CN111676463B - 一种环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法 - Google Patents

一种环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法 Download PDF

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Abstract

一种环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法，包括下述步骤：阴极、阳极分体；环状工件安装到支撑环上，环状工件套装在阳极外围且与阳极同心放置；上升沉积台，使阳极上端面离辅助电极下端面10‑20mm；在阴极和辅助电极之间通入工作气体，磁场线圈通入电流，在阳极和阴极之间引燃电弧，阳极斑点在阳极边沿高速旋转，形成伞状弧帽；下降沉积台，将伞状弧帽调整于环状工件的中心；在引弧电极和辅助电极之间通入含碳气体，等离子体射流沿径向吹向环状工件内壁，在环状工件内壁沉积金刚石涂层。本发明阴极、阳极分离，工件置于阴极阳极之间，阳极的结构使高温气流以径向吹向环状工件内壁，气流与工件内壁垂直，能量集中，热效率高，金刚石涂层生长速度快，质量好。

Description

一种环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法
技术领域
本发明涉及一种化学气相沉积金刚石涂层的方法，特别是一种环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法。
背景技术
金刚石具有高耐磨性、高热导性和良好的绝缘性能，在工件表面沉积金刚石涂层已经广泛应用于机械加工、电子元器件等多种新材料、新技术领域。目前在工件内孔或内表面化学气相沉积金刚石涂层的方法主要有直流伸展电弧加热法、热丝法、直流电弧等离子体喷射法等。热丝法利用灯丝穿过环状工件内孔加热，能够在硬质合金拉拔模具内壁沉积出良好的金刚石涂层。单根灯丝热能少只能用于小孔工件，用多根灯丝编织成笼形在较大口径环状工件内壁沉积金刚石涂层，受灯丝数量和灯丝电流的限制，在工件内壁存在加热不均匀，沉积的金刚石涂层质量较差，目前见诸报道的可沉积的最大内孔直径不超过75mm。中国专利申请号CN201810237357.X公开了一种利用直流伸展电弧加热，在管状工件内壁沉积高品质金刚石涂层的方法，利用直流伸展电弧穿过工件内孔，可以在内径40一300mm，长度大于内径3倍的金属管内沉积金刚石涂层。但不足之处是受放电稳定性限制，直流伸展电弧只适用于管长大于管内径的长管，不能用于管长较短的大口径环状工件，并且工件材质只限于少数几种金属材料，不能用于非金属材料、半导体材料、绝缘材料，如硅，碳化硅，硬质合金等。中国专利申请号CN201910316045.2公开了一种利用直流电弧等离子体喷射法在拉拔模具内壁沉积金刚石涂层的方法及装置，利用直流电弧等离子炬的轴向气流穿过工件内孔，较好的解决了拉拔模具内壁沉积金刚石涂层。这种方法主要通过等离子体气体分子跟工件内壁的碰撞传热，存在的问题是随着工件内径增大，等离子体气体分子碰撞几率减少，传热效率降低，能量损失增大，因此不适合用于大口径环状工件。
发明内容
本发明的目的在于针对要解决的技术问题，提供一种环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法，所述方法可在直径60mm以上的大口径环状工件内壁均匀、高效的沉积金刚石涂层。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种在环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法，采用直流电弧等离子炬在环状工件内壁沉积金刚石涂层，包括下述步骤：
a、阴极、阳极为分体式设置，阴极安装在真空室上部，阴极外设有辅助电极，阳极安装在真空室下部中心位置的沉积台上；
b、将待沉积的环状工件安装到支撑环上，环状工件套装在阳极外围且与阳极同心放置；
c、上升沉积台，使阳极上端面离辅助电极下端面10-20mm；
d、在引弧电极和辅助电极之间通入氢气、氩气等工作气体，在阳极和阴极之间引燃电弧，电弧被工作气体压缩成细束，在磁场线包提供的磁场力的作用下，电弧的阳极斑点在环状阳极表面高速旋转，形成伞状弧帽；
e、下降沉积台，将伞状弧帽调整于环状工件的中心，此时阳极上端面与环状工件下端面基本平齐；
f、在引弧电极和辅助电极之间通入碳源气体，在旋转电弧的带动下，含碳的工作气体由径向吹向环状工件内壁，从环状工件上口和支撑环的排气孔中吹出，从而在环状工件内壁均匀的沉积金刚石涂层。
上述环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法，所述阳极的外廓为扁圆柱体，阳极上端面设有阳极上端盲孔，阳极上端盲孔的孔径D与环状工件孔径D1的关系为1：1.5-2，阳极上端盲孔的深度H与盲孔孔径的关系为1：2-3，阳极外径与环状工件内径的关系为1：1.5-2。
上述环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法，阳极下端面设有安装盲孔，安装盲孔匹配套装在沉积台上。
上述环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法，支撑环下部设有绝缘套环，绝缘套环的高度可调。
