CN100387753C - 在球面衬底上制造金刚石涂层的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明针对目前急需解决的球面衬底的CVD金刚石沉积成形问题,提出了一种在球面衬底上制造金刚石涂层的方法及其装置,通过均匀表面温度场,在球面衬底表面均匀制备CVD金刚石涂层,通过在工作台的下方安装一个由特种陶瓷制成的锥形轴辊,锥形轴辊带动球面衬底旋转,使得球面衬底表面温度处于稳定状态,通过沉积纳米尺寸颗粒组成的CVD金刚石涂层来降低涂层表面粗糙度,提高涂层韧性。本发明保证了球面衬底表面沉积CVD金刚石膜时温度场均匀、稳定,使得CVD金刚石膜的成核和生长能够均匀、稳定地进行,沉积的纳米CVD金刚石涂层的表面粗糙度很低,涂层不需要进一步加工就可以直接使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用化学气相沉积法在球面衬底上制备金刚石涂层的方法及其装置。
背景技术
目前,化学气相沉积法(简称CVD)金刚石的力学、热学、声学、电学、光学和化学等各项性能已经达到或接近天然金刚石的性能,具有广阔的应用前景。在零件表面沉积一层CVD金刚石膜,可以大大提高零件的力学、热学、声学、光学和化学等各项性能,增强零件的使用性能。由于制备平面CVD金刚石膜时衬底的温度场较容易控制,目前各种平面CVD金刚石膜的制备技术发展较快。而制备曲面CVD金刚石膜,由于衬底是空间曲面,目前的各种金刚石膜的制备方法均存在温度场难于均匀控制的问题。衬底温度是制备金刚石膜的最重要参数之一,衬底温度场不均匀直接影响金刚石的成核与生长,很难在空间曲面上制备出高质量的均匀一致的CVD金刚石膜。对于曲率半径较小的球体,在其表面采用化学气相沉积的方法沉积CVD金刚石涂层时球体表面的温度场更难均匀控制。
目前CVD法制备的金刚石涂层的晶粒为微米级,微米级的晶粒粗大,金刚石涂层表面粗糙,其内部存在一定的缺陷使得膜内存在较大的应力,这种缺陷使得金刚石涂层的耐磨性呈现各向异性。CVD金刚石涂层表面粗糙,未经抛光处理的CVD金刚石涂层不能直接作为轴承的耐磨涂层使用,而抛光处理CVD金刚石涂层增加了成本。目前金刚石的抛光处理效率低,成本高,特别是精密加工的成本非常高,同时金刚石膜内存在的应力在加工过程中会造成膜出现微裂纹,这些都制约了金刚石膜作为涂层的应用。由纳米颗粒组成的纳米金刚石膜除了具备金刚石膜高硬度、导热性极好,摩擦系数低等优越性能之外,它克服了微米级金刚石膜难加工的不利影响,NCD膜具有韧性高这一新的性能,纳米金刚石涂层表面粗糙度低,不需要进一步加工就可以直接使用。
目前,CVD方法制得的金刚石涂层均为平面产品,球面类金刚石涂层的制造方法及其设备尚未见相关报道,而随着科技进步的发展,对球面进行金刚石沉积的要求将越来越多,其应用范围也将越来越广(如耐磨球轴承等),因此开发一种在球面上制造金刚石涂层,尤其是纳米级涂层的方法及装置是当务之急。
发明内容
本发明的目的一是提供一种在球面衬底上获得均匀的金刚石(包括纳米级金刚石)涂层的方法。
本发明的另一个目的是设计一种与上述方法配套的制造装置。
本发明的第一目的可通过以下技术方案实现:
一种在球面衬底上制造金刚石涂层的方法,其特征是包括以下步骤:
(1)将球面衬底呈多列均匀排放在衬底工作台上,在工作台的下方安装与所述球面衬底列数相等的、用以带动球面衬底旋转的锥形轴辊,使得球面衬底表面温度处于动态的稳定状态,每根锥形轴辊上的锥形辊子的数量与所对应的该列球面衬底的数量相等,同时使每个球面衬底与对应的锥形辊子相接触;
(2)在工作台的上方、水冷进气室的下方、沿球面衬底列的方向直线排列若干根加热灯丝,使得加热灯丝对球面衬底的表面辐射均匀;
(3)向真空室内通入反应气体,并使所述的锥形轴辊动作,即可在球面衬底表面通过化学气相沉积形成均匀的金刚石涂层。
所述的加热灯丝与球面衬底之间的距离与相邻加热灯丝之间的关系为:h=(1.2~1.6)L,其中h为加热灯丝与球面衬底最高点之间的距离,L为相邻加热灯丝之间的距离。
