CN102953045B - 化学气相沉积法涂层系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及化学气相沉积法涂层系统及工艺。采用的技术方案是：涂层工艺如下：将基体置于托盘内，然后将托盘码于支撑筒内的沉积区；控制系统控制不同的反应气体分别经气体入口引入气体混合室；混合后的反应气体经进气管进入反应炉内，经预热区预热，挡板和隔板的分散，进入沉积区；控制系统控制加热炉升温，控制沉积区反应温度为900～2000℃，于常压下对基体涂层；产生的尾气经排气帽、尾气入口Ⅰ，预热板和尾气出口Ⅰ进入点火装置，中和液经喷淋装置喷淋，吸收中和尾气，净化后的尾气经尾气出口Ⅱ排出，吸收液经吸收液出口收集，集中处理。采用本发明，基体涂层具有较高的均匀度和附着力，提高了产品的耐磨损性和耐缺损性，保护了环境。
Description
技术领域
本发明创造涉及一种给模具或刀片涂层的系统及工艺，具体地涉及一种采用化学气相沉积法对模具或刀片或金属零件的表面均匀涂层的系统及工艺。
背景技术
在机加工企业，大量使用钢质模具，硬质合金模具，硬质合金刀片及金属零部件，现有产品，大都是直接采用钢材或合金加工后，即使用，由于表面无涂层，其耐磨损性能差，使用寿命短，给企业造成生产成本提高，也有对钢质模具，硬质合金模具，硬质合金刀片及金属零部件等表面进行涂层的，但大都采用的是物理法，涂层不均匀，附着力低，因此同样影响使用寿命。
发明内容
为了解决以上问题，本发明创造提供一种采用化学气相沉积原理的涂层系统及工艺，采用本发明创造，基体涂层均匀度高，涂层具有较高的附着力，提高了产品的耐磨损性和耐缺损性。
本发明创造采用的技术方案是：化学气相沉积法涂层系统：由控制系统、气体混合室、加热炉、反应炉和尾气吸收塔组成。
气体混合室上设有若干气体入口。
反应炉置于加热炉内。
反应炉内设有支撑筒，支撑筒的上端连接排气帽，支撑筒内从上向下依次分为沉积区、气体分配区和预热区；沉积区内：设有若干托盘，托盘上设有若干通气孔Ⅰ；气体分配区内：设有挡板，挡板上端安装至少三层隔板，隔板上设有若干通气孔Ⅱ；预热区内：安装若干层预热板，进气管的出气端与气体分配区相通，支撑筒在预热区部位的下端设有尾气入口Ⅰ，预热区的下端设有尾气出口Ⅰ。
气体混合室的出气口经管路与进气管的进气端连接。
尾气吸收塔上端设有尾气出口Ⅱ，尾气出口Ⅱ通过管路与引风机连接，尾气吸收塔下端分别设有尾气入口Ⅱ和吸收液出口，点火装置安装在尾气入口Ⅱ的下端，在尾气吸收塔内尾气入口Ⅱ的上端安装伞形挡板，尾气吸收塔内上下两端安装喷淋装置。
尾气出口Ⅰ经管路与点火装置连接。
上述的化学气相沉积法涂层系统：加热炉分成若干段加热区，每段加热区由接线柱、加热装置和热电偶组成；加热炉内从内到外依次设有绝缘隔离层、保温层Ⅰ和保温层Ⅱ。
一种化学气相沉积法涂层工艺，采用上述的化学气相沉积法涂层系统进行涂层，步骤如下：
1）将需要涂层的基体置于托盘内，然后将托盘依次码于支撑筒内的沉积区；
2）控制系统控制不同的反应气体分别通过气体入口引入气体混合室内；
3）混合后的反应气体经管路和进气管进入反应炉内，经预热区预热，挡板和隔板的分散，进入沉积区；
4）控制系统控制加热炉升温，控制沉积区的反应温度在700～2000℃之间，于常压下对基体涂层；
5）产生的尾气经排气帽、尾气入口Ⅰ，预热板和尾气出口Ⅰ进入点火装置，点燃后的尾气进入尾气吸收塔内，中和液经喷淋装置喷淋，吸收中和尾气，净化后的尾气经尾气出口Ⅱ排出，吸收液经吸收液出口收集，集中处理。
上述的化学气相沉积法涂层工艺：所述的反应气体是含有构成薄膜元素的气态反应剂或者液态反应剂的蒸气。