上述环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法，支撑环上均布沿支撑环径向设置的排气孔。
上述环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法，所述环状工件的内径大于60mm,环状工件的内径与轴向厚度比不小于1.5:1。
上述环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法，环状工件的孔形可为多边形，环状工件的内孔可为变径孔，环状工件可由多个薄形环件叠置而成。
上述环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法，安装在真空室上部的阴极外侧套装引弧电极、辅助电极和磁场线包，与阴极同心安装。
上述环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法，环状工件的材质是耐温550度以上的金属材料、非金属材料、半导体材料、绝缘材料或其组合。
本发明针对现有技术不适用大直径环状工件内壁沉积金刚石涂层的问题进行了改进，将常规等离子炬采用阴极和阳极套装的结构改进为阴极阳极分离结构，将工件置于阴极阳极之间，且通过阳极的结构设计，使较大流量的等离子炬气流以径向吹向环状工件内壁，气流与工件内壁垂直，能量集中，热效率高，因此金刚石涂层生长速度快，质量好。本发明方法填补了现有技术的空白，适合轴向长度小于内径的大口径环状工件。因为工件材质对电弧稳定性没有影响，所以可用于金属材料，半导体材料如常用的硅、硬质合金、碳化硅、镀钛石墨多种大口径环形工件，具有独到的优势。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明工作过程示意图；
图2是阳极的结构示意图。
图中各标号为：1、阳极，1-1、阳极上端盲孔，1-2、安装盲孔，2、沉积台，3、环状工件，4、支撑环，5、绝缘垫，6、阴极，7、引弧电极，8、辅助电极，9、磁场线包，10、真空室，11、伞状弧帽，12、工作气体。
具体实施方式
本发明方法，采用直流电弧等离子炬在孔径大于60mm、孔径与厚度比为大于1.5的环状工件的内壁高效、均匀的沉积金刚石涂层。参看图1，本发明的阴极6、阳极1为上下分体式设置，杆状的阴极安装在真空室上部，阴极外侧套装引弧电极7、辅助电极8和磁场线包9，引弧电极和辅助电极之间设有绝缘隔离层。阳极安装在真空室下部中心位置的沉积台2上，阳极与阴极同心安装。沉积台接电源阳极，内通冷却水，外接传动系统，使其可在真空室内升降。金刚石沉积过程如下：将待加工的环状工件3安装到支撑环4上，环状工件套装在阳极外围且与阳极同心放置。支撑环上均布沿其径向设置的排气孔。支撑环的下部设有绝缘套环5，绝缘套环的高度可调。上升沉积台，使阳极上端面离辅助电极下端面10-20mm的距离，在引弧电极和辅助电极之间通入工作气体，在阳极和阴极之间引燃电弧，电弧被工作气体12(氩气、氢气)压缩成细束，在磁场线包提供的磁场力的作用下高速旋转，形成伞状弧帽11。下降沉积台使阳极上端面与环状工件下端面平齐，将伞状弧帽调整于环状工件的中心，通入含碳气体。调整电弧电流，使环状工件升温到550℃以上，工作气体在旋转电弧的带动下由径向吹向环状工件内壁，从环状工件上口和支撑环的排气孔中吹出，从而在环状工件内壁均匀的沉积金刚石涂层。由于等离子体射流垂直于环状工件的内壁，故能量集中，热效率高，金刚石涂层生长速度快，质量好。
参看图1、图2，所述阳极的结构是本发明的一个重要特点，阳极材质选用石墨、紫铜等。阳极的外廓为扁圆柱体，为使电弧绕阳极外沿旋转，防止阳极斑点收缩到中心停转，在阳极上端面设置阳极上端盲孔1-1。阳极上端盲孔的孔径D与环状工件孔径D1的关系如下，D：D1为1：1.5-2，使径向吹出的等离子体射流的张角对环状工件内壁全覆盖，避免张角过小两边绕流金刚石涂层不均匀或角度过大气流空吹能量损失。阳极上端盲孔的深度H与阳极上端盲孔直径D的关系如下，H：D为1：2-3，确保阳极斑点位于阳极最上端。为提供顺畅的气体流通通道，环状工件内径为阳极外径的1.5-2倍。阳极的下端面设有安装盲孔1-2，安装盲孔匹配套装在沉积台上，以便增加接触面积，提高导电和传热能力。环状工件的孔形可为多边形，环状工件的内孔可为变径孔，环状工件也可由多个薄形环件叠置而成。环状工件的材质是耐温550度以上的金属材料、非金属材料、半导体材料、绝缘材料或其组合。
以下提供一个具体的实施例：
阳极由石墨制成，阳极上端盲孔直径120mm，壁厚10mm，孔深40mm。阴极为水冷包铜钨杆，引弧电极、辅助电极为水冷夹层紫铜制作，两极间的绝缘隔离层由环氧玻璃絲布棒制作，绝缘隔离层设有工作气体出气孔。
环状工件选用金属管拉拔模具，材质为硬质合金，内孔直径180mm，轴向厚度44mm。
工作过程如下：
上升沉积台，使阳极上端面离辅助电极下端面10mm；在阴极和引弧电极之间通入保护气体氩气；打开电源引燃电弧，在引弧电极和辅助电极之间通入工作气体氢气，使真空室内压力维持在3KPa；调整磁场电流，使电弧高速稳定旋转，形成伞状弧帽；下降沉积台，使阳极上端面与环状工件下端面平齐，使伞状弧帽位于环状工件拉拔模具的中心；调整电弧电流，使拉拔模具升温到750℃以上；在引弧电极和辅助电极之间通入含碳气体丙烷。涂层生长时间为40小时，涂层厚度为30微米。
本发明方法可以做到在多种金属、非金属材料直径100mm以上大口径的工件内壁均匀高效的沉积金刚石涂层，对于内孔为变径的环状工件同样可以适用，相比现有技术具有独到的优势。

