CN110468386B - 热丝夹具和热丝沉积设备与其应用及刀具的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热丝夹具和热丝沉积设备与其应用及刀具的制备方法，涉及热丝气相沉积技术领域，该热丝夹具，包括：夹具支架，包括依次平行间隔设置的第一热丝固定杆、第一热丝承载棒、第二热丝承载棒和第二热丝固定杆，第一热丝固定杆可沿第一热丝承载棒的垂线方向移动，和，多根热丝平行间隔设置组成的热丝组，固定连接于第一热丝固定杆与第二热丝固定杆，且与第一热丝承载棒和第二热丝承载棒接触；以及，弹簧，两端分别固定连接于第一热丝固定杆与第二热丝固定杆，并与热丝平行，缓解了现有技术的热丝夹具在工况条件件由于每根热丝的受力不同造成的温度场分布不均的技术问题，达到了提高温度差分布均匀度的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及热丝气相沉积领域，尤其是涉及一种热丝夹具和热丝沉积设备与其应用及刀具的制备方法。
背景技术
热丝化学气相沉积法制备金刚石薄膜的基本原理如下：碳源(如甲烷、丙酮等)和氢气的混合气体通过金属热丝，在由热丝形成的高温领域内分解出甲基和氢原子，并在一定的压力下，大量的甲基与一定温度的合金衬底作用以及甲基之间发生复杂的复合反应，生成各种sp、sp2和sp3杂化的碳氢基团。由于氢原子对sp2键结构碳有很强的刻蚀作用，因而抑制了石墨的生成；同时氢原子对sp3键结构碳的刻蚀作用较小，且具有一定的稳定作用，所以最终沉积在衬底上的是热力学不稳定的金刚石，而非热力学稳定的石墨，进而在衬底表面形成不连续的金刚石晶核。要得到品质良好的金刚石薄膜需要在合适的温度以及稳定的温度场下裂解混合气体产生氢原子以及各种碳氢基团。而温度场主要受到热丝布置、设备功率及冷却条件的影响，合理的热丝布置方式、热丝间距以及样品衬底间距能够在满足金刚石薄膜沉积生长的条件下，降低生产成本，提高生产效率。
目前现有的热丝夹具是将热丝的一端连接在高温弹簧上然后再将热丝的另一端以及热丝的另一端固定连接至夹具支架上，即每一根热丝上均有一个高温弹簧，这不利于热丝之间保持结构和受力的一致性，还可能影响到工况下热丝与电极承载棒之间的接触，造成热丝之间通过的电流不一致，导致温度场分布不均匀。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种热丝夹具和热丝沉积设备，以缓解现有技术的热丝夹具在工况条件件由于每根热丝的受力不同造成的温度场分布不均的技术问题。
本发明的第二目的在于提供一种热丝夹具的用途，以提高热丝化学气相沉积工艺的沉积质量。
本发明的第三目的在于提供一种具有金刚石涂层刀具的制备方法，利用上述热丝夹具进行热丝化学气相沉积，从而得到更为均匀的金刚石涂层。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种热丝夹具，包括：
夹具支架，包括依次平行间隔设置的第一热丝固定杆、第一热丝承载棒、第二热丝承载棒和第二热丝固定杆，所述第一热丝固定杆可沿所述第一热丝承载棒的垂线方向移动，和，
多根热丝平行间隔设置组成的热丝组，固定连接于所述第一热丝固定杆与所述第二热丝固定杆，且与所述第一热丝承载棒和第二热丝承载棒接触；以及，
弹簧，两端分别固定连接于所述第一热丝固定杆与所述第二热丝固定杆，并与所述热丝平行。
进一步的，所述第一热丝承载棒上垂直连接有两根导轨，所述第一热丝固定杆滑动安装于所述导轨之间。
进一步的，所述第二热丝固定杆可沿所述第二热丝承载棒的垂线方向移动。
进一步的，所述第二热丝承载棒上垂直连接有两根导轨，所述第二热丝固定杆滑动安装于所述导轨之间。
进一步的，所述弹簧至少为两根，且对称设置于所述热丝组的两侧。
进一步的，所述第一热丝承载棒和第二热丝承载棒之间设有绝缘支撑杆。
进一步的，所述绝缘支撑杆为陶瓷杆。
进一步的，所述第一热丝固定杆和所述第二热丝固定杆上均设有用于缠绕固定热丝的圆柱。
进一步的，所述第一热丝承载棒和第二热丝承载棒上均设有电极连接孔。
一种热丝沉积设备，包括上述热丝夹具。
如上热丝夹具或热丝沉积设备在热丝化学气相沉积法中的应用。
一种具有金刚石涂层刀具的制备方法，利用热丝化学气相沉积法在刀具基体表面沉积金刚石涂层，得到刀具；
