CN108570654A - 一种拉丝模具内孔制备金刚石涂层的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种拉丝模内孔制备金刚石涂层的装置，包括真空腔室及样品台、热丝、导流器和多个具有模孔的拉丝模具，样品台包括相对设置的第一端和第二端，拉丝模具间隔卡设在样品台的第一端上，样品台的第二端设有与模孔连通的通孔；样品台上方水平设置有两端连接电极柱的热丝；还包括插入真空腔室内的进气管和排气管，排气管与泵相连；导流器的腔体具有相对设置的第一端和径向尺寸大于第一端的第二端；第一端与进气管相连通，第二端上设有多个与腔体连通的分流管；分流管的出口位于模孔的正上方。采用该装置能避免将热丝穿过模具内孔，将沉积涂层用的反应气体在热丝周围产生的等离子团定向引至拉丝模具的模孔内，实现金刚石涂层的均匀沉积。
Description
技术领域
本发明涉及化学气相沉积金刚石涂层领域，具体涉及一种拉丝模模具内孔制备金刚石涂层的装置。
背景技术
金刚石具有高强的硬度、耐磨性，高导热率及化学稳定性，被视为是切削工具和机械元件的理想涂覆材料，其中，拉丝工艺中，在拉丝模具内沉积金刚石涂层可以提高拉丝模具的使用寿命是提高生产效率和降低生产成本。
生长金刚石涂层的方法很多，主要有热丝化学气相沉积法(HFCVD)、等离子化学气相沉积法等。其中，HFCVD法以其设备较廉价、长膜易控制，生长速度较快而被广泛运用。但目前HFCVD法在拉丝模具内孔沉积金刚石薄膜时，为了增加薄膜的均匀性，多是将热丝穿过拉丝模具的微细内孔。但这样对试样的装卡器提出较高要求，装样较费时，而且沉积完成后进行取样时，必须折断热丝，造成了热丝材料的浪费和成本提高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种拉丝模具内孔制备金刚石涂层的装置，采用该装置可以避免热丝穿过拉丝模的繁琐步骤，可实现在拉丝模具内孔沉积生长均匀的金刚石涂层。
本发明提供了一种拉丝模具内孔制备金刚石涂层的装置，所述装置包括真空腔室，以及设置于真空腔室内的样品台、热丝和多个具有模孔的拉丝模具，其中，所述样品台包括相对设置的第一端和第二端，所述拉丝模具间隔卡设在所述样品台的第一端上，所述样品台的第二端设有通孔，所述拉丝模具的模孔与所述通孔相连通；所述样品台的上方水平设置有热丝，所述热丝的两端分别连接电极柱；
所述装置还设有导流器，以及插入所述真空腔室内的进气管和排气管，所述排气管的出口与一泵相连；所述导流器包括腔体，所述导流器具有相对设置的第一端和第二端，所述第二端大于所述第一端的径向尺寸；所述第一端连接有与所述腔体相连通的进气管，所述第二端上设有多个与所述腔体连通的分流管；所述分流管的出口位于所述模孔的正上方。
其中，所述分流管的出口与所述拉丝模具的模孔共轴线。
其中，所述装置还包括匀气罩，所述匀气罩位于所述样品台的通孔的下方；所述匀气罩包括罩体，所述匀气罩具有相对设置的第一端和第二端，所述匀气罩的第一端连接有与所述罩体相连通的所述排气管。
其中，所述匀气罩的第一端的径向尺寸小于或等于所述第二端的径向尺寸。
其中，所述匀气罩的第二端上设有多个匀气支管，所述匀气支管部分伸入所述样品台的通孔内。
其中，所述样品台的第一端上设有与拉丝模具的外形匹配的凹槽，所述凹槽与所述通孔同轴。
其中，所述热丝的一端固定在一电极柱上，所述热丝的另一端绕接到另一电极柱后与一砝码连接，所述砝码通过一支撑板进行支撑，所述支撑板通过钼螺钉固定在所述另一电极柱上。
其中，所述样品台由相对设置的两根支撑柱进行支撑，所述支撑柱还用于对样品台的高度进行调节。
其中，所述热丝距所述分流管的高度为45-65mm。
其中，所述热丝距所述拉丝模具的高度为8-15mm。
