[發明專利]金剛石表面雙陰極等離子沉積納米涂層的裝備與工藝

有效

• 申請號: 201310254624.1
• 申請日: 2013-06-24
• 公開（公告）號: CN103361615A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 徐江;揭曉華;王國棟
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: C23C14/42
• 分類號: C23C14/42;C23C14/18
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 李紀昌;曹翠珍

技術領域

本發明涉及金剛石表面處理技術領域，尤其涉及一種雙陰極等離子濺射沉積手段在金剛石表面制備納米涂層的裝備以及其制備工藝。

背景技術

金剛石的高硬度、高耐磨性、高抗壓強度以及優異的導熱性,使其在金屬和硬脆材料加工工具、磨具領域有非常廣泛的應用。如金剛石鋸片、砂輪、磨頭等。目前金剛石工具應用較為廣泛的一類的主導產品是金屬粉末燒結的金剛石工具，是由金剛石與作為結合劑的金屬粉末混合、燒結所制成。由于金剛石與一般的金屬或合金間有很高的界面能，致使金剛石表面不能被一般的金屬或合金所浸潤，且在高溫下金剛石易石墨化和氧化，所以很難與金屬發生冶金結合，金剛石顆粒僅靠物理作用力和機械鑲嵌與結合劑結合。在工具使用過程中，經受高的、間歇的切削力，在磨削力的作用下金剛石磨粒極易脫落，從而使磨具的使用壽命大打折扣。

提高金剛石與金屬粘結劑的結合強度是提高金剛石工具加工效率、使用壽命和金剛石的利用率的關鍵。采用表面改性技術，在金剛石磨料表面制備涂層是提高結合劑對金剛石顆粒把持力的重要手段。

目前金剛石表面改性技術主要有化學鍍、化學氣相沉積、熱蒸發鍍、磁控濺射鍍、離子鍍、真空微蒸發鍍等多種方式。但是上述表面改性技術存在種種問題:

（1）金剛石表面化學鍍Ni、Co、Cu不適用于金屬結合劑工具，即使鍍Ni-W、Co-W合金的產品也不能用于金屬結合劑工具，其原因是Ni、Co為石墨化元素，不能起冶金結合作用。

（2）普通的物理氣相沉積包括熱蒸發鍍、磁控濺射鍍、離子鍍等，工藝復雜、單次鍍覆量少，鍍層與金剛石之間只是物理附著，沒有與金剛石表面形成碳化物，在工具制造的熱壓短時間內，難于大面積的化合物鍵合，所以使用效果不明顯。

（3）而化學氣相沉積(CVD)以及鹽浴鍍覆工藝，鍍覆過程金剛石受熱達到850℃以上，在高真空條件下，金剛石的強度明顯下降，失去工業應用價值。

（4）目前應用較廣泛的真空微蒸發鍍覆技術同樣需要較高的沉積溫度，且鍍覆的種類有限（僅限于鍍Ti）,所使用的原材料中含有一定的有毒元素三氯化鈦易污染環境。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提供了一種金剛石表面雙陰極等離子沉積納米涂層的裝備，采用雙陰極等離子濺射沉積技術手段，在金剛石顆粒或粉末表面制備納米金屬涂層，改善金剛石與金屬粘結劑的結合強度，提高金剛石工具加工效率、使用壽命和金剛石的利用率。

一種金剛石表面雙陰極等離子沉積納米涂層的裝備，包括有真空室、電源、靶材、監控部件，在所述的真空室中，料盤設置于靶材的一側，陽極板設置于靶材的另一側；所述的電源在真空室外部，電源上包括有兩個陰極，其中一個陰極連接于靶材，另一個陰極連接于料盤，電源的陽極連接于陽極板，在靶材上還設置有監控部件。

所述的監控部件用于監控沉積溫度。

電源上可以包含一個陽極也可以是兩個陽極，只要將陽極連接于真空室中的陽極板上即可。電源采用普通的電源即可。

在使用時，料盤上可以放置金剛石，其可以是顆粒狀也可以是粉末狀。

作為改進，料盤下方設有震蕩器。震蕩器可使金剛石顆粒或粉末在沉積中不斷翻動，以保證涂層均勻、無漏鍍。震蕩器最好設在料盤下方3厘米處。

震蕩器可以采用超聲波震蕩聚能器，它的作用是利用超聲波的高頻聲波產生振蕩，超聲輸出頻率可根據不同工作情況進行微調超聲波發生器有頻率微調的功能在不同的工況條件下略微調整使換能器始終工作在最佳狀態下，換能效率達到最大，在不同工況下都能達到最佳效果。

作為改進，真空室上還設有進氣口和出氣口。其作用是通入惰性氣體，

上述的監控部件可以采用熱電偶。作為改進，熱電偶距離料盤2厘米。熱電偶實時監控沉積工藝下金剛石表面附近的溫度。

作為改進，靶材和金剛石之間的距離為10-20mm，優選15mm。

作為改進，真空室側壁設有觀察口。

作為改進，雙陰極結構連接有操作臺，用于控制雙陰極結構的電流和電壓。

本發明還提供了一種金剛石表面沉積納米涂層的工藝，采用雙陰極等離子濺射沉積手段，通過調節靶材和料盤電壓以及靶材和料盤中金剛石的距離，通入氬氣，控制沉積時間和溫度，使靶材金屬在金剛石表面形成涂層。