CN106167894B - 柔性热丝cvd金刚石涂层装备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种柔性热丝CVD金刚石涂层装备及方法，包括组合式电极系统、固定式水冷真空反应室、恒压电源系统、集成式气体控制系统和可移动基体平台；其中，组合式电极系统设置在可移动基体平台上；可移动基体平台驱动组合式电极系统进入固定式水冷真空反应室内或将组合式电极系统从固定式水冷真空反应室内移出；集成式气体控制系统用于向固定式水冷真空反应室输入反应气体；恒压电源系统用于向集成式气体控制系统、可移动基体平台提供电能。本发明中可移动基体平台扩展了涂层基体安装和热丝布置的操作空间，为金刚石涂层沉积过程基体温度的可控分布提供了可靠结构，同时避免了采用真空动密封易导致气密性差的问题。

Description

柔性热丝CVD金刚石涂层装备及方法
技术领域
本发明涉及涂层技术，具体地，涉及一种柔性热丝CVD金刚石涂层装备及方法。
背景技术
化学气相沉积金刚石涂层具有接近天然金刚石的高硬度、高导热系数、低摩擦系数和低热膨胀系数等诸多优异性能，因此成为切削加工刀具、模具及耐磨器件表面涂层材料以及摩擦条件下耐磨减摩涂层的首选材料，在改善材料摩擦磨损表面性能方面的挥越来越重要的作用。性能稳定可靠的设备是实现涂层可控制备的基础条件，目前我国的金刚石涂层设备还是依赖于进口。由于技术封锁的缘故，与设备相匹配的详细沉积工艺参数不对我国开放，导致设备使用率低下，造成巨大的经济损失。而且，能够购买到的进口设备，也是只适用于整体式刀具表面的金刚石涂层制备，无法实现多品种工模具表面金刚石涂层制备，极大地限制了金刚石涂层在工业界的推广应用。
经对现有技术的专利检索发现，中国专利申请号200310108306.6记载了一种“整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层制备装置”，该专利公开了一种自旋式夹具系统用于金刚石涂层刀具的制备，以达到提高刀具表面涂层均匀性的目的。中国专利申请号201110028846.2记载了一种“复杂形状金刚石涂层刀具热丝化学气相沉积批量制备方法”，该专利公开了一种采用三明治式的刀具夹持底座来控制刀具基体温度。上述装置和方法仅适用于单个或批量化的整体式刀具表面的金刚石涂层沉积，无法实现多品种工模具表面的金刚石涂层制备。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种柔性热丝CVD金刚石涂层装备。
根据本发明提供的柔性热丝CVD金刚石涂层装备，包括组合式电极系统、固定式水冷真空反应室、恒压电源系统、集成式气体控制系统和可移动基体平台；
其中，所述组合式电极系统设置在所述可移动基体平台上；所述可移动基体平台驱动所述组合式电极系统进入所述固定式水冷真空反应室内或将所述组合式电极系统从所述固定式水冷真空反应室内移出；
所述集成式气体控制系统用于向所述固定式水冷真空反应室输入反应气体；所述恒压电源系统用于向所述集成式气体控制系统、可移动基体平台提供电能。
优选地，所述的组合式电极系统包括电极柱、电极压板、电极杆、电极套筒以及热丝张紧结构；
其中，所述电极柱的数量为两组，每组电极柱包括两个依次设置的电极柱；两组电极柱设置在可移动基体平台上；
一组的两个电极柱之间设置有一电极杆；另一组的两个电极柱之间设置有另一电极杆上，另一电极杆上依次设置有多个电极压板；一电极杆上设置有多个依次排列的电极套筒；所述热丝张紧结构设置在所述电极杆的外侧。
优选地，所述固定式水冷真空反应室包括反应室本体以及设置在所述反应室本体表面的观察窗；