Claims (8)

1.一种在环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法，采用直流电弧等离子炬在环状工件内壁沉积金刚石涂层，其特征在于：包括下述步骤：
a、阴极、阳极为分体式设置，阴极安装在真空室上部，阴极外设有辅助电极，阳极安装在真空室下部中心位置的沉积台上；
b、将待沉积的环状工件安装到支撑环上，环状工件套装在阳极外围且与阳极同心放置；
c、上升沉积台，使阳极上端面离辅助电极下端面10-20mm；
d、在引弧电极和辅助电极之间通入氢气、氩气工作气体，在阳极和阴极之间引燃电弧，电弧被工作气体压缩成细束，在磁场线包提供的磁场力的作用下，电弧的阳极斑点在环状阳极表面高速旋转，形成伞状弧帽；
e、下降沉积台，将伞状弧帽调整于环状工件的中心，此时阳极上端面与环状工件下端面基本平齐；
f、在引弧电极和辅助电极之间通入碳源气体，在旋转电弧的带动下，含碳的工作气体由径向吹向环状工件内壁，从环状工件上口和支撑环的排气孔中吹出，从而在环状工件内壁均匀的沉积金刚石涂层；
所述阳极的外廓为扁圆柱体，阳极上端面设有阳极上端盲孔，阳极上端盲孔的孔径D与环状工件孔径D1的关系为1：1.5-2，阳极上端盲孔的深度H与盲孔孔径的关系为1：2-3，环状工件内径为阳极外径的1.5-2倍。
2.根据权利要求1所述的环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法，其特征在于：阳极下端面设有安装盲孔，安装盲孔匹配套装在沉积台上。
3.根据权利要求2所述的环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法，其特征在于：支撑环下部设有绝缘套环，绝缘套环的高度可调。
4.根据权利要求3所述的环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法，其特征在于：支撑环上均布沿支撑环径向设置的排气孔。
5.根据权利要求4所述的环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法，其特征在于：所述环状工件的内径大于60mm,环状工件的内径与轴向厚度比大于1.5:1。
6.根据权利要求5所述的环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法，其特征在于：环状工件的孔形为多边形，环状工件的内孔为变径孔，环状工件由多个薄形环件叠置而成。
7.根据权利要求6所述的环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法，其特征在于：安装在真空室上部的阴极外侧套装引弧电极、辅助电极和磁场线包，与阴极同心安装。
8.根据权利要求7所述的环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法，其特征在于：环状工件的材质是耐温550度以上的金属材料、非金属材料、半导体材料、绝缘材料或其组合。
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