硼掺杂微米纳米金刚石复合薄膜涂层铝塑复合管拉拔模的应用探究

铝塑复合管指的是中间层为铝管，内外层为聚乙烯或交联聚乙烯，层间为热熔胶黏合而成的多层管，它同时具有聚乙烯或交联聚乙烯塑料管耐腐蚀性和金属管耐高压的优点。常用的铝塑复合管由外至内包括塑料、热熔胶、铝合金、热熔胶及塑料五层材料，其中内层的铝合金、热熔胶及塑料复合部分是经过包覆加工后采用本节所述的铝塑复合管拉拔模连续拉拔生产的。铝塑复合管用作室内小口径供水管、辐射采暖和地板采暖、室内低压燃气用管等有着显著的自身特点和应用优势，在铝塑复合管加工生产过程中，对内层铝塑复合部分的材料质量、表面处理、表面质量和加工精度都有着较高的要求，因此也就间接对铝塑复合管拉拔模具的加工效果提出了较高的要求。本节中制备的BD-UM-NCCD薄膜涂层铝塑复合管拉拔模在铝塑复合管拉拔生产线上进行了实际拉拔应用，拉拔生产采用的是串联式联合拉拔机组，该机组由机械设备、润滑设备、电气系统、液压系统等组成，其中机械设备又包括开卷、矫直夹送、压头、拉拔主机、冷却、缓冲活套、收卷装置等。拉拔生产采用的原材料为铝材和塑料管，产品为满足尺寸要求的铝塑复合管成品，在拉拔过程中，铝材和塑料管分别从对应的入料口进入双槽连续挤压包覆机，铝材经过连续挤压以及热熔胶的黏合作用包覆在塑料管表面，形成的复合管经过导轮进入模座，经过三道次的BD-UM-NCCD薄膜涂层模具（成品模为Dc＝8.0 mm的模具）的连续拉拔，再经过矫直辊矫直，最后在卷筒上排列成均匀紧密的螺旋状。

本节中制备的BD-UM-NCCD薄膜涂层铝塑复合管拉拔模样品、应用现场及拉制的铝塑复合管产品均如图6-7所示。BD-UM-NCCD薄膜涂层铝塑复合管拉拔模的应用效果主要体现在如下几个方面［129-130］：

图6-7　BD-UM-NCCD薄膜涂层铝塑复合管拉拔模的应用

（a）铝塑复合管拉拔模；（b）拉拔现场；（c）铝塑复合管成品(www.xing528.com)

（1）大幅提高了铝塑复合管拉拔模具的使用寿命，节约了钨、钴等硬质合金原材料。在完全相同的拉拔条件下单只硬质合金拉拔模具以及各类金刚石薄膜涂层拉拔模具的工作寿命分别为：WC-Co约45 km；MCD约200 km；NCD约60 km；BDD约350 km；BD-UCD约550 km；BD-UM-NCCD约500 km。其中MCD和NCD薄膜涂层模具的主要失效形式为薄膜剥落，其他三种薄膜涂层模具的主要失效形式则是环沟状磨损，据此可进一步证明硼掺杂可有效提高金刚石薄膜的附着性能。虽然BD-UCD薄膜的寿命高于BD-UM-NCCD薄膜，但是考虑到抛光效率，BD-UM-NCCD最具实用性，因此在批量生产中优选该薄膜作为硬质合金拉拔模内孔工作表面耐磨涂层，可将传统硬质合金模具的使用寿命提高10倍以上，减少硬质合金材料的损耗，进而有效节约钨、钴等战略资源的消耗。

（2）显著提高了生产效率。BD-UM-NCCD薄膜涂层拉拔模具在全寿命周期内均具有良好的应用效果，无须进行停机检测、修模或换模，因此减少了操作工人的劳动量，可以有效提高生产效率。此外，BD-UM-NCCD薄膜还具有明显优于硬质合金的摩擦性能，薄膜材料与铝材之间的摩擦系数和摩擦阻力较小，因此在同等拉拔条件下可以将拉拔速度提高50%左右，从而进一步提高生产效率。