反应室本体的外表面设置有槽式冷却水循环结构。
优选地，所述可移动基体平台包括水冷平台、法兰板组件和导轨槽；
其中，所述法兰板组件的下端设置有所述导轨槽上；所述水冷平台设置在所述法兰板组件上；
所述法兰板组件用于可移动基体平台与固定式水冷真空反应室的密封；
两组电极柱设置在所述水冷平台上；所述水冷平台设置有通过循环管道连通的冷却水进口管和冷却出口管。
优选地，还包括支架平台；所述固定式水冷真空反应室和所述可移动基体平台设置在所述支架平台上；
所述支架平台设置有与所述导轨槽相匹配的导轨，所述导轨槽能够沿导轨滑动；
移动基体平台通过所述导轨实现将所述组合式电极系统从固定式水冷真空反应室中移入或移出。
优选地，还包括待加工产品承载台和多根热丝；
其中，所述待加工产品承载台设置在所述水冷平台上；所述热丝的一端连接所述电极压板，另一端穿过所述电极套筒连接所述热丝张紧结构；
所述热丝张紧结构，用于使热丝在加载受热状态下保持平直状态。
优选地，所述恒压电源系统中设置有反馈装置；
所述反馈装置用于保证涂层沉积过程中，热丝功率及反应气体放电电压的稳定性。
优选地，所述集成式气体控制系统中设置有多个控制微米和纳米金刚石涂层沉积反应中反应气体控制的质量流量计。
优选地，所述待加工产品承载台采用带孔固定块、V型支架或整体式支撑平台。
本发明提供的金刚石涂层制备方法，采用所述的柔性热丝CVD金刚石涂层装备。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明中可移动基体平台扩展了涂层基体安装和热丝布置的操作空间，为金刚石涂层沉积过程基体温度的可控分布提供了可靠结构，同时避免了采用真空动密封易导致气密性差的问题；
2、本发明中组合式电极系统可依据基体不同形状来改变热丝数量和位置，实现整体式刀具、平片刀具、拉拔模具、密封器件等多种工具表面高均匀性金刚石涂层的制备。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中柔性热丝CVD金刚石涂层装备的结构示意图；
图2为本发明中实施示例1中大直径整体式铣刀利用本发明进行金刚石涂层制备的结构示意图；
图3为本发明中实施示例2中拉拔模具利用本发明进行金刚石涂层制备的结构示意图；
图4为本发明中实施例3中平片式刀具利用本发明提供的装备进行金刚石涂层制备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本实施例中，本发明提供发柔性热丝CVD金刚石涂层装备，包括组合式电极系统100、固定式水冷真空反应室200、恒压电源系统300、集成式气体控制系统400和可移动基体平台500；
其中，所述组合式电极系统100设置在所述可移动基体平台500上；所述可移动基体平台500驱动所述组合式电极系统100进入所述固定式水冷真空反应室200内或将所述组合式电极系统100从所述固定式水冷真空反应室200内移出；
所述集成式气体控制系统400用于向所述固定式水冷真空反应室200输入反应气体；所述恒压电源系统300用于向所述集成式气体控制系统400、可移动基体平台500提供电能。
所述的组合式电极系统100包括电极柱1、电极压板2、电极杆3、电极套筒4以及热丝张紧结构5；
其中，所述电极柱1的数量为两组，每组电极柱1包括两个依次设置的电极柱1；两组电极柱1设置在可移动基体平台500上；
一组的两个电极柱1之间设置有一电极杆3；另一组的两个电极柱1之间设置有另一电极杆3上，另一电极杆3上依次设置有多个电极压板2；一电极杆3上设置有多个依次排列的电极套筒4；所述热丝张紧结构5设置在所述电极杆3的外侧。
