CN108842141A - 一种cvd金刚石涂层晶粒纳米化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CVD金刚石涂层晶粒纳米化的方法，解决了现有技术中金刚石颗粒粒径只能达到微米级别，抛光困难，抛光成品率低的问题。本发明的方法包括以下步骤：预处理硬质合金拉丝模基体后，将其与热丝排布于CVD真空沉积炉内，抽至极限真空；通入氢气与甲烷；点亮热丝，使热丝的电压提升至设定值；降低氢气流量，提高甲烷流量，反应一段时间；继续降低氢气流量，提高甲烷流量，反应一段时间；再次降低氢气流量，提高甲烷流量，并通入氩气，提高热丝电压，反应一段时间；降低氢气流量，提高甲烷和氩气的流量，反应一段时间；关闭电源和气源，抽至极限真空度后，关闭反应室阀门，自然冷却。本发明能使表面金刚石晶粒呈现纳米级别。
Description
技术领域
本发明属于金刚石涂层技术领域，具体涉及一种CVD金刚石涂层晶粒纳米化的方法。
背景技术
金刚石是自然界中最硬的物质，耐磨性好，导热性高及优异的化学稳定性等使其成为磨料和耐磨件的理想材料。但是，单晶金刚石稀有且脆，无法进行高强度的加工，致其应用领域受到限制。CVD金刚石纳米涂层薄膜具有十分接近天然金刚石的硬度、同时具有高的弹性模量、极高的热导率、良好的自润滑性和化学稳定性等优异性能。CVD金刚石涂层技术已经被成熟应用到拉丝模、喷嘴、密封环的生产中，同时切削刀具上CVD金刚石涂层技术的产业化应用也已经出现。
通常情况下，金刚石涂层方式为两步法，第一步生长第一层，第一层金刚石颗粒大，提供与基体的结合力与支撑力，第二步在第一层的基础上，生长粒径更小的金刚石颗粒，降低后期抛光难度。受技术限制，第二层金刚石颗粒粒径一般只能达到微米级别，后期抛光同样存在一定难度，且抛光成品率都不够高。
因此，提供一种方法，能在硬质合金拉丝模表面沉积一层纳米级别致密的金刚石涂层，既保证结合力与支撑力不发生变化，又保证表面涂层达到纳米级别，提高表面光洁度，降低抛光难度，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种CVD金刚石涂层晶粒纳米化的方法，解决现有技术中金刚石涂层中第二层金刚石颗粒粒径只能达到微米级别，后期抛光困难，抛光成品率不高的问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所述的一种CVD金刚石涂层晶粒纳米化的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1.预处理硬质合金拉丝模基体；
步骤2.将所述拉丝模基体与热丝排布于CVD真空沉积炉内，抽至极限真空，并保持一段时间；
步骤3.第一步反应：向所述CVD真空沉积炉内中通入氢气与甲烷，并调整反应室的压力；点亮所述热丝，使所述热丝的电压提升至设定值，从而使热丝在高温下快速炭化，达到稳定的直线度；
步骤4.第二步反应：降低氢气流量，提高甲烷流量，并调整反应室的压力，反应一段时间；
步骤5.第三步反应：继续降低氢气流量，提高甲烷流量，并调整反应室的压力，反应一段时间；
步骤6.第四步反应：再次降低氢气流量，提高甲烷流量，并通入氩气，调整反应室的压力，提高所述热丝电压，反应一段时间；
步骤7.第五步反应：降低氢气流量，提高甲烷和氩气的流量，调整反应室的压力，反应一段时间；
步骤8.第五步反应结束后关闭电源和气源，将反应室抽至极限真空度后，关闭反应室阀门，待模具自然冷却后，取出模具进行检测。
优选地，所述步骤2中，所述热丝的直径为0.2-0.4mm。
优选地，所述步骤2中，抽至极限真空后保持5-15min。
优选地，所述步骤3中，氢气的流量为1800-2200sccm，甲烷的流量为11- 13sccm，并通过调节阀调节反应室内压力并维持在2.5-5KPa。
优选地，所述步骤3中，所述热丝电压设定为40V，第一步反应时间为1.5 -3小时。
优选地，所述步骤4中，将氢气的流量降低至1400-1600sccm，甲烷的流量提高至13.5-14.5sccm，压力调整为2-4KPa，第二步反应时间为1-3小时。
优选地，所述步骤5中，将氢气的流量降低至900-1100sccm，甲烷的流量提高至17-19sccm，压力调整为1-3KPa，第三步反应时间为1-3小时。
优选地，所述步骤6中，将氢气的流量降低至600-800sccm，甲烷的流量提高至22-24sccm，通入氩气，氩气的流量为70-90sccm，压力调整为1-5KPa，热丝电压提高至42V，第四步反应时间为1-3小时。