为了在球面衬底有面得到纳米级的沉积层,提高耐磨性,本发明通过在向真空室内通入反应气体的同时加入Ar气,通过Ar气的协同作用在球面衬底表面化学气相沉积得到纳米级金刚石涂层。
在所述的加热灯丝和反应用气室之间设有加速反应气体分解的栅极电场。
本发明的另一目的可通过以下技术方案加以实现:
一种在球面衬底上制造金刚石涂层的装置,包括密闭的真空室和位于真空室内的工作台8,工作台8中安装有调节其温度的冷却水管10,其特征是工作台8上设有若干列与球面衬底7相配的球形通孔,在工作台8的下方设有若干列锥形轴辊9,每列锥形轴辊9上的锥形辊子11的数量与每列球面衬底7的数量相等,加热灯丝6呈直线阵列安装在工作台8的上方,在加热灯丝6的上方安装有水冷进气室4,水冷进气室4通过进气口3与气源相连,在水冷进气室4的出气端和加热灯丝6之间加有使反应气流5发生分解的栅极电场2;在加热灯丝6和工作台8之间还安装有测温计或温度传感器1。锥形轴辊9、加热灯丝6、水冷进气室4、进气口3、栅极电场2等均位于真空室内。
所述的锥形轴辊9由轴12和安装在轴12上的锥形辊子11组成,轴12既作旋转运动又作轴向窜动。
本发明的有益效果:
本发明解决了球面衬底上CVD金刚石的成形以及成形的均匀性、粗糙度等问题,不仅可在球面衬底上得到普通尺寸的沉积层,而且通过加入Ar气可使成形的金刚石颗粒达到纳米级,为球面衬底的工业化制造提供了先进的方法及装置。通过实验证实本发明的方法及装置可在碳化硅陶瓷轴承滚动球体表面得到厚度约5μm的纳米金刚石涂层,涂层表面粗糙度值Ra<0.1μm,该涂层的耐磨性比碳化硅陶瓷衬底的耐磨性提高5倍。
附图说明
图1是本发明的装置的结构示意图。
图2是本发明的锥形轴辊的结构示意图。
图3为陶瓷球体表面上制备出的纳米金刚石涂层的扫描电镜(SEM)照片。图中看到薄膜表面连续、平整,表面粗糙度值很小。
图4为陶瓷球体表面上制备出的纳米金刚石涂层的拉曼光谱(Raman)。图中1332cm-1是金刚石sp3结构的特征峰,1140cm-1峰是纳米金刚石的特征峰。
图5为陶瓷球体表面上制备出的纳米金刚石涂层的原子力显微镜(AFM)照片。薄膜表面颗粒的尺寸均在80纳米左右。
图6为陶瓷球体表面上制备出的纳米金刚石涂层的x射线衍射谱(XRD)。图中可见到金刚石(111)和(220)峰。由金刚石衍峰射的半高宽,可以根据谢乐公式估算出金刚石膜层的平均晶粒大小约为70nm。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1~6所示。
下面以在球面衬底表面制备纳米级金刚石涂层为例对本发明的方法作进一步的说明:
(1)优化加热灯丝排布、优化加热灯丝与球面衬底之间的间距,使得加热灯丝对球面衬底表面的辐射均匀,其对应关系可参照公式h=(1.2~1.6)L确定,其中h为加热灯丝与球面衬底最高点之间的距离,L为相邻加热灯丝之间的距离,本实施例的h的取值为5~8mm,加热灯丝的数量应尽可能多以便球形表面的温度场均匀一致。(2)球面衬底安放在温度可以调节的衬底工作台上,更换衬底工作台以适应不同大小的球面衬底。在工作台的下方安装一个由特种陶瓷制成的锥形轴辊,锥形轴辊带动球面衬底旋转,使得球面衬底表面温度处于动态的稳定状态。球面衬底表面的沉积温度通过红外温度计测量。在衬底工作台上,球面衬底呈多列均匀排放,每列均匀放置多枚球面衬底,这样一次可以实现在多个球面衬底表面上沉积CVD金刚石涂层,大大提高CVD金刚石涂层的制备效率。(3)在H2-CH4体系的反应气体中加入Ar,通过Ar作用使得球体表面CVD金刚石涂层的颗粒为纳米尺寸,降低涂层表面粗糙度,提高涂层韧性,在热丝和反应气体入口处增加栅极电场,加速反应气体分解率,使得纳米金刚石涂层的制备效率提高。
制备非纳米级普通颗粒直径的金刚石涂层的不同之处是所加的反应气体中不需要加入Ar。
与上述方法相配的具体的装置为:
