CVD金刚石涂层拉丝模温度场数值分析.docx

CVD金刚石涂层拉丝模温度场数值分析.docx

《CVD金刚石涂层拉丝模温度场数值分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CVD金刚石涂层拉丝模温度场数值分析.docx（7页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

CVD金刚石涂层拉丝模温度场数值分析

http:

∥ZZHD．chinajournal．net．cnE-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（201202-0024-04NumericalAnalysisofCVDDiamondWireDrawingTemperatureField

HUANGMei-jian,ZUODun-wen,LUWen-zhuang,XUFeng,ZHANGXu-hui（CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanjingUniversity

ofAeronautics＆Astronautics,Nanjing210016,China

Abstract:

Substratetemperatureisoneofthekeyparametersindiamondhotfilamentchemicalvapordeposition（HFCVD．Uniform

substratetemperaturefieldisevenmoreimportantindiamonddepositionontheinteriorsurfaceofwiredrawing．ThispapercarriesoutnumericalanalysisofthetemperaturefieldofwiredrawinginHFCVDsystemandobtainsthetemperaturedistributionandthein-fluencecharacteristicsofthehotfilamentparametersonthemagnitudeanduniformityofsubstratetemperaturefield,whichprovideaguideforthefabricationoftheCVDdiamondwiredrawing．

Keywords:

hotfilamentchemicalvapordeposition（HFCVD;diamondfilm;wiredrawing;temperaturefield;numericalanalysis

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,

最终可以是单根热丝位于拉丝模中心轴位置。

但当孔径小到不再适合热丝穿过时,就不得不采用在拉丝模进口区上方平面阵列热丝的方式。

图1为对应于三种不用

热丝排列方式、

公称直径分别为30mm,5mm,3mm的拉丝模温度场仿真的有限元模型。

·42·

MachineBuilding

Automation,Apr2012,41（2:

2427

研究沉积过程中衬底表面温度场分布情况,分析类型为稳态分析,选用FrontalSolver求解器。

所有输入温度采用摄氏温度。

热丝数量n,热丝温度Tf,热丝直径df,热丝阵列直径d阵列（热丝阵列形成的圆柱面的直径、热丝间距Tf以及热丝与衬底距离df都是影响拉丝模温度的重要参数,本文对其分别进行了分析。

2

结果与分析

2．1

拉丝模内表面温度分布

图2所示分别为三种拉丝模内表面的温度分布图。

图中可以看出,三种热丝排列方式下的拉丝模内表面温

度整体均呈中心轴对称分布,

在周向方向上的温度比较均匀,在轴向方向上温度呈梯度分布。

但是,三种热丝

排列方式下拉丝模内表面的高温和低温区域有所不同。

圆柱阵列和单根热丝排列方式下,拉丝模内表面温度在定径区最高,而在进口区处最低;平面阵列热丝排列方式下,拉丝模内表面温度则在进口区最高,而在出口区

最低。

这是因为距离热丝近的位置与热丝之间的辐射角

系数大,因而接受的辐射热量多,温度较高。

鉴于拉丝模内表面温度的均匀性是由其轴向温度决定的,因而在之后的分析中将采用轴向温度作为参考。

2．2热丝参数对拉丝模内表面温度的影响

本文主要研究热丝数量n,热丝温度Tf,热丝直径df,热丝阵列直径d阵列（热丝阵列形成的圆柱面的直径、热

丝间距Tf以及热丝与衬底距离df对拉丝模内表面温度的影响,结果如图3所示（z坐标为拉丝模高度方向,

z=0处为拉丝模出口区端面位置。

·

52·

http:

∥ZZHD．chinajournal．net．cn

E-mail:

ZZHD@chainajournal．net．cn《机械制造与自动化》

图3所示为热丝数量、热丝直径、热丝阵列直径以及热丝温度对圆柱阵列热丝排列方式下拉丝模内表面温度的影响。

从图中可以看出,其他参数不变的情况下,随着热丝数量的增加,衬底温度是逐渐升高的（图3（a。

这

是因为热丝数量的增加增添了辐射源,

使得内表面接收的热丝辐射热量增加,因而温度升高。

热丝每增加一根,内

表面温度升高大概40ħ。

热丝直径的增大也使得内表面的温度升高（图3（b。

热丝直径的增加使得热丝辐射表面积增加,

与辐射表面积成正比的辐射热量也随之增加,因而内表面温度增加。

随着热丝直径的增大,内表面的温度升高幅度有所减小,

热丝直径从0．4mm到1．0mm每增大0．2mm,内表面温度分别升高100ħ,80ħ,60ħ。

当热丝阵列直径增大时,内表面温度随之升高,但继续增大热丝阵列直径又会使其温度下降（图3（c。

这

是由拉丝模衬底以及热丝分布的圆周形状所决定的。

热丝阵列直径增加时,热丝一方面将靠近其辐射的一部分衬底表面而另一方面又远离其辐射的另一部分衬底表面,因而出现衬底温度变化趋势不明显的现象。

这也造成了热丝阵列直径变化时,拉丝模温度的变化并不是很大。

热丝温度的升高使得拉丝模内表面温度随之升高,热丝温度每升高100ħ,内表面温度将升高大约35ħ（图3（d。

由于热丝向外辐射的能量与温度的四次方成正比,热丝温度

的升高必然使其辐射能力增强,

拉丝模温度也随之升高。

图4、图5分别为单根热丝和平面阵列热丝排列方式

下热丝参数与拉丝模内表面温度的关系曲线。

其中,热丝数量、热丝直径和热丝温度对拉丝模内表面温度的影响规

律与图3所示基本一致,

而平面阵列热丝排列方式下,热丝间距和热丝衬底距离均与拉丝模内表面温度成反比关

系（图5（c、

（d。

因为热丝间距和热丝衬底距离的增加都使得热丝与拉丝模之间的辐射角系数随之减小,从而

造成了拉丝模温度降低的结果。

·

62·

MachineBuildingAutomation,Apr2012,41（2:

24273结论

拉丝模内表面温度呈中心轴对称分布,在周向方向上的温度比较均匀,在轴向方向上温度呈梯度分布。

热丝穿过拉丝模圆柱阵列排布时,拉丝模内表面温度在定径区最高,而在进口区处最低;热丝平面阵列排布在拉丝模进口区上方时,拉丝模内表面温度则在进口区最高,而在出口区最低。

拉丝模内表面温度随着热丝数量、热丝温度、热丝直径的增大而升高。

热丝圆柱阵列排布时,热丝阵列直径对拉丝模内表面温度影响不明显。

热丝平面阵列排布时,热丝间距与热丝衬底的距离均与拉丝模内表面温度成反比关系。

参考文献:

[1]刘秀军．CVD金刚石拉丝模的性能