本发明中的所述拉丝模具内孔制备金刚石涂层的装置，将热丝放置在拉丝模具的上方加热而非穿过拉丝模具的模孔，通过泵经由进气管、分流器、导流管来将沉积金刚石涂层的反应气体经热丝离化产生的等离子团更多地引导进入拉丝模具的模孔内，并将反应后的气体排出真空腔室内，实现在拉丝模具的模孔内均匀沉积金刚石涂层，同时进入模孔内的反应气体气流较快，实现快速、均匀地沉积涂层。该装置可避免热丝穿过拉丝模具的模孔，简化了装样难度，在涂层沉积完成后取模具时也无需折断热丝，可以实现热丝的多次利用，提高了生产效率、降低了生产成本。
本发明实施例的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本发明实施例的实施而获知。
附图说明
图1为本发明实施例中拉丝模具内孔制备金刚石涂层的装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中模具的结构示意图；
图3为本发明实施例中样品台的结构示意图；
图4为本发明实施例中匀气罩的结构示意图。
本申请中主要部件的标号如下：真空腔室100，样品台1，拉丝模具2，热丝3，电极柱4，支撑柱5，进气管6，导流器7，分流管8，匀气罩9，排气管10，样品台的凹槽11、通孔12，模孔21，砝码41，支撑板42。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请一并参阅图1-图4，为本发明优选实施例提供的一种拉丝模具内孔制备金刚石涂层的装置的结构示意图。所述装置包括真空腔室100，以及设置于真空腔室100内的样品台1、拉丝模具2、热丝3。
所述样品台1的上方水平设置有热丝3，所述热丝3的两端分别连接电极柱4。所述热丝的两端分别连接电极柱，实现热丝的支撑，并为热丝提供电压电流以使热丝发热，完成对进入真空腔室内的气体的热离化。
所述热丝模具2包括贯通的模孔21和模具基底，所述模孔21为拉丝领域内的常规形状，例如由上至下可以包括入口区、工作区、定径区、出口区等。
一个样品台1上可以装载多个热丝模具2，多个拉丝模具可以间隔卡设在样品台上。具体地，请参见图2-3，所述样品台1包括相对设置的第一端101和第二端102，所述拉丝模具2卡设在所述样品台1的第一端101上，所述样品台的第一端101上设有与拉丝模具的外形相匹配的多个凹槽11，所述凹槽11间隔设置，以供多个拉丝模具2卡设在样品台上，使拉丝模具露出于样品台表面。凹槽11未贯通样品台的第二端102。
所述样品台的第二端102设有通孔12，所述通孔12将样品台的第二端102贯通，并与所述凹槽11实现连通，通孔12也与所述拉丝模具的模孔21相连通。凹槽11与所述通孔12同轴。进一步地，通孔12与所述模孔21的出口区的径向尺寸相等。通过这样独特结构的样品台1，多个拉丝模具可以直接安放在样品台1上，而不需采用其他夹具，实现多个拉丝模具同时沉积金刚石涂层，提高了生长效率，降低了生产成本。
进一步地，所述样品台1由相对设置的两根支撑柱5进行支撑，所述支撑柱5可以在竖直方向上对样品台1进行上下调节，从而其与热丝之间距离的调整。样品台1的材质可以为石墨或铜。
所述装置还包括插入至真空腔室100内的进气管6，所述进气管6的出口与一导流器7相连接。进气管6的入口与沉积金刚石涂层所需要的气源(如氢气、甲烷)进行连接。所述导流器7包括一允许气体通过的腔体，所述导流器7具有相对设置的第一端701和第二端702，所述第二端702的径向尺寸大于所述第一端701的径向尺寸；所述第一端701与所述进气管6连接，以实现所述腔体与进气管6的连通，所述第二端702上设有多个与所述腔体连通的分流管8；所述分流管8的出口位于所述拉丝模具的模孔21的正上方。
导流器7可以为喇叭口状，莲蓬状(花洒状)，只要呈“上小下大”型即可。导流器7的材质可以为不锈钢。进气管6与导流器7可以是螺纹连接，并封死间隙，保证进气的定向引导。导流器7与分流管8一体成型，可以在导流器7上采用冲压技术形成。
在正对每个拉丝模具2的上方(模孔21的上方)，均对应有一个分流管8，即，每个拉丝模具的模孔21均与一个分流管8的出口对应。分流管8的数目等于样品台1上放置的拉丝模具2的数目。其中，所述分流管8的出口与所述拉丝模具的模孔21共轴线。所述分流管8可以呈柱状(圆筒、棱柱)、锥状、圆台状。所述分流管8的出口优选为等于所述模孔21的入口区的径向尺寸。
