本發明涉及涂層技術，具體地，涉及一種柔性熱絲CVD金剛石涂層裝備及方法。

背景技術：

化學氣相沉積金剛石涂層具有接近天然金剛石的高硬度、高導熱系數、低摩擦系數和低熱膨脹系數等諸多優異性能，因此成為切削加工刀具、模具及耐磨器件表面涂層材料以及摩擦條件下耐磨減摩涂層的首選材料，在改善材料摩擦磨損表面性能方面的揮越來越重要的作用。性能穩定可靠的設備是實現涂層可控制備的基礎條件，目前我國的金剛石涂層設備還是依賴于進口。由于技術封鎖的緣故，與設備相匹配的詳細沉積工藝參數不對我國開放，導致設備使用率低下，造成巨大的經濟損失。而且，能夠購買到的進口設備，也是只適用于整體式刀具表面的金剛石涂層制備，無法實現多品種工模具表面金剛石涂層制備，極大地限制了金剛石涂層在工業界的推廣應用。

經對現有技術的專利檢索發現，中國專利申請號200310108306.6記載了一種“整體式硬質合金旋轉刀具金剛石涂層制備裝置”，該專利公開了一種自旋式夾具系統用于金剛石涂層刀具的制備，以達到提高刀具表面涂層均勻性的目的。中國專利申請號201110028846.2記載了一種“復雜形狀金剛石涂層刀具熱絲化學氣相沉積批量制備方法”，該專利公開了一種采用三明治式的刀具夾持底座來控制刀具基體溫度。上述裝置和方法僅適用于單個或批量化的整體式刀具表面的金剛石涂層沉積，無法實現多品種工模具表面的金剛石涂層制備。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種柔性熱絲CVD金剛石涂層裝備。

根據本發明提供的柔性熱絲CVD金剛石涂層裝備，包括組合式電極系統、固定式水冷真空反應室、恒壓電源系統、集成式氣體控制系統和可移動基體平臺；

其中，所述組合式電極系統設置在所述可移動基體平臺上；所述可移動基體平臺驅動所述組合式電極系統進入所述固定式水冷真空反應室內或將所述組合式電極系統從所述固定式水冷真空反應室內移出；

所述集成式氣體控制系統用于向所述固定式水冷真空反應室輸入反應氣體；所述恒壓電源系統用于向所述集成式氣體控制系統、可移動基體平臺提供電能。

優選地，所述的組合式電極系統包括電極柱、電極壓板、電極桿、電極套筒以及熱絲張緊結構；

其中，所述電極柱的數量為兩組，每組電極柱包括兩個依次設置的電極柱；兩組電極柱設置在可移動基體平臺上；

一組的兩個電極柱之間設置有一電極桿；另一組的兩個電極柱之間設置有另一電極桿上，另一電極桿上依次設置有多個電極壓板；一電極桿上設置有多個依次排列的電極套筒；所述熱絲張緊結構設置在所述電極桿的外側。

