[发明专利]一种提高在工具表面制备金刚石涂层的效率及均匀性的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够提高在杆状硬质合金工具(如钻头、铣刀)表面制备金刚石涂层的效率及均匀性的方法及其装置，属于金刚石涂层工具制备领域。

背景技术

由于金刚石具有高硬度、低摩擦系数、高导热率以及化学稳定性好等优点，作为工具材料具有无可比拟的优势，现已广泛应用于工业领域的许多方面。但是天然金刚石稀少昂贵，聚晶金刚石制造成本高、难以制造复杂形状刀具，如钻头、铣刀等。因此，金刚石薄膜涂层工具具有非常诱人的发展前景。作为一种广泛使用的金刚石薄膜沉积方法--热丝化学气相沉积(热丝CVD)法，具有价格低廉，可以大面积沉积薄膜的优点，是制作金刚石涂层工具的首选方法。目前在国内外广泛使用的热丝CVD装置主要结构都是在真空腔体内热丝水平放置，基片台在热丝正下方，有的基片台还可以旋转、水冷。需要沉积金刚石薄膜的样品放置在基片台上，通过控制一些关键沉积条件如反应气体比例、热丝温度、样品温度、沉积气压等就可以在刀具表面沉积出所需要的金刚石薄膜。但这类装置进行批量生产时存在以下缺陷。第一是热丝利用率低，热丝一般采用价格高昂的钽或钨，钽比钨贵很多，但其功函数低，有利于热丝表面电子发射，能比钨热丝更有效裂解反应气体，应用更广泛。热丝寿命达到1000小时以上，但在刀具上沉积金刚石薄膜仅需几个小时，这时，停机取样品热丝就报废。这样对于生产而言既浪费时间又浪费材料；第二是这类设备沉积参数均匀性比较差，主要是基片台中央和边沿温度和气流均匀性存在差异，还有热丝在工作过程中因不断碳化延伸使中间部分下坠，导致热丝与基体距离不一样，虽然热丝拉紧装置能够部分消除这种延伸，但热丝越长，消除的效果越差，这样由于不同区域沉积条件的差异使沉积的工具附着力大小不一，可能其中有些刀具附着力达不到要求。由于现在金刚石涂层刀具附着力无损检测还没有解决，这样，就可能无法判别沉积出来的刀具哪些是合格的，哪些是不合格的。此外，这些装置用于实验室在平面刀具表面生长金刚石薄膜，效果比较好，但对于如钻头、铣刀类的杆状刀具，效果就不太好了，主要是在这种结构的装置中，钻头、铣刀都是立放，这样，靠近热丝的刀具的尖端与杆部生长条件不一致，沉积金刚石薄膜晶型、厚度、附着力等会不同。对于钻头问题不大，因受力主要在尖端刃部；但对于铣刀就有问题了，因为铣刀要求整个杆状刃部都有比较好的附着力。为了解决这个问题，国内外学者(如W.Ahmed等，Diamond and RelatedMaterials，2003，12：1300-1306)采取螺旋状热丝套在铣刀外面，这样就能解决这个问题，但这样做需要在每个钻头外面套螺旋状热丝，既复杂，成本也高，不可能工业化生产。另外，由于热丝水平放置，加热后热丝因不断碳化而延伸，导致中间部分会下坠，为了控制下坠量，限制热丝的长度，从而限制装置沉积区域的大小。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种提高在工具表面制备金刚石涂层的效率及均匀性的方法及其装置，该方法及装置能够连续(指在不停机，即热丝工作状态下更换样品)地在工具表面制备金刚石涂层，并且金刚石涂层的均匀性好。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种提高在工具表面制备金刚石涂层的效率及均匀性的方法，其特征在于它包括如下步骤：

1)、在水冷真空腔体内中间设有不锈钢板，不锈钢板将水冷真空腔体内的空腔分隔成上下位置布置的反应腔和样品储存腔(上面的是金刚石膜沉积室，下面的是样品储存间)，不锈钢板上设有供样品和样品盒通过的第一孔；反应腔内的热丝采用垂直放置；

2)将待处理的工具样品的工具柄部放置在样品盒上(将硬质合金工具预处理后，依次装入样品盒)，待处理的工具样品的工具刀刃部位于样品盒外(暴露在盒外面，只有需要镀膜的硬质合金杆状刀体在样品盒外)，将放置有待处理的工具样品的样品盒放置在样品储存腔(样品储存间)内；

3)水平移动第一个样品盒至供样品和样品盒通过的第一孔的下方(可通过样品盒水平移动导轨和样品盒水平移动控制柄实现)，再沿垂直移动样品盒至反应腔内(可通过样品盒垂直移动导轨、能够上下往复运动的机构实现)；

4)通过调节热丝位置(使样品盒垂直移动导轨与热丝距离可以调节)，从而调节热丝与待处理的工具样品的工具刀刃部位的距离为8-30mm；