其中，热丝化学气相沉积法中所用的热丝夹具为上述热丝夹具，或，热丝化学气相沉积法中所用的热丝沉积设备为上述热丝沉积设备。
进一步的，所述制备方法包括以下步骤：
a)利用热丝化学气相沉积法在预处理后的刀具基体表面沉积微米金刚石涂层；
b)利用热丝化学气相沉积法在沉积微米金刚石涂层后的刀具基体表面沉积纳米金刚石涂层。
进一步的，所述步骤a)中，以氢气和甲烷为反应气体，在预处理后的刀具基体表面沉积微米金刚石涂层；
优选地，所述微米金刚石涂层的厚度为1～2μm；
优选地，沉积微米金刚石涂层的工艺条件包括：甲烷的体积分数为2～4％，真空度2～6kPa，灯丝温度1900～2600℃，刀具基体温度为700～900℃，沉积时间1～2h。
进一步的，所述步骤b)中，以氢气和甲烷为反应气体，在沉积微米金刚石涂层后的刀具基体表面沉积纳米金刚石；
优选地，所述纳米金刚石涂层的厚度为2～8μm；
优选地，沉积纳米金刚石涂层的工艺条件包括：甲烷的体积分数为3～5％，真空度1～2.5kPa，灯丝温度1800～2800℃，刀具基体温度为700～900℃，沉积时间8～10h。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的热丝夹具中，第一热丝固定杆、第一热丝承载棒、第二热丝承载棒和第二热丝固定杆依次间隔设置，热丝固定于第一热丝固定杆和第二热丝固定杆之间，且与第一热丝承载棒和第二热丝承载棒接触，同时，弹簧的两端也分别固定连接于第一热丝固定杆与第二热丝固定杆之间，并与热丝平行，此时，弹簧处于压缩状态。
沉积时对第一热丝承载棒和第二热丝承载棒通电，在第一热丝承载棒、热丝和第二热丝承载棒之间形成电路，热丝通电后发热为热丝化学气相沉积工艺过程提供温度场从而实现沉积。在热丝发热的过程中，热丝会产生一定的形变，此时，弹簧在回弹力的作用下推动第一热丝固定杆沿第一热丝承载棒的垂线方向移动，并远离第一热丝承载棒，从而使热丝与第一热丝承载棒和第二热丝承载棒始终保持良好接触；由于不同热丝同时固定于第一热丝固定杆和第二热丝固定杆上，因此，不同热丝之间可以保持相同的形变和受力，进而使热丝夹具产生的温度场保持较好的一致性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种实施方式的热丝夹具的结构示意图；
(a)热丝夹具的俯视结构示意图；
(b)热丝夹具的侧视结构示意图；
图2为一种实施方式的热丝固定杆(包括第一热丝固定杆和第二热丝固定杆)的结构示意图；
(a)热丝固定杆的俯视结构示意图；
(b)热丝固定杆的前视结构示意图；
(c)第二热丝固定杆的左视结构示意图；
图3为本发明一种实施方式的热丝承载棒(包括第一热丝承载棒和第二热丝承载棒)的结构示意图；
(a)热丝承载棒的俯视结构示意图；
(b)热丝承载棒的前视结构示意图；
(c)热丝承载棒的左视结构示意图；
图4为本发明一种实施方式的弹簧的结构示意图。
图标：101－第一热丝固定杆；102－第一热丝承载棒；103－第二热丝承载棒；104－第二热丝固定杆；105－热丝；106－弹簧；107－导轨；108－钼质螺丝；109－陶瓷杆；110－圆柱；111－电极连接孔。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
图1是本发明一种实施方式的热丝夹具，图2是一种实施方式的热丝固定杆的结构示意图，图3是一种实施方式的热丝承载棒的结构示意图，图4是一种实施方式的弹簧的结构示意图。
如图1－4所示，该热丝夹具包括：
(A)夹具支架，包括依次平行间隔设置的第一热丝固定杆101、第一热丝承载棒102、第二热丝承载棒103和第二热丝固定杆104，第一热丝固定杆101可沿第一热丝承载棒102的垂线方向移动，和，
(B)多根热丝105平行间隔设置组成的热丝组，每根热丝105的两端分别固定连接于第一热丝固定杆101与第二热丝固定杆104，且与第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103接触；以及，
(C)弹簧106，两端分别固定连接于第一热丝固定杆101与第二热丝固定杆104，并与热丝105平行。