所述固定式水冷真空反应室200包括反应室本体12以及设置在所述反应室本体12表面的观察窗11；
反应室本体12的外表面设置有槽式冷却水循环结构13。
所述可移动基体平台500包括水冷平台6、法兰板组件7和导轨槽10；
其中，所述法兰板组件7的下端设置有所述导轨槽10上；所述水冷平台6设置在所述法兰板组件7上；
所述法兰板组件7用于可移动基体平台与固定式水冷真空反应室的密封；
两组电极柱1设置在所述水冷平台6上；所述水冷平台6设置有通过循环管道连通的冷却水进口管103和冷却出口管104。
本发明提供发柔性热丝CVD金刚石涂层装备，还包括支架平台9；所述固定式水冷真空反应室200和所述可移动基体平台500设置在所述支架平台9上；
所述支架平台9设置有与所述导轨槽10相匹配的导轨8，所述导轨槽10能够沿导轨8滑动；
移动基体平台500通过所述导轨8实现将所述组合式电极系统100从固定式水冷真空反应室200中移入或移出。
本发明提供发柔性热丝CVD金刚石涂层装备，还包括待加工产品承载台和多根热丝；
其中，所述待加工产品承载台设置在所述水冷平台6上；所述热丝的一端连接所述电极压板2，另一端穿过所述电极套筒4连接所述热丝张紧结构5；
所述热丝张紧结构5，用于使热丝在加载受热状态下保持平直状态。
所述恒压电源系统300中设置有反馈装置；
所述反馈装置用于保证涂层沉积过程中，热丝功率及反应气体放电电压的稳定性。
所述集成式气体控制系统400中设置有多个控制微米和纳米金刚石涂层沉积反应中反应气体控制的质量流量计。
所述待加工产品承载台采用带孔固定块105、V型支架107或整体式支撑平台109。
本发明提供的金刚石涂层制备方法，采用所述的柔性热丝CVD金刚石涂层装备。
实施例1
如图2所示，当采用本发明提供的柔性热丝CVD金刚石涂层装备在高速列车车体加工用大直径(Φ20mm)整体式硬质合金4刃平头铣刀表面沉积金刚石涂层时，具体为，将21支平头铣刀102均布于3块带孔固定块105内，放置于水冷平台6上。7根热丝101通过7只电极套筒4置于2根电极杆3上，并呈阶梯形分布于平头铣刀102的周围。利用6块电极压板2固定热丝，7组热丝张紧结构5保证热丝在加载受热状态下保持平直状态。水冷平台6通过冷却水进口管103和冷却水出口管104实现冷却水的循环，保证涂层制备过程中的散热效果。
具体制备流程如下：
第一：基体的预处理。将上述大直径整体式铣刀的刃部置于碱溶液超声处理30min，所述碱溶液为铁氰化钾：氢氧化钾：水＝1：1：10。取出，用去离子水洗净烘干后，置于酸溶液自然反应1min，所述酸溶液为盐酸：双氧水＝3：7。取出，用去离子水洗净烘干后，置于金刚石微粉(W10)乙醇悬浮液中超声处理10min，取出，用去离子水洗净烘干。将刀具插入带孔固定块105中，按图2结构装夹好热丝后，将可移动基体平台推入固定式水冷真空反应室，利用法兰组件实现可移动基体平台与固定式水冷真空反应室的密封。
第二：启动抽气系统，待固定式水冷真空反应室达到设定压力后，启动集成式气体控制系统，将氢气和甲烷引入反应室，加载热丝功率，调节固定式水冷真空反应室中的沉积工艺参数：压力2000—2200Pa，氢气流量：1000sccm；甲烷流量：30sccm；热丝温度：2100±100℃；沉积时间：10h。制备完成后，取出涂层铣刀，利用ZOLLER刀具测量仪，检测对比涂层后和预处理后的刀具变化情况。结果表明4刃平头铣刀的涂层厚度为15±0.1μm，4刃边的厚度差值为0.05μm，表明所述设备可有效保证涂层的均匀性，进而保证涂层刀具在切削加工中各刃边的受力均匀性，大幅提高刀具寿命。
实施例2
