2
纳米金刚石复合涂层模具(纳米模具)的制备
本文的作者利用纳米金刚石合成涂层沉积解决了多晶金刚石
涂层表面非常粗糙的问题。表面光滑的合成金刚石薄膜通过
两步化学气相沉积过程生成，第一步是普通粗糙多晶金刚石
的沉积，然后是纳米金刚石层的沉积。
YG6
(钴
6%
)烧结硬质合金拉拔模具被用作衬底，采用多种方
法对其进行预处理，包括浸入特定试剂过滤钴以及用金刚石
粉末刮擦衬底
[3]
。普通的与纳米的金刚石薄膜在偏压增强的热
丝化学气象沉积装置中进行沉积。
通过调整化学气象沉积工艺参数(如气压、碳氢化合物－氢气
混合物比率以及是否使用偏压)，纳米金刚石薄膜在厚度为
10~15
微米的普通金刚石薄膜基础上在原处继续沉积，以便显
著提高二次成核。通过轮流的粗糙多晶金刚石和平滑的微粒
纳米金刚石层
[4]
沉积，表面光滑的合成金刚石薄膜便形成了。
在待镀膜模具中心线上放一条细直钽丝(见图
1
)。在模具孔径
非常小的情形下，用高温弹簧或一种特别设计的夹具保持钽
丝笔直。在模具的轴心处放置一条笔直细丝，可以使拉拔模
具的孔表面在沉积过程中保持恒温。在细丝和拉拔模具衬底
之间施加直流偏压，以便增强金刚石成核密度。
3
纳米金刚石复合涂层模具（纳米模具）的
特征描述及讨论
图
2a
和
2b
显示的是普通多晶和纳米金刚石涂层的外表形态。
如图
2a
所示，普通多晶金刚石薄膜呈现多面微晶金刚石表
面，粒度尺寸在
2
至
4
微米之间。表面非常粗糙，由
{111}
和
{110}
面组成。而对于纳米金刚石，如图
2b
所示，薄膜显得非
常密实，外观纹理细密(粒度尺寸约为
50
纳米)。外表形态呈
非多面体，比多晶金刚石薄膜平滑得多。
图3展示了多晶金刚石薄膜及纳米金刚石薄膜复合涂层的拉曼
光谱。普通多晶金刚石薄膜的唯一金刚石特征尖峰(
sp
3
碳)出
现在
1,332cm
-1
处。而纳米金刚石薄膜的金刚石特征峰(
sp
3
碳)
出现在
1,339cm
-1
附近。宽峰在
1,580cm
-1
附近，等同于无晶碳
或非金刚石碳(
sp
2
碳)。由此可以推断，普通多晶金刚石薄膜
包含的非金刚石成分要少得多。
对于纳米金刚石，
1,332cm
-1
的金刚石波段被显著拉宽，且有
研究称拉曼散射强度达到
1,560cm
-1
区域附近。金刚石波段变
宽是粒度尺寸降至纳米级的结果，出现
1,560cm
-1
的散射强度
是薄膜晶粒外缘的类石墨或无晶碳
sp
2
杂化组分增加引起。
sp
2
杂化碳比
sp
3
杂化碳的拉曼散射高出
50~60
倍，因此金刚石成
分在薄膜中占主导地位。可以把图
3
中纳米金刚石薄膜的拉曼
光谱看成是复合金刚石薄膜表面的代表，因为拉曼光谱揭示
了薄膜顶层的结构。
我们在五处取样测试了同等厚度的普通多晶涂层和纳米金
刚石复合涂层的外表形态，外表粗糙度(
Ra
)的结果分别为
309.64
和
104.71
纳米。通过对比，机械抛光后纳米金刚石复
合涂层的粗糙度能够达到
30
纳米甚至更低。
根据特征描述和分析，纳米金刚石涂层表面平滑，粒度尺寸
约为
50
纳米，比普通多晶金刚石涂层的粒度尺寸小得多。这
非常有利于金刚石涂层的表面抛光。因此，纳米金刚石复合
涂层模具(纳米模具)制造方便，见图
4
(带模套)，能够满足良
好的耐磨度、很高的光洁度和低铝摩擦系数的要求。
4
适用于铝线拉拔的纳米模具的应用测试
4.1
适用于铝线拉拔的纳米模具的普通应用测试
我们采用上述的纳米金刚石复合涂层技术和后续抛光技术，
准备了用于铝线拉拔的不同规格(内径小于
4
毫米)的纳米模
具。根据中国客户在生产线上运行的实际漆包铝线和铝线拉
拔测试，纳米金刚石复合涂层表现出良好的黏附性、耐磨性
和更小的表面摩擦力。当拉拔速度约为
15
米/秒时，纳米模具
的寿命约延长至
10
到
25
倍，因此它不仅能节省拉拔模具本身
的成本，而且能够大大减少切换时间(仅为原来流程的
4%
至