本发明提供的热丝夹具中，第一热丝固定杆101、第一热丝承载棒102、第二热丝承载棒103和第二热丝固定杆104依次间隔设置，热丝105固定于第一热丝固定杆101和第二热丝固定杆104之间，且与第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103接触，同时，弹簧106的两端也分别固定连接于第一热丝固定杆101与第二热丝固定杆104之间，并与热丝105平行，此时，弹簧106处于压缩状态。
沉积时对第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103通电，在第一热丝承载棒102、热丝105和第二热丝承载棒103之间形成电路，热丝105通电后发热为热丝105化学气相沉积工艺过程提供温度场从而实现沉积。在热丝105发热的过程中，热丝105会产生一定的形变，此时，弹簧106在回弹力的作用下推动第一热丝固定杆101沿第一热丝承载棒102的垂线方向移动，并远离第一热丝承载棒102，从而使热丝105与第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103始终保持良好接触；由于不同热丝105同时固定于第一热丝固定杆101和第二热丝固定杆104上，因此，不同热丝105之间可以保持相同的形变和受力，进而使热丝105夹具产生的温度场保持较好的一致性。该实施方式中是采用弹簧106去控制第一热丝固定杆101的移动，使得热丝105之间保持一致的张紧力，从而得到更为均匀的温度场。
第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103设置在第一热丝固定杆101和第二热丝固定杆104之间，使用时通过第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103为热丝105通电，此时，第一热丝固定杆101和第一热丝承载棒102以及第二热丝固定杆104和第二热丝承载棒103之间的热丝105是断路装态，该部分的热丝105不会产生热量。
本实施方式中并未对第一热丝固定杆101、第一热丝承载棒102、第二热丝承载棒103和第二热丝固定杆104的材质做出限定，只要能在热丝化学气相沉积中使用即可。例如，在本发明的一些实施方式中，第一热丝固定杆101、第一热丝承载棒102、第二热丝承载棒103和第二热丝固定杆104均采用钼制材料制作而成。弹簧106为耐高温弹簧106，针对沉积涂层的不同，热丝工艺中的温度不同，选用的耐高温弹簧的材质不同，即在热丝化学气相沉积的工艺制程中，弹簧106不会发生熔融等问题。
当弹簧106包覆绝缘外壳时，弹簧106所处的平面可以与热丝105组成的热丝组在同一平面，此时弹簧106表面可以与第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103接触。当弹簧106表面处于导电状态时，弹簧106要与第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103分离。为了使弹簧106与第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103分离，热丝105与弹簧106分布于第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103的不同侧，此时第一热丝固定杆101和第二热丝固定杆104组成的平面以及第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103组成的平面不在用一平面内，热丝105拉紧后与第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103接触，弹簧106与第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103分离。
其中，第一热丝固定杆101可沿第一热丝承载棒102的垂线方向移动，能够实现该功能的连接方式有多种，例如在第一热丝承载棒102上设置滑槽，使第一热丝固定杆101在滑槽内移动，但是需要使第一热丝固定杆101和第一热丝承载棒102之间处于绝缘状态；又例如，可以在第一热丝承载棒102上垂直连接有两根导轨107，第一热丝固定杆101滑动安装于导轨107之间。例如，导轨107与第一热丝承载棒102采用钼质螺丝108进行连接。第一热丝固定杆101可以沿着导轨107移动。第一热丝固定杆101在弹簧106的回弹力作用下可以朝着远离第一热丝承载棒102的方向移动，另外，第一热丝固定杆101还可以在热丝105的拉紧力的作用下朝着靠近第一热丝承载棒102的方向移动。