（3）显著改善了产品质量，减少了铝材的浪费。同样因为BD-UM-NCCD薄膜与铝材之间的摩擦系数较小，因此在拉拔过程中涂层模具对于铝材的刮擦作用会明显减弱，直观表现为拉拔过程中铝屑的生成量和黏铝现象明显减少，因此铝塑复合管产品的表面光洁度和表面质量得到了明显改善，如图6-7（c）所示，其中用作对比的铝塑复合管即为采用涂层模具拉制的产品，明显可以看出其表面光泽要优于采用未涂层硬质合金模具拉制的产品。此外，BD-UM-NCCD薄膜涂层模具优异的耐磨性能决定了其在整个使用过程中磨损很慢，因此模具孔径基本不会发生变化，采用该模具拉制的铝塑复合管产品也就具有更高的尺寸精度稳定性。而采用硬质合金模具进行拉拔生产时，模具孔径在使用公差范围内也会逐渐扩大，从而导致管材产品直径增加，造成铝材浪费。综合应用试验结果可知，采用BDUM-NCCD薄膜涂层模具进行铝塑复合管拉拔生产可以节约大约1%～2%的铝材。

（4）减少了能源消耗。同样因为BD-UM-NCCD薄膜与铝材之间的摩擦系数较小，在拉拔过程中摩擦生热会明显减少，因此电机做功产生的机械能大都消耗在正常的拉拔生产工序中，而不会造成大量的能量损耗，据此分析，采用BDUM-NCCD薄膜涂层模具可以有效减少拉拔生产过程中的能源消耗，符合低碳生产的先进理念。

（5）可以采用水润滑代替油润滑，推动实现绿色生产。金刚石薄膜除了具有较低的摩擦系数外，还具有一些特殊的摩擦特性，比如在水润滑条件下同样具有良好的摩擦性能。拉拔生产所采用的润滑剂需要起到两方面的作用：其一是具有较高的耐磨性，能够有效降低摩擦能耗，减小拉拔力，并能够使产品的表面质量符合要求；其二是具有良好的换热性能，能够有效地对模具和坯料进行散热。采用硬质合金模具进行铝材拉拔过程中应用最广的润滑方式是油润滑，并且由于硬质合金与铝材料之间的黏着现象较为明显，因此必须采用高质量润滑油才能够起到上述两方面的作用，在机械加工过程中大量使用油基润滑剂会造成加工车间产生烟雾、油雾、气氛、化学微粒及细菌污染等加工环境污染问题，并且会危及加工者的健康。同时，随着全球石油资源的日益枯竭，生产油基润滑剂对石油资源的大量消耗也日益引起了人们的重视，而水润滑技术是解决这一问题的理想途径之一。水润滑应用的局限性主要在于水的黏度很低、润滑性差、氧化性强、成膜能力差，在一般的模具上难以形成良好的润滑膜，并且容易引起金属摩擦副的氧化腐蚀和黏着磨损，而金刚石薄膜在水润滑条件下金刚石薄膜表面的成膜性能好，化学稳定性好，不容易形成磨屑或其他摩擦系数较高的反应产物，不易形成氧化腐蚀或黏着磨损。金刚石薄膜在水润滑条件下同样具有优异的摩擦性能，如极低的摩擦系数和磨损率以及良好的自润滑性。作者所在课题组曾就金刚石薄膜在水润滑条件下的摩擦磨损性能进行过系统研究［68，131-132］。在铝塑复合管拉拔生产过程中，使用专门设计的水润滑装置，如图6-7（b）中所示水管接入部分，采用水润滑代替油润滑，BD-UM-NCCD薄膜同样表现出极高的使用寿命和应用效果，拉制的铝塑复合管产品具有较高的尺寸精度和表面质量，同时流动的润滑用水具有更有优异的散热性能，可以有效降低温度，同时省去了后续的恒温清洗装置，简化了加工过程，降低了加工成本，减少了环境污染，对于实现绿色生产具有推动作用。