優選地，所述固定式水冷真空反應室包括反應室本體以及設置在所述反應室本體表面的觀察窗；

反應室本體的外表面設置有槽式冷卻水循環結構。

優選地，所述可移動基體平臺包括水冷平臺、法蘭板組件和導軌槽；

其中，所述法蘭板組件的下端設置有所述導軌槽上；所述水冷平臺設置在所述法蘭板組件上；

所述法蘭板組件用于可移動基體平臺與固定式水冷真空反應室的密封；

兩組電極柱設置在所述水冷平臺上；所述水冷平臺設置有通過循環管道連通的冷卻水進口管和冷卻出口管。

優選地，還包括支架平臺；所述固定式水冷真空反應室和所述可移動基體平臺設置在所述支架平臺上；

所述支架平臺設置有與所述導軌槽相匹配的導軌，所述導軌槽能夠沿導軌滑動；

移動基體平臺通過所述導軌實現將所述組合式電極系統從固定式水冷真空反應室中移入或移出。

優選地，還包括待加工產品承載臺和多根熱絲；

其中，所述待加工產品承載臺設置在所述水冷平臺上；所述熱絲的一端連接所述電極壓板，另一端穿過所述電極套筒連接所述熱絲張緊結構；

所述熱絲張緊結構，用于使熱絲在加載受熱狀態下保持平直狀態。

優選地，所述恒壓電源系統中設置有反饋裝置；

所述反饋裝置用于保證涂層沉積過程中，熱絲功率及反應氣體放電電壓的穩定性。

優選地，所述集成式氣體控制系統中設置有多個控制微米和納米金剛石涂層沉積反應中反應氣體控制的質量流量計。

優選地，所述待加工產品承載臺采用帶孔固定塊、V型支架或整體式支撐平臺。

本發明提供的金剛石涂層制備方法，采用所述的柔性熱絲CVD金剛石涂層裝備。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：

1、本發明中可移動基體平臺擴展了涂層基體安裝和熱絲布置的操作空間，為金剛石涂層沉積過程基體溫度的可控分布提供了可靠結構，同時避免了采用真空動密封易導致氣密性差的問題；

2、本發明中組合式電極系統可依據基體不同形狀來改變熱絲數量和位置，實現整體式刀具、平片刀具、拉拔模具、密封器件等多種工具表面高均勻性金剛石涂層的制備。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為本發明中柔性熱絲CVD金剛石涂層裝備的結構示意圖；

圖2為本發明中實施示例1中大直徑整體式銑刀利用本發明進行金剛石涂層制備的結構示意圖；

圖3為本發明中實施示例2中拉拔模具利用本發明進行金剛石涂層制備的結構示意圖；

圖4為本發明中實施例3中平片式刀具利用本發明提供的裝備進行金剛石涂層制備的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。

在本實施例中，本發明提供發柔性熱絲CVD金剛石涂層裝備，包括組合式電極系統100、固定式水冷真空反應室200、恒壓電源系統300、集成式氣體控制系統400和可移動基體平臺500；

其中，所述組合式電極系統100設置在所述可移動基體平臺500上；所述可移動基體平臺500驅動所述組合式電極系統100進入所述固定式水冷真空反應室200內或將所述組合式電極系統100從所述固定式水冷真空反應室200內移出；

所述集成式氣體控制系統400用于向所述固定式水冷真空反應室200輸入反應氣體；所述恒壓電源系統300用于向所述集成式氣體控制系統400、可移動基體平臺500提供電能。

所述的組合式電極系統100包括電極柱1、電極壓板2、電極桿3、電極套筒4以及熱絲張緊結構5；

其中，所述電極柱1的數量為兩組，每組電極柱1包括兩個依次設置的電極柱1；兩組電極柱1設置在可移動基體平臺500上；

一組的兩個電極柱1之間設置有一電極桿3；另一組的兩個電極柱1之間設置有另一電極桿3上，另一電極桿3上依次設置有多個電極壓板2；一電極桿3上設置有多個依次排列的電極套筒4；所述熱絲張緊結構5設置在所述電極桿3的外側。