优选地，所述步骤7中，将氢气的流量降低至450-550sccm，甲烷的流量提高至27-30sccm，氩气的流量提高为110-130sccm，压力调整为1-1.5KPa，保持 42V的热丝电压，第五步反应时间为0.5-1.5小时。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明设计科学，方法简单，采用本发明方法能使表面金刚石晶粒呈现纳米级别。本发明方法操作简单方便，仅需改变气体流量和控制反应压力与电压，无需增加其它设备即可实现金刚石涂层晶粒纳米化，提高表面光洁度，提高抛光成品率。
附图说明
图1是本发明实施例3制得的金刚石薄膜的SEM扫描图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例1
本实施例提供了一种CVD金刚石涂层晶粒纳米化的方法，具体为：
步骤1.预处理硬质合金拉丝模基体；预处理硬质合金拉丝模基体的方法为现有技术；
步骤2.将所述拉丝模基体与直径为0.4mm的热丝排布于CVD真空沉积炉内，抽至极限真空，并保持5min；
步骤3.第一步反应：向所述CVD真空沉积炉内中通入氢气与甲烷，氢气的流量为2200sccm，甲烷的流量为11sccm，并调整反应室的压力为5KPa；点亮所述热丝，使所述热丝的电压提升至40V，从而使热丝在高温下快速炭化，达到稳定的直线度，第一步反应时间为3小时；
步骤4.第二步反应：降低氢气流量至1600sccm，，提高甲烷流量至14.5scc m，并调整反应室的压力为2KPa，第二步反应时间为3小时；
步骤5.第三步反应：继续降低氢气流量至1100sccm，提高甲烷流量至19sc cm，并调整反应室的压力为1KPa，第三步反应时间为1小时；
步骤6.第四步反应：再次降低氢气流量至800sccm，提高甲烷流量至22scc m，并通入流量为70sccm的氩气，调整反应室的压力为5KPa，提高所述热丝电压至42V，第四步反应时间为3小时；
步骤7.第五步反应：降低氢气流量至550sccm，提高甲烷至27sccm，提高氩气的流量为130sccm，调整反应室的压力为1KPa，第五步反应时间为1.5小时；
步骤8.第五步反应结束后关闭电源和气源，将反应室抽至极限真空度后，关闭反应室阀门，待模具自然冷却后，取出模具进行检测。
实施例2
本实施例提供了一种CVD金刚石涂层晶粒纳米化的方法，具体为：
步骤1.预处理硬质合金拉丝模基体；预处理硬质合金拉丝模基体的方法为现有技术；
步骤2.将所述拉丝模基体与直径为0.2mm的热丝排布于CVD真空沉积炉内，抽至极限真空，并保持15min；
步骤3.第一步反应：向所述CVD真空沉积炉内中通入氢气与甲烷，氢气的流量为1800sccm，甲烷的流量为13sccm，并调整反应室的压力为2.5KPa；点亮所述热丝，使所述热丝的电压提升至40V，从而使热丝在高温下快速炭化，达到稳定的直线度，第一步反应时间为1.5小时；
步骤4.第二步反应：降低氢气流量至1400sccm，，提高甲烷流量至13.5scc m，并调整反应室的压力为4KPa，第二步反应时间为1小时；
步骤5.第三步反应：继续降低氢气流量至900sccm，提高甲烷流量至17sc cm，并调整反应室的压力为3KPa，第三步反应时间为3小时；
步骤6.第四步反应：再次降低氢气流量至600sccm，提高甲烷流量至24sc cm，并通入流量为90sccm的氩气，调整反应室的压力为1KPa，提高所述热丝电压至42V，第四步反应时间为1小时；
步骤7.第五步反应：降低氢气流量至450sccm，提高甲烷至30sccm，提高氩气的流量为110sccm，调整反应室的压力为1.5KPa，第五步反应时间为0.5小时；
步骤8.第五步反应结束后关闭电源和气源，将反应室抽至极限真空度后，关闭反应室阀门，待模具自然冷却后，取出模具进行检测。
实施例3
本实施例提供了一种CVD金刚石涂层晶粒纳米化的方法，具体为：
步骤1.预处理硬质合金拉丝模基体；预处理硬质合金拉丝模基体的方法为现有技术；
步骤2.将所述拉丝模基体与直径为0.3mm的热丝排布于CVD真空沉积炉内，抽至极限真空，并保持10min；
步骤3.第一步反应：向所述CVD真空沉积炉内中通入氢气与甲烷，氢气的流量为2000sccm，甲烷的流量为12sccm，并调整反应室的压力为3.5KPa；点亮所述热丝，使所述热丝的电压提升至40V，从而使热丝在高温下快速炭化，达到稳定的直线度，第一步反应时间为23小时；
步骤4.第二步反应：降低氢气流量至1500sccm，，提高甲烷流量至14sccm，并调整反应室的压力为3KPa，第二步反应时间为2小时；
步骤5.第三步反应：继续降低氢气流量至1000sccm，提高甲烷流量至18s ccm，并调整反应室的压力为2KPa，第三步反应时间为1.5小时；