如图3所示，当采用本发明提供的柔性热丝CVD金刚石涂层装备在铜管拉拔用硬质合金模具内表面沉积纳米金刚石涂层，模具的内孔直径Φ22mm。具体为，6只模具106置于6只V型支架107内，放置于水冷平台6上。2根热丝101分别穿过两组模具106的中心，通过2只电极套筒4置于电极杆3上。利用3块电极压板2固定热丝，2组热丝张紧结构5保证热丝在加载受热状态下保持平直状态。水冷平台6通过冷却水进口管103和冷却水出口管104实现冷却水的循环，保证涂层制备过程中的散热效果。
具体制备流程如下：
第一：基体的预处理。将上述模具全部置于碱溶液超声处理30min，所述碱溶液为铁氰化钾：氢氧化钾：水＝1：1：10。取出，用去离子水洗净烘干后，置于酸溶液自然反应1min，所述酸溶液为盐酸：双氧水＝3：7。取出，用去离子水洗净烘干后，置于金刚石微粉(W5)乙醇悬浮液中超声处理10min，取出，用去离子水洗净烘干。将模具置于V型支架上，按图3结构装夹好热丝后，将可移动基体平台推入固定式水冷真空反应室，利用法兰组件实现可移动基体平台与固定式水冷真空反应室的密封。
第二：启动抽气系统，待固定式水冷真空反应室达到设定压力后，启动气体控制系统400，将氢气和甲烷引入反应室，加载热丝功率，调节反应室中的沉积工艺参数：压力1000—1200Pa，氢气流量：1000sccm；甲烷流量：10sccm；氩气流量：1000sccm热丝温度：2000±100℃；沉积时间：10h。制备完成后，取出涂层模具。通过线切割加工截开模具，利用扫描电子显微镜检测模具截面及内表面形貌。内表面呈现团簇状的纳米金刚石典型形貌特征，涂层厚度为10±0.02μm，不同区域处的厚度均匀一致。结果表明所述设备在模具内表面可制备均匀的纳米金刚石涂层。
实施例3
如图4所示，当采用本发明提供的柔性热丝CVD金刚石涂层装备在整体式硬质合金平片式刀具表面沉积金刚石涂层时，具体为，将16只平片式刀具108均匀分布于整体式支撑平台109表面，放置于水冷平台6上。4根热丝101等间距分布于平片式刀具108上方，通过4只电极套筒4置于电极杆3上。利用3块电极压板2固定热丝，4组热丝张紧结构5保证热丝在加载受热状态下保持平直状态。水冷平台6通过冷却水进口管103和冷却水出口管104实现冷却水的循环，保证涂层制备过程中的散热效果。
具体制备流程如下：
第一：基体的预处理。将上述平片式刀具整体置于碱溶液超声处理30min，所述碱溶液为铁氰化钾∶氢氧化钾∶水＝1∶1∶10。取出，用去离子水洗净烘干后，置于酸溶液自然反应1min，所述酸溶液为盐酸：双氧水＝3：7。取出，用去离子水洗净烘干后，置于金刚石微粉(W5)乙醇悬浮液中超声处理10min，取出，用去离子水洗净烘干。将刀具插入带孔支架中，按图4所述装夹好热丝后，将可移动基体平台推入固定式水冷真空反应室，利用法兰组件实现可移动基体平台与固定式水冷真空反应室的密封。
第二：启动抽气系统，待固定式水冷真空反应室达到设定压力后，启动集成式气体控制系统，将氢气和甲烷引入反应室，加载热丝功率，调节固定式水冷真空反应室中的沉积工艺参数：压力1400—1600Pa，氢气流量：1000sccm；甲烷流量：30sccm；热丝温度：2000±100℃；沉积时间：8h。制备完成后，取出涂层平片式刀具，通过线切割加工截开平片式刀具，利用扫描电子显微镜检测刀具截面及表面形貌。表面呈现锥形的微米金刚石典型形貌特征，涂层厚度为10±0.01μm，截面处的涂层厚度均匀一致。结果表明所述设备在平片式刀具表面可制备高质量的金刚石涂层。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种柔性热丝CVD金刚石涂层装备，其特征在于，包括组合式电极系统(100)、固定式水冷真空反应室(200)、恒压电源系统(300)、集成式气体控制系统(400)和可移动基体平台(500)；