本发明创造的有益效果是：化学气相沉积法（CVD）是将各种混合气体充入高温的反应管内，以化学方式，使基体表面生成超硬颗粒物质的技术工程。是从气体状态，不经过液体，直接过渡为固体状态的生长方式，形成几微米到十几微米厚度的膜。①由于在气体分配区采用独特的结构，使混合气体在上升过程中，经挡板和隔板的两次分散，不仅降低了流速，而且使混合气体以更加均匀分布的状态进入沉积区，进而对托盘内的基体进行均匀的涂层。②本发明创造采用化学气相沉积法的原理，采用常压热CVD法，对基体表面进行TiC，TiCN，TiN的CVD涂层。由气态直接在基体表面涂层，涂层均匀度高。涂层与基材的结合非常紧密。以基体为硬质合金为例，附着力可达100N以上，提高了产品的耐磨性和耐腐蚀性，降低了高温时化学粘着磨损，从而延长了产品的使用寿命，为企业节约了生产成本。③本发明涂层速度快，气体流速慢，对复杂形态和大部件的涂层也很均匀。由于蒸镀速度快，能获得较厚的涂层，而且由于是气体气氛下进行的反应，可以涂覆有微小空隙的部件，并获均匀的涂层，同时还可以通过控制注入气体种类来形成不同的涂层，从而实现多层蒸镀。本发明创造适用于对硬质合金刀片、拉丝模、喷嘴、模具、金属成型模具和挤压模具表面的涂层。即可以对基体表面涂单层，也可以根据需要涂多层。④反应主要在沉积区进行，反应温度经常达到700～2000℃，由于本发明创造对加热炉采用分段式加热，可以根据不同区域的温度，控制不同分段的温度，使沉积区的温度高，而对于气体分配区和预热区的温度可以降低加热炉相对应分段的温度，节约了能源。⑤充分利用尾气的余热。反应后的尾气经排气帽、由反应炉和支撑筒之间的空隙形成的尾气通道、尾气入口Ⅰ导入预热区，进一步预热混合气体，充分利用了能源，进一步节约了能源。⑥本发明反应炉内采用常压下进行cvd涂层，其特点如下：发生气体泄漏时，反应器中的器材不氧化。泄漏时应对氢气和氧气混合气不需要防爆装置。系统不需要排气泵，设备维修费低，一次设备投资少，安全性能好。⑦在尾气吸收塔内设置喷淋装置，由喷淋装置喷淋碱性中和液，吸收中和尾气，净化了尾气，同时，吸收液集中收集处理，因此减少了对大气造成的破坏，保护了环境。
附图说明
图1是本发明创造化学气相沉积法涂层系统结构示意图。
具体实施方式
（一）化学气相沉积法涂层系统
如图1所示，化学气相沉积法涂层系统：由控制系统（1）、气体混合室（2）、加热炉（4）、反应炉（5）和尾气吸收塔（16）组成。
气体混合室（2）上设有若干气体入口（3）。
反应炉（5）置于加热炉（4）内。
反应炉（5）内设有支撑筒（7），支撑筒（7）的上端连接排气帽（6），支撑筒（7）内从上向下依次分为沉积区、气体分配区和预热区；沉积区内：设有若干托盘（8），托盘（8）上设有若干通气孔Ⅰ；气体分配区内：设有挡板（10），挡板（10）上端安装至少三层隔板（9），隔板（9）上设有若干通气孔Ⅱ，从最下层隔板向最上层隔板，不同层隔板上的通气孔Ⅱ的孔径依次增加。即最下层隔板上的通气孔Ⅱ的孔径最小，向上依次增加，最上层隔板上的通气孔Ⅱ的孔径最大；预热区内：安装若干层预热板（13），进气管（11）的出气端与气体分配区相通，支撑筒（7）在预热区部位的下端设有尾气入口Ⅰ（12），预热区的下端设有尾气出口Ⅰ（14）。
气体混合室（2）的出气口经管路与进气管（11）的进气端连接。
尾气吸收塔（16）上端设有尾气出口Ⅱ（15），尾气出口Ⅱ（15）通过管路与引风机（22）连接，尾气吸收塔（16）下端分别设有尾气入口Ⅱ（19）和吸收液出口（21），点火装置（20）安装在尾气入口Ⅱ（19）的下端，在尾气吸收塔（16）内尾气入口Ⅱ（19）的上端安装伞形挡板（18），尾气吸收塔（16）内上下两端安装喷淋装置（17）。
尾气出口Ⅰ（14）经管路与点火装置（20）连接。
上述的化学气相沉积法涂层系统：加热炉（4）分成若干段加热区，每段加热区由接线柱（41）、加热装置（43）和热电偶（42）组成；加热炉（4）内从内到外依次设有绝缘隔离层（44）、保温层Ⅰ（45）和保温层Ⅱ（46）。
（二）化学气相沉积法涂层工艺
以在基体上涂TiC层为例，采用上述的化学气相沉积法涂层系统进行涂层，步骤如下：
1) 将需要涂层的基体置于托盘（8）内，然后将托盘依次码于支撑筒（7）内的沉积区；
