[發明專利]一種提高在工具表面制備金剛石涂層的效率及均勻性的方法及其裝置

有效

• 申請號: 201110327713.5
• 申請日: 2011-10-25
• 公開（公告）號: CN102383113A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發明（設計）人: 王傳新;汪建華;楊學兵;謝秋實;謝海鷗
• 申請（專利權）人: 武漢工程大學
• 主分類號: C23C16/52
• 分類號: C23C16/52;C23C16/44;C23C16/27
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 唐萬榮

技術領域

本發明涉及一種能夠提高在桿狀硬質合金工具(如鉆頭、銑刀)表面制備金剛石涂層的效率及均勻性的方法及其裝置，屬于金剛石涂層工具制備領域。

背景技術

由于金剛石具有高硬度、低摩擦系數、高導熱率以及化學穩定性好等優點，作為工具材料具有無可比擬的優勢，現已廣泛應用于工業領域的許多方面。但是天然金剛石稀少昂貴，聚晶金剛石制造成本高、難以制造復雜形狀刀具，如鉆頭、銑刀等。因此，金剛石薄膜涂層工具具有非常誘人的發展前景。作為一種廣泛使用的金剛石薄膜沉積方法--熱絲化學氣相沉積(熱絲CVD)法，具有價格低廉，可以大面積沉積薄膜的優點，是制作金剛石涂層工具的首選方法。目前在國內外廣泛使用的熱絲CVD裝置主要結構都是在真空腔體內熱絲水平放置，基片臺在熱絲正下方，有的基片臺還可以旋轉、水冷。需要沉積金剛石薄膜的樣品放置在基片臺上，通過控制一些關鍵沉積條件如反應氣體比例、熱絲溫度、樣品溫度、沉積氣壓等就可以在刀具表面沉積出所需要的金剛石薄膜。但這類裝置進行批量生產時存在以下缺陷。第一是熱絲利用率低，熱絲一般采用價格高昂的鉭或鎢，鉭比鎢貴很多，但其功函數低，有利于熱絲表面電子發射，能比鎢熱絲更有效裂解反應氣體，應用更廣泛。熱絲壽命達到1000小時以上，但在刀具上沉積金剛石薄膜僅需幾個小時，這時，停機取樣品熱絲就報廢。這樣對于生產而言既浪費時間又浪費材料；第二是這類設備沉積參數均勻性比較差，主要是基片臺中央和邊沿溫度和氣流均勻性存在差異，還有熱絲在工作過程中因不斷碳化延伸使中間部分下墜，導致熱絲與基體距離不一樣，雖然熱絲拉緊裝置能夠部分消除這種延伸，但熱絲越長，消除的效果越差，這樣由于不同區域沉積條件的差異使沉積的工具附著力大小不一，可能其中有些刀具附著力達不到要求。由于現在金剛石涂層刀具附著力無損檢測還沒有解決，這樣，就可能無法判別沉積出來的刀具哪些是合格的，哪些是不合格的。此外，這些裝置用于實驗室在平面刀具表面生長金剛石薄膜，效果比較好，但對于如鉆頭、銑刀類的桿狀刀具，效果就不太好了，主要是在這種結構的裝置中，鉆頭、銑刀都是立放，這樣，靠近熱絲的刀具的尖端與桿部生長條件不一致，沉積金剛石薄膜晶型、厚度、附著力等會不同。對于鉆頭問題不大，因受力主要在尖端刃部；但對于銑刀就有問題了，因為銑刀要求整個桿狀刃部都有比較好的附著力。為了解決這個問題，國內外學者(如W.Ahmed等，Diamond?and?RelatedMaterials，2003，12：1300-1306)采取螺旋狀熱絲套在銑刀外面，這樣就能解決這個問題，但這樣做需要在每個鉆頭外面套螺旋狀熱絲，既復雜，成本也高，不可能工業化生產。另外，由于熱絲水平放置，加熱后熱絲因不斷碳化而延伸，導致中間部分會下墜，為了控制下墜量，限制熱絲的長度，從而限制裝置沉積區域的大小。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，而提供一種提高在工具表面制備金剛石涂層的效率及均勻性的方法及其裝置，該方法及裝置能夠連續(指在不停機，即熱絲工作狀態下更換樣品)地在工具表面制備金剛石涂層，并且金剛石涂層的均勻性好。

為了實現上述目的，本發明所采取的技術方案是：一種提高在工具表面制備金剛石涂層的效率及均勻性的方法，其特征在于它包括如下步驟：

1)、在水冷真空腔體內中間設有不銹鋼板，不銹鋼板將水冷真空腔體內的空腔分隔成上下位置布置的反應腔和樣品儲存腔(上面的是金剛石膜沉積室，下面的是樣品儲存間)，不銹鋼板上設有供樣品和樣品盒通過的第一孔；反應腔內的熱絲采用垂直放置；

2)將待處理的工具樣品的工具柄部放置在樣品盒上(將硬質合金工具預處理后，依次裝入樣品盒)，待處理的工具樣品的工具刀刃部位于樣品盒外(暴露在盒外面，只有需要鍍膜的硬質合金桿狀刀體在樣品盒外)，將放置有待處理的工具樣品的樣品盒放置在樣品儲存腔(樣品儲存間)內；

3)水平移動第一個樣品盒至供樣品和樣品盒通過的第一孔的下方(可通過樣品盒水平移動導軌和樣品盒水平移動控制柄實現)，再沿垂直移動樣品盒至反應腔內(可通過樣品盒垂直移動導軌、能夠上下往復運動的機構實現)；

4)通過調節熱絲位置(使樣品盒垂直移動導軌與熱絲距離可以調節)，從而調節熱絲與待處理的工具樣品的工具刀刃部位的距離為8-30mm；