其中，所述组合式电极系统(100)设置在所述可移动基体平台(500)上；所述可移动基体平台(500)驱动所述组合式电极系统(100)进入所述固定式水冷真空反应室(200)内或将所述组合式电极系统(100)从所述固定式水冷真空反应室(200)内移出；
所述集成式气体控制系统(400)用于向所述固定式水冷真空反应室(200)输入反应气体；所述恒压电源系统(300)用于向所述集成式气体控制系统(400)、可移动基体平台(500)提供电能；
所述的组合式电极系统(100)包括电极柱(1)、电极压板(2)、电极杆(3)、电极套筒(4)以及热丝张紧结构(5)；
其中，所述电极柱(1)的数量为两组，每组电极柱(1)包括两个依次设置的电极柱(1)；两组电极柱(1)设置在可移动基体平台(500)上；
一组的两个电极柱(1)之间设置有一电极杆(3)；另一组的两个电极柱(1)之间设置有另一电极杆(3)上，另一电极杆(3)上依次设置有多个电极压板(2)；一电极杆(3)上设置有多个依次排列的电极套筒(4)；所述热丝张紧结构(5)设置在所述电极杆(3)的外侧；
所述可移动基体平台(500)包括水冷平台(6)、法兰板组件(7)和导轨槽(10)；
其中，所述法兰板组件(7)的下端设置有所述导轨槽(10)上；所述水冷平台(6)设置在所述法兰板组件(7)上；
所述法兰板组件(7)用于可移动基体平台与固定式水冷真空反应室的密封；
两组电极柱(1)设置在所述水冷平台(6)上；所述水冷平台(6)设置有通过循环管道连通的冷却水进口管(103)和冷却出口管(104)。
2.根据权利要求1所述的柔性热丝CVD金刚石涂层装备，其特征在于，所述固定式水冷真空反应室(200)包括反应室本体(12)以及设置在所述反应室本体(12)表面的观察窗(11)；
反应室本体(12)的外表面设置有槽式冷却水循环结构(13)。
3.根据权利要求1所述的柔性热丝CVD金刚石涂层装备，其特征在于，还包括支架平台(9)；所述固定式水冷真空反应室(200)和所述可移动基体平台(500)设置在所述支架平台(9)上；
所述支架平台(9)设置有与所述导轨槽(10)相匹配的导轨(8)，所述导轨槽(10)能够沿导轨(8)滑动；
移动基体平台(500)通过所述导轨(8)实现将所述组合式电极系统(100)从固定式水冷真空反应室(200)中移入或移出。
4.根据权利要求1所述的柔性热丝CVD金刚石涂层装备，其特征在于，还包括待加工产品承载台和多根热丝；
其中，所述待加工产品承载台设置在所述水冷平台(6)上；所述热丝的一端连接所述电极压板(2)，另一端穿过所述电极套筒(4)连接所述热丝张紧结构(5)；
所述热丝张紧结构(5)，用于使热丝在加载受热状态下保持平直状态。
5.根据权利要求4所述的柔性热丝CVD金刚石涂层装备，其特征在于，所述恒压电源系统(300)中设置有反馈装置；
所述反馈装置用于保证涂层沉积过程中，热丝功率及反应气体放电电压的稳定性。
6.根据权利要求1所述的柔性热丝CVD金刚石涂层装备，其特征在于，所述集成式气体控制系统(400)中设置有多个控制微米和纳米金刚石涂层沉积反应中反应气体控制的质量流量计。
7.根据权利要求4所述的柔性热丝CVD金刚石涂层装备，其特征在于，所述待加工产品承载台采用带孔固定块(105)、V型支架(107)或整体式支撑平台(109)。
8.一种金刚石涂层制备方法，其特征在于，采用权利要求1至7任一项所述的柔性热丝CVD金刚石涂层装备。
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