2) 控制系统（1）控制气态的TiCl4和CH4（即反应气体）分别通过气体入口（3）引入气体混合室（2）内；
3) 混合后的反应气体经管路和进气管（11）进入反应炉（5）内，经预热区预热，挡板和隔板的分散，进入沉积区；
4) 控制系统（1）控制加热炉（4）升温，控制沉积区的反应温度在700～2000℃之间，于常压下对基体涂层。混合后TiCl4和CH4气体向基体表面扩散，吸附于基体的表面，在基体表面发生化学反应，在基体表面留下不挥发的固体反应产物——即TiC薄膜；
5) 在基体表面产生的气相副产物，即HCl气体脱离基体表面，经排气帽（6）、由反应炉和支撑筒之间的空隙形成的尾气通道、尾气入口Ⅰ（12），预热板（13）和尾气出口Ⅰ（14）进入点火装置（20），点燃后的尾气进入尾气吸收塔（16）内，中和液经喷淋装置（17）喷淋，吸收中和尾气，净化后的尾气经尾气出口Ⅱ（15）排出，吸收液经吸收液出口（21）收集，集中处理。
本实施例是以涂TiC层为例来说明本发明，但并不限制本发明，在实际生产中，根据基体具体需要的涂层物质，来选择反应气体。即在步骤2）中根据涂层物质选择反应气体。反应气体为含有构成薄膜元素的气态反应剂或者液态反应剂的蒸气。
Claims (4)
1.化学气相沉积法涂层系统，其特征在于：由控制系统（1）、气体混合室（2）、加热炉（4）、反应炉（5）和尾气吸收塔（16）组成；
气体混合室（2）上设有若干气体入口（3）；
反应炉（5）置于加热炉（4）内；
反应炉（5）内设有支撑筒（7），支撑筒（7）的上端连接排气帽（6），支撑筒（7）内从上向下依次分为沉积区、气体分配区和预热区；沉积区内：设有若干托盘（8），托盘（8）上设有若干通气孔Ⅰ；气体分配区内：设有挡板（10），挡板（10）上端安装至少三层隔板（9），隔板（9）上设有若干通气孔Ⅱ；预热区内：安装若干层预热板（13），进气管（11）的出气端与气体分配区相通，支撑筒（7）在预热区部位的下端设有尾气入口Ⅰ（12），预热区的下端设有尾气出口Ⅰ（14）；
气体混合室（2）的出气口经管路与进气管（11）的进气端连接；
尾气吸收塔（16）上端设有尾气出口Ⅱ（15），尾气出口Ⅱ（15）通过管路与引风机（22）连接，尾气吸收塔（16）下端分别设有尾气入口Ⅱ（19）和吸收液出口（21），点火装置（20）安装在尾气入口Ⅱ（19）的下端，在尾气吸收塔（16）内尾气入口Ⅱ（19）的上端安装伞形挡板（18），尾气吸收塔（16）内上下两端安装喷淋装置（17）；
尾气出口Ⅰ（14）经管路与点火装置（20）连接。
2.按照权利要求1所述的化学气相沉积法涂层系统，其特征在于：加热炉（4）分成若干段加热区，每段加热区由接线柱（41）、加热装置（43）和热电偶（42）组成；加热炉（4）内从内到外依次设有绝缘隔离层（44）、保温层Ⅰ（45）和保温层Ⅱ（46）。
3.一种化学气相沉积法涂层工艺，其特征在于采用权利要求1或2所述的化学气相沉积法涂层系统进行涂层，步骤如下：
将需要涂层的基体置于托盘（8）内，然后将托盘依次码于支撑筒（7）内的沉积区；
控制系统（1）控制不同的反应气体分别通过气体入口（3）引入气体混合室（2）内；
混合后的反应气体经管路和进气管（11）进入反应炉（5）内，经预热区预热，挡板和隔板的分散，进入沉积区；
控制系统（1）控制加热炉（4）升温，控制沉积区的反应温度在700～2000℃之间，于常压下对基体进行涂层；
产生的尾气经排气帽（6）、尾气入口Ⅰ（12），预热板（13）和尾气出口Ⅰ（14）进入点火装置（20），点燃后的尾气进入尾气吸收塔（16）内，中和液经喷淋装置（17）喷淋，吸收中和尾气，净化后的尾气经尾气出口Ⅱ（15）排出，吸收液经吸收液出口（21）收集，集中处理。
4.按照权利要求3所述的化学气相沉积法涂层工艺，其特征在于：所述的反应气体是含有构成薄膜元素的气态反应剂或者液态反应剂的蒸气。
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