同样，第二热丝固定杆104可沿第二热丝承载棒103的垂线方向移动。第二热丝承载棒103上垂直连接有两根导轨107，第二热丝固定杆104滑动安装于导轨107之间。例如，导轨107与第二热丝承载棒103采用钼质螺丝108进行连接。
参照图1中的(b)所示，导轨107存在一定的弯曲，以使第一热丝固定杆101和第二热丝固定杆104组成的平面以及第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103组成的平面不在用一平面内，保证弹簧106不与第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103接触。
第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103之间设有绝缘支撑杆。设置绝缘支撑杆既有利于第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103之间的安装定位，还可以使热丝105夹具的结构更稳定，同时使第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103之间处于绝缘状态。该实施方式中，绝缘支撑杆为陶瓷杆109，陶瓷支撑杆例如可以通过钼质螺丝108与分别与第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103连接。
参照图2，第一热丝固定杆101和第一热丝固定杆104上设有用于缠绕固定热丝105的圆柱110，热丝105的端部缠绕固定于圆柱110。与传统热丝105的螺钉固定方式相比，将热丝105缠绕于圆柱110上可以提高操作效率，省去了拆装螺钉的步骤。
参照图3所示，第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103上均设有电极连接孔11。使用时，将外接电源连接于电极连接孔11处以实现通电功能。
具体的，上述实施方式的热丝夹具主要包括：第一热丝固定杆101、第一热丝承载棒102、第二热丝承载棒103、第二热丝固定杆104、导轨107、热丝105、陶瓷条、电极连接孔11、弹簧106、圆柱110、钼质螺丝108和陶瓷垫片等部件。其中第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103的作用是将热丝105通过电极连接孔11与外部电源进行电相连，热丝105与第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103相接触从而获得电流。滑轨与第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103固定连接，与第一热丝固定杆101和第二热丝固定杆104滑动连接，第一热丝固定杆101和第二热丝固定杆104用于固定热丝105，即将热丝105缠绕在圆柱110上。陶瓷杆109的两端固定连接于第一热丝承载棒102和第二热丝承载棒103，起到稳定和绝缘作用。弹簧106的作用在于在第一热丝固定杆101和第二热丝固定杆104上施加预紧力，初始工况下高温弹簧106处于被压缩状态，当热丝105由于将热膨胀发生弹性变形时，弹簧106回弹，第一热丝固定杆101和第二热丝固定杆104分别移动使两者之间的距离增大，从而保证工况下热丝105始终保持平直。
该实施方式的热丝夹具具有以下优点：
1)采用新的结构设计来平衡热丝受热产生的膨胀，增加了热丝的一致性，同时采用缠绕方式将热丝固定在圆柱上，减少了上丝时间，提高了上丝的效率；
2)采用弹簧推动第一热丝固定杆和第二热丝固定杆移动，从而保证热丝在工况下保持平直，且每根丝的受力保持一致；
3)热丝间距的设定主要是通过第一热丝固定杆和第二热丝固定杆上的间隔设置的圆柱实现的，可以进行连续缠丝或者间隔缠丝；
4)陶瓷杆用于绝缘连接第一热丝承载棒和第二热丝承载棒，在工况下无需拆卸陶瓷杆，简化了上丝流程；
5)采用陶瓷杆连接，有利于提高热丝夹具整体的稳定性，进而提高工艺稳定性，保证产品质量的一致性。