所述固定式水冷真空反應室200包括反應室本體12以及設置在所述反應室本體12表面的觀察窗11；

反應室本體12的外表面設置有槽式冷卻水循環結構13。

所述可移動基體平臺500包括水冷平臺6、法蘭板組件7和導軌槽10；

其中，所述法蘭板組件7的下端設置有所述導軌槽10上；所述水冷平臺6設置在所述法蘭板組件7上；

所述法蘭板組件7用于可移動基體平臺與固定式水冷真空反應室的密封；

兩組電極柱1設置在所述水冷平臺6上；所述水冷平臺6設置有通過循環管道連通的冷卻水進口管103和冷卻出口管104。

本發明提供發柔性熱絲CVD金剛石涂層裝備，還包括支架平臺9；所述固定式水冷真空反應室200和所述可移動基體平臺500設置在所述支架平臺9上；

所述支架平臺9設置有與所述導軌槽10相匹配的導軌8，所述導軌槽10能夠沿導軌8滑動；

移動基體平臺500通過所述導軌8實現將所述組合式電極系統100從固定式水冷真空反應室200中移入或移出。

本發明提供發柔性熱絲CVD金剛石涂層裝備，還包括待加工產品承載臺和多根熱絲；

其中，所述待加工產品承載臺設置在所述水冷平臺6上；所述熱絲的一端連接所述電極壓板2，另一端穿過所述電極套筒4連接所述熱絲張緊結構5；

所述熱絲張緊結構5，用于使熱絲在加載受熱狀態下保持平直狀態。

所述恒壓電源系統300中設置有反饋裝置；

所述反饋裝置用于保證涂層沉積過程中，熱絲功率及反應氣體放電電壓的穩定性。

所述集成式氣體控制系統400中設置有多個控制微米和納米金剛石涂層沉積反應中反應氣體控制的質量流量計。

所述待加工產品承載臺采用帶孔固定塊105、V型支架107或整體式支撐平臺109。

本發明提供的金剛石涂層制備方法，采用所述的柔性熱絲CVD金剛石涂層裝備。

實施例1

如圖2所示，當采用本發明提供的柔性熱絲CVD金剛石涂層裝備在高速列車車體加工用大直徑(Φ20mm)整體式硬質合金4刃平頭銑刀表面沉積金剛石涂層時，具體為，將21支平頭銑刀102均布于3塊帶孔固定塊105內，放置于水冷平臺6上。7根熱絲101通過7只電極套筒4置于2根電極桿3上，并呈階梯形分布于平頭銑刀102的周圍。利用6塊電極壓板2固定熱絲，7組熱絲張緊結構5保證熱絲在加載受熱狀態下保持平直狀態。水冷平臺6通過冷卻水進口管103和冷卻水出口管104實現冷卻水的循環，保證涂層制備過程中的散熱效果。

具體制備流程如下：

第一：基體的預處理。將上述大直徑整體式銑刀的刃部置于堿溶液超聲處理30min，所述堿溶液為鐵氰化鉀：氫氧化鉀：水＝1：1：10。取出，用去離子水洗凈烘干后，置于酸溶液自然反應1min，所述酸溶液為鹽酸：雙氧水＝3：7。取出，用去離子水洗凈烘干后，置于金剛石微粉(W10)乙醇懸浮液中超聲處理10min，取出，用去離子水洗凈烘干。將刀具插入帶孔固定塊105中，按圖2結構裝夾好熱絲后，將可移動基體平臺推入固定式水冷真空反應室，利用法蘭組件實現可移動基體平臺與固定式水冷真空反應室的密封。

第二：啟動抽氣系統，待固定式水冷真空反應室達到設定壓力后，啟動集成式氣體控制系統，將氫氣和甲烷引入反應室，加載熱絲功率，調節固定式水冷真空反應室中的沉積工藝參數：壓力2000—2200Pa，氫氣流量：1000sccm；甲烷流量：30sccm；熱絲溫度：2100±100℃；沉積時間：10h。制備完成后，取出涂層銑刀，利用ZOLLER刀具測量儀，檢測對比涂層后和預處理后的刀具變化情況。結果表明4刃平頭銑刀的涂層厚度為15±0.1μm，4刃邊的厚度差值為0.05μm，表明所述設備可有效保證涂層的均勻性，進而保證涂層刀具在切削加工中各刃邊的受力均勻性，大幅提高刀具壽命。

實施例2

如圖3所示，當采用本發明提供的柔性熱絲CVD金剛石涂層裝備在銅管拉拔用硬質合金模具內表面沉積納米金剛石涂層，模具的內孔直徑Φ22mm。具體為，6只模具106置于6只V型支架107內，放置于水冷平臺6上。2根熱絲101分別穿過兩組模具106的中心，通過2只電極套筒4置于電極桿3上。利用3塊電極壓板2固定熱絲，2組熱絲張緊結構5保證熱絲在加載受熱狀態下保持平直狀態。水冷平臺6通過冷卻水進口管103和冷卻水出口管104實現冷卻水的循環，保證涂層制備過程中的散熱效果。