样品台的凹槽11、通孔12以及拉丝模具的模孔21、分流管8均共轴，这样可以保证反应气体平稳有序地进入拉丝模具的模孔21内，避免浪费。
其中，所述热丝3距所述拉丝模具2的高度为8-15mm。
其中，所述热丝3距所述分流管8的高度为45-65mm。
所述热丝3水平放置在拉丝模具2的上方，其中热丝3的一端固定在电极柱4上(可以通过钼螺钉43直接固定)，另一端绕接到另一电极柱4后与一砝码41(也可以将其替换为高温弹簧)连接，所述砝码通过一支撑板41进行支撑，所述支撑板42通过钼螺钉固定在所述另一电极柱4上。热丝一端上连接有砝码，可以通过砝码的重力来抵消热丝受热膨胀引起的长度变化，保证热丝的平整性，保持沉积涂层时整个热场的稳定性。当需要实现多丝-多模具同时沉积金刚石涂层时，只需在相对设置的两电极柱上加装一热丝固定杆，以实现多条热丝在拉丝模具2上面的设置。
所述装置还包括匀气罩9和排气管10，两者可以是螺纹连接。所述真空腔室100的顶部开设有进气口，底部开设有抽气口(图未示)。所述进气管6通过所述进气口插入所述真空腔室100内；所述排气管10通过所述抽气口插入所述真空腔室100内。所述排气管10的出口与一泵(图未示)相连。可以将真空腔室内100的气体抽出，保证真空腔室内气体的实时更新。
所述匀气罩9包括罩体，所述匀气罩具有相对设置的第一端901和第二端902，所述匀气罩的第一端901与所述排气管10连接，以实现罩体与排气管10的连通；所述匀气罩9位于所述样品台1的下方，与样品台的通孔12相对应。匀气罩9可以将所述样品台的通孔12(拉丝模具的模孔的出口)容置于所述匀气罩9的罩体内。所述匀气罩的第二端902优选为紧靠所述样品台的通孔12。
匀气罩9的设置可以使经热丝加热后形成的等离子团引导至模孔21下部的工作区、定径区，保证整个模孔21内均可均匀沉积金刚石。在泵的作用下，匀气罩9还可将流过拉丝模具的模孔21后的气体迅速高效地被抽至真空腔室100外，保证整个真空腔室内气体的实时更新。
所述匀气罩9可以为喇叭口状、碗状、柱状等。所述匀气罩9的第一端901的径向尺寸小于或等于所述第二端902的径向尺寸。其中，当所述匀气罩9为喇叭口状、碗状时，其第一端901的径向尺寸小于所述第二端902的径向尺寸(如图4所示)。匀气罩9的第一端901为完全开口结构，其径向尺寸与排气管10的尺寸相等。
在本发明的其他实施方式中，所述匀气罩9的第二端902上设有多个与所述罩体相连通的匀气支管，所述匀气支管位于所述样品台通孔12的正下方(此时匀气罩9与上述导流器7的结构类似，匀气支管类似分流管8，这里就不再示出)，或者是所述匀气支管部分伸入所述样品台通孔12内。其中，所述匀气支管与所述拉丝模具2的模孔共轴。匀气支管的设置可以减少与排气管10连接的泵做无用功，针对性地抽出流过模孔21后的气体。
本发明中，将热丝3放置在拉丝模具2的上方加热，并将沉积金刚石涂层时所需的反应气体经热丝离化产生的等离子团通过进气管6、分流器7、导流管8更多地定向引导至拉丝模具2的模孔21内，并将反应后的气体通过排气管10排出真空腔室，实现在拉丝模具的模孔内均匀沉积金刚石涂层；同时进入模孔内的气流较快，实现快速、均匀地沉积涂层。采用该装置可以避免将热丝3穿过拉丝模具2的模孔21，简化了装样难度，有效防止热丝下垂、抖动而损坏模块表面，提高模孔内沉积的成功率；在涂层沉积完成后取模具时也无需折断热丝，可以实现热丝的多次利用，提高了生产效率、降低了生产成本。
当采用本发明的拉丝模具内孔制备金刚石涂层的装置来进行生长金刚石涂层时，首先，对真空腔室进行抽真空并降低样品台(碳化处理时也可以不在样品台中放入拉丝模具)，当真空度达到0.1Pa左右，首先向真空腔室通入一定比例的甲烷与氢气，对热丝进行碳化处理，以在热丝上包裹一层碳化物，防止在镀膜过程中热丝挥发影响到涂层质量。其中，碳化工艺如下：甲烷体积含量为2％，加载在热丝两端的电流为165A(由外部电源器通过热丝两端的电极柱)，使腔室内气压保持为4KPa，碳化时间为1小时。热丝在电压电流下发热离化甲烷与氢气，产生活性等离子团。