步骤6.第四步反应：再次降低氢气流量至700sccm，提高甲烷流量至23sc cm，并通入流量为80sccm的氩气，调整反应室的压力为1.5KPa，提高所述热丝电压至42V，第四步反应时间为1.5小时；
步骤7.第五步反应：降低氢气流量至500sccm，提高甲烷至28sccm，提高氩气的流量为120sccm，调整反应室的压力为1.1KPa，第五步反应时间为1小时；
步骤8.第五步反应结束后关闭电源和气源，将反应室抽至极限真空度后，关闭反应室阀门，待模具自然冷却后，取出模具进行检测。
实施例4
将实施例3制得的金刚石薄膜进行SEM扫描检测，检测结果如附图1所示，金刚石薄膜表层晶粒饱满，成膜质量高，晶粒达到纳米级别，平均粒径为420n m，最大粒径为680nm，最小粒径为130nm，经简单抛光后即达到镜面光洁，光洁度约为0.1μm，符合预期设想。随着涂层深度的增加至底层，金刚石粒径逐步增大，大粒径的金刚石颗粒为表面纳米层提供了强大的支撑力。
采用现有技术中，两步法制备的金刚石薄膜进行SEM扫描检测，检测结果显示，金刚石薄膜表面金刚石晶粒粒径平均为32μm，甚至有变异生长的超大颗粒金刚石产生，为后期抛光带来一定难度。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种CVD金刚石涂层晶粒纳米化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.预处理硬质合金拉丝模基体；
步骤2.将所述拉丝模基体与热丝排布于CVD真空沉积炉内，抽至极限真空，并保持一段时间；
步骤3.第一步反应：向所述CVD真空沉积炉内中通入氢气与甲烷，并调整反应室的压力；点亮所述热丝，使所述热丝的电压提升至设定值，从而使热丝在高温下快速炭化，达到稳定的直线度；
步骤4.第二步反应：降低氢气流量，提高甲烷流量，并调整反应室的压力，反应一段时间；
步骤5.第三步反应：继续降低氢气流量，提高甲烷流量，并调整反应室的压力，反应一段时间；
步骤6.第四步反应：再次降低氢气流量，提高甲烷流量，并通入氩气，调整反应室的压力，提高所述热丝电压，反应一段时间；
步骤7.第五步反应：降低氢气流量，提高甲烷和氩气的流量，调整反应室的压力，反应一段时间；
步骤8.第五步反应结束后关闭电源和气源，将反应室抽至极限真空度后，关闭反应室阀门，待模具自然冷却后，取出模具进行检测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，所述热丝的直径为0.2-0.4mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，抽至极限真空后保持5-15min。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，氢气的流量为1800-2200sccm，甲烷的流量为11-13sccm，并通过调节阀调节反应室内压力并维持在2.5-5KPa。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，所述热丝电压设定为40V，第一步反应时间为1.5-3小时。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤4中，将氢气的流量降低至1400-1600sccm，甲烷的流量提高至13.5-14.5sccm，压力调整为2-4KPa，第二步反应时间为1-3小时。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤5中，将氢气的流量降低至900-1100sccm，甲烷的流量提高至17-19sccm，压力调整为1-3KPa，第三步反应时间为1-3小时。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤6中，将氢气的流量降低至600-800sccm，甲烷的流量提高至22-24sccm，通入氩气，氩气的流量为70-90sccm，压力调整为1-5KPa，热丝电压提高至42V，第四步反应时间为1-3小时。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤7中，将氢气的流量降低至450-550sccm，甲烷的流量提高至27-30sccm，氩气的流量提高为110-130sccm，压力调整为1-1.5KPa，保持42V的热丝电压，第五步反应时间为0.5-1.5小时。
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