具體制備流程如下：

第一：基體的預處理。將上述模具全部置于堿溶液超聲處理30min，所述堿溶液為鐵氰化鉀：氫氧化鉀：水＝1：1：10。取出，用去離子水洗凈烘干后，置于酸溶液自然反應1min，所述酸溶液為鹽酸：雙氧水＝3：7。取出，用去離子水洗凈烘干后，置于金剛石微粉(W5)乙醇懸浮液中超聲處理10min，取出，用去離子水洗凈烘干。將模具置于V型支架上，按圖3結構裝夾好熱絲后，將可移動基體平臺推入固定式水冷真空反應室，利用法蘭組件實現可移動基體平臺與固定式水冷真空反應室的密封。

第二：啟動抽氣系統，待固定式水冷真空反應室達到設定壓力后，啟動氣體控制系統400，將氫氣和甲烷引入反應室，加載熱絲功率，調節反應室中的沉積工藝參數：壓力1000—1200Pa，氫氣流量：1000sccm；甲烷流量：10sccm；氬氣流量：1000sccm熱絲溫度：2000±100℃；沉積時間：10h。制備完成后，取出涂層模具。通過線切割加工截開模具，利用掃描電子顯微鏡檢測模具截面及內表面形貌。內表面呈現團簇狀的納米金剛石典型形貌特征，涂層厚度為10±0.02μm，不同區域處的厚度均勻一致。結果表明所述設備在模具內表面可制備均勻的納米金剛石涂層。

實施例3

如圖4所示，當采用本發明提供的柔性熱絲CVD金剛石涂層裝備在整體式硬質合金平片式刀具表面沉積金剛石涂層時，具體為，將16只平片式刀具108均勻分布于整體式支撐平臺109表面，放置于水冷平臺6上。4根熱絲101等間距分布于平片式刀具108上方，通過4只電極套筒4置于電極桿3上。利用3塊電極壓板2固定熱絲，4組熱絲張緊結構5保證熱絲在加載受熱狀態下保持平直狀態。水冷平臺6通過冷卻水進口管103和冷卻水出口管104實現冷卻水的循環，保證涂層制備過程中的散熱效果。

具體制備流程如下：

第一：基體的預處理。將上述平片式刀具整體置于堿溶液超聲處理30min，所述堿溶液為鐵氰化鉀∶氫氧化鉀∶水＝1∶1∶10。取出，用去離子水洗凈烘干后，置于酸溶液自然反應1min，所述酸溶液為鹽酸：雙氧水＝3：7。取出，用去離子水洗凈烘干后，置于金剛石微粉(W5)乙醇懸浮液中超聲處理10min，取出，用去離子水洗凈烘干。將刀具插入帶孔支架中，按圖4所述裝夾好熱絲后，將可移動基體平臺推入固定式水冷真空反應室，利用法蘭組件實現可移動基體平臺與固定式水冷真空反應室的密封。

第二：啟動抽氣系統，待固定式水冷真空反應室達到設定壓力后，啟動集成式氣體控制系統，將氫氣和甲烷引入反應室，加載熱絲功率，調節固定式水冷真空反應室中的沉積工藝參數：壓力1400—1600Pa，氫氣流量：1000sccm；甲烷流量：30sccm；熱絲溫度：2000±100℃；沉積時間：8h。制備完成后，取出涂層平片式刀具，通過線切割加工截開平片式刀具，利用掃描電子顯微鏡檢測刀具截面及表面形貌。表面呈現錐形的微米金剛石典型形貌特征，涂層厚度為10±0.01μm，截面處的涂層厚度均勻一致。結果表明所述設備在平片式刀具表面可制備高質量的金剛石涂層。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。