待碳化完成后，在样品台上装上拉丝模具，调整热丝与拉丝模具、分流管的距离至合适距离，变更甲烷的体积含量为4％，以及保证腔室内气压为2KPa。甲烷与氢气的混合气流由进气管1进入到导流器7中，再由导流器7中的分流管8引导至热丝周围，热丝周围形成的等离子团在与排气管10相连接的泵的作用下，引导至拉丝模具的模孔内，完成对拉丝模具的模孔内金刚石涂层的沉积生长。
以上所述是本发明的优选实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种拉丝模内孔制备金刚石涂层的装置，所述装置包括真空腔室，以及设置在真空腔室内的样品台、热丝和多个具有模孔的拉丝模具，其特征在于，所述样品台包括相对设置的第一端和第二端，所述拉丝模具间隔卡设在所述样品台的第一端上，所述样品台的第二端设有通孔，所述拉丝模具的模孔与所述通孔相连通；所述样品台的上方水平设置有热丝，所述热丝的两端分别连接电极柱；
所述装置还设有导流器，以及插入所述真空腔室内的进气管和排气管，所述排气管的出口与一泵相连；所述导流器包括腔体，所述导流器具有相对设置的第一端和第二端，所述第二端大于所述第一端的径向尺寸；所述第一端连接有与所述腔体连通的进气管，所述第二端上设有多个与所述腔体连通的分流管；所述分流管的出口位于所述模孔的正上方。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分流管的出口与所述拉丝模具的模孔共轴线。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括匀气罩，所述匀气罩位于所述样品台的通孔的下方；所述匀气罩包括罩体，所述匀气罩具有相对设置的第一端和第二端，所述匀气罩的第一端连接有与所述罩体相连通的所述排气管。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述匀气罩的第一端的径向尺寸小于或等于所述第二端的径向尺寸。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述匀气罩的第二端上设有多个匀气支管，所述匀气支管部分伸入所述样品台的通孔内。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述样品台的第一端上设有与拉丝模具的外形匹配的凹槽，所述凹槽与所述通孔同轴。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热丝的一端固定在一电极柱上，所述热丝的另一端绕接到另一电极柱后与一砝码连接，所述砝码通过一支撑板进行支撑，所述支撑板通过钼螺钉固定在所述另一电极柱上。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述样品台由相对设置的两根支撑柱进行支撑，所述支撑柱还用于对样品台的高度进行调节。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热丝距所述分流管的高度为45-65mm。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热丝距所述拉丝模具的高度为8-15mm。
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| JP2005290537A (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Fuji Dies Kk | 高密度プラズマ表面被覆処理方法および装置 |
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