实施例2
本实施例是一种热丝沉积设备，该设备的沉积腔室内安装有实施例1提供的热丝夹具。
实施例3
本实施例是一种具有金刚石涂层刀具的制备方法，刀具基体为铣刀刀具，具体为金鹭牌GR－ESL4D6＊25＊60＊d6型刀具，该制备方法包括一下步骤：
a)对刀具基体表面进行预处理：预处理方法为对铣刀基体进行喷砂处理去除掉表面粘附物，然后分别在丙酮和酒精中超声清洗30min；
b)利用热丝化学气相沉积法在预处理后的刀具基体表面沉积微米金刚石涂层：以氢气和甲烷为反应气体，在预处理后的硬质合金铣刀基体表面沉积微米金刚石涂层，其沉积条件如下：甲烷占总气体体积的3％，真空室气压为4kPa，灯丝温度为2300℃，基体温度为800℃，沉积时间为1小时，在预处理表面上形成厚度为1～1.2微米的微米金刚石涂层；
该热丝化学气相沉积过程中使用的热丝夹具为实施例1提供的热丝夹具；
c)利用热丝化学气相沉积法在沉积微米金刚石涂层后的刀具基体表面沉积纳米金刚石涂层：以氢气和甲烷为反应气体，其沉积条件为：甲烷占总气体体积范围为4％，真空室气压范围为1.5kPa；灯丝温度范围为2100℃，基体温度范围为800℃；生长时间为9小时，在微米层上形成厚度为3～4μm的纳米金刚石涂层；
该热丝化学气相沉积过程中使用的热丝夹具为实施例1提供的热丝夹具。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种热丝夹具，其特征在于，包括：
夹具支架，包括依次平行间隔设置的第一热丝固定杆、第一热丝承载棒、第二热丝承载棒和第二热丝固定杆，所述第一热丝固定杆可沿所述第一热丝承载棒的垂线方向移动，和，
多根热丝平行间隔设置组成的热丝组，固定连接于所述第一热丝固定杆与所述第二热丝固定杆，且与所述第一热丝承载棒和第二热丝承载棒接触；以及，
弹簧，两端分别固定连接于所述第一热丝固定杆与所述第二热丝固定杆，并与所述热丝平行；
所述第二热丝固定杆可沿所述第二热丝承载棒的垂线方向移动；
所述第一热丝承载棒和第二热丝承载棒上均设有电极连接孔。
2.根据权利要求1所述的热丝夹具，其特征在于，
所述第一热丝承载棒上垂直连接有两根导轨，所述第一热丝固定杆滑动安装于所述导轨之间；
所述第二热丝承载棒上垂直连接有两根导轨，所述第二热丝固定杆滑动安装于所述导轨之间。
3.根据权利要求1或2所述的热丝夹具，其特征在于，所述弹簧至少为两根，且对称设置于所述热丝组的两侧。
4.根据权利要求1或2所述的热丝夹具，其特征在于，所述第一热丝承载棒和第二热丝承载棒之间设有绝缘支撑杆；
所述绝缘支撑杆为陶瓷杆。
5.根据权利要求1或2所述的热丝夹具，其特征在于，所述第一热丝固定杆和所述第二热丝固定杆上均设有用于缠绕固定热丝的圆柱。
6.一种热丝沉积设备，其特征在于，包括权利要求1－5任一项所述的热丝夹具。
7.如权利要求1－5任一项所述的热丝夹具或权利要求6所述的热丝沉积设备在热丝化学气相沉积法中的应用。
8.一种具有金刚石涂层刀具的制备方法，其特征在于，利用热丝化学气相沉积法在刀具基体表面沉积金刚石涂层，得到刀具；
其中，热丝化学气相沉积法中所用的热丝夹具为权利要求1－5任一项所述的热丝夹具，或，热丝化学气相沉积法中所用的热丝沉积设备为权利要求6所述的热丝沉积设备。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
a)利用热丝化学气相沉积法在预处理后的刀具基体表面沉积微米金刚石涂层；
b)利用热丝化学气相沉积法在沉积微米金刚石涂层后的刀具基体表面沉积纳米金刚石涂层；
所述步骤a)中，以氢气和甲烷为反应气体，在预处理后的刀具基体表面沉积微米金刚石涂层；
所述微米金刚石涂层的厚度为1～2μm；
沉积微米金刚石涂层的工艺条件包括：甲烷的体积分数为3％，真空度4kPa，灯丝温度2300℃，刀具基体温度为800℃，沉积时间1h；
所述步骤b)中，以氢气和甲烷为反应气体，在沉积微米金刚石涂层后的刀具基体表面沉积纳米金刚石；
所述纳米金刚石涂层的厚度为1－1.2μm；
沉积纳米金刚石涂层的工艺条件包括：甲烷的体积分数为4％，真空度1.5kPa，灯丝温度2100℃，刀具基体温度为800℃，沉积时间9h。
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