图1为在球体表面上制备金刚石涂层的装置示意图。图中,球面衬底7放置在水冷衬底工作台8上,衬底工作台8上衬底球呈多列均匀排放,每列均匀放置多枚衬底球,锥形轴辊9转动带动球面衬底7旋转,拉直状态的直加热灯丝6呈阵列位于球面衬底7的上方,在直加热灯丝6阵列和水冷进气室4之间施加栅极电场2,反应气体(H2-CH4和Ar气)通过进气口3进入水冷进气室4,反应气体在水冷进气室4内流出后形成均匀的反应气体流5,反应气体流5在由直加热灯丝6组成的阵列的作用下发生分解,产生的活性物质在球面衬底7表面沉积出均匀纳米金刚石涂层,球面衬底7的表面沉积温度通过红外温度计1测量。图2为锥形轴辊9的传动示意图。图中,锥形辊子11安装在轴12上并与球面衬底7相接触,轴12通过两个轴承13支撑,在传动机构的带动下,轴12带动锥形辊子11旋转并沿轴向作微小的往复窜动,而使轴12旋转的同时作一定量的轴向窜动可通过简单的机械结构(如凸轮机构)加以实现。在锥形辊子11的带动下,安放在水冷衬底工作台8上的球面衬底7可以均匀的转动,水冷衬底工作台8内的冷却水管10内通入流量可以调节的去离子水,使得衬底工作台8温度和球面衬底7的沉积温度控制。
本实施例未涉及部分如真空室、电控装置、机械传动装置、反应气体、加热丝规格等均与现有技术相同。
具体例:
以衬底为陶瓷滚动轴承、内直径φ10mm的碳化硅陶瓷轴承滚动球体为例,表面经过纳米金刚石悬浊液抛光、去离子水清洗等表面预处理后放在衬底工作台8上。碳化硅陶瓷轴承滚动球在衬底工作台8上呈4列放置,每列放4枚。采用12根直径为φ0.6mm的钽丝作为热丝,热丝下端到衬底球表面距离为8mm。反应气体中CH4∶H2∶Ar=1∶4∶95,热丝温度2650℃左右,衬底温度750℃,反应室压力为3.0kPa,栅极电压30V,经过5小时后,在碳化硅陶瓷轴承滚动球体表面得到厚度约5μm的纳米金刚石涂层,涂层表面粗糙度值Ra<0.1μm,该涂层的耐磨性比碳化硅陶瓷衬底的耐磨性提高5倍。涂层的SEM照片、Raman光谱分析、AFM照片和XRD分析分别如图3、4、5、6所示。
Claims (7)
1.一种在球面衬底上制造金刚石涂层的方法,其特征是包括以下步骤:
(1)将球面衬底呈多列均匀排放在衬底工作台上,在工作台的下方安装与所述球面衬底列数相等的、用以带动球面衬底旋转的锥形轴辊,使得球面衬底表面温度处于动态的稳定状态,每根锥形轴辊上的锥形辊子的数量与所对应的该列球面衬底的数量相等,同时使每个球面衬底与对应的锥形辊子相接触;
(2)在工作台的上方、水冷进气室的下方、沿球面衬底列的方向直线排列若干根加热灯丝,使得加热灯丝对球面衬底的表面辐射均匀;
(3)向真空室内通入反应气体,并使所述的锥形轴辊动作,即可在球面衬底表面通过化学气相沉积形成均匀的金刚石涂层。
2.根据权利要求1所述的在球面衬底上制造金刚石涂层的方法,其特征是所述的加热灯丝与球面衬底之间的距离与相邻加热灯丝之间的关系为:h=(1.2~1.6)L,其中h为加热灯丝与球面衬底最高点之间的距离,L为相邻加热灯丝之间的距离。
3.根据权利要求1所述的在球面衬底上制造金刚石涂层的方法,其特征是在向真空室内通入反应气体的同时加入Ar气,通过Ar气的协同作用在球面衬底表面化学气相沉积得到纳米级金刚石涂层。
4.根据权利要求1所述的在球面衬底上制造金刚石涂层的方法,其特征是在所述的加热灯丝和水冷进气室之间设有加速反应气体分解的栅极电场。
5.一种在球面衬底上制造金刚石涂层的装置,包括密闭的真空室和位于真空室内的工作台(8),工作台(8)中安装有调节其温度的冷却水管(10),其特征是工作台(8)上设有若干列与球面衬底(7)相配的球形通孔,在工作台(8)的下方设有若干列锥形轴辊(9),加热灯丝(6)呈直线阵列安装在工作台(8)的上方,在加热灯丝(6)的上方安装有水冷进气室(4),水冷进气室(4)通过进气口(3)与气源相连,在水冷进气室(4)的出气端和加热灯丝(6)之间加有使反应气流(5)发生分解的栅极电场(2)。
6.根据权利要求5所述的在球面衬底上制造金刚石涂层的装置,其特征是所述的锥形轴辊(9)由轴(12)和安装在轴(12)上的锥形辊子(11)组成。
7.根据权利要求5所述的在球面衬底上制造金刚石涂层的装置,其特征是在加热灯丝(6)和工作台(8)之间安装有测温计或温度传感器(1)。
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