一种环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法技术

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。本发明专利技术阴极、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。

【技术实现步骤摘要】
一种环状工件内壁沉积金刚石涂层的方法
本专利技术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。
技术介绍
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
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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专利技术作进一步说明。图1是本专利技术工作过程示意图；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。具体实施方式本专利技术方法，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，本专利技术的阴极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专利技术的一个重要特点，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的关系如本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/na、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；/nb、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；/nc、上升沉积台，使阳极上端面离辅助电极下端面10-20mm；/nd、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；/ne、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；/nf、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。/n

【技术特征摘要】
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。


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：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，环状工件内径和...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国华，姜龙，郭辉，董旺，崔玉明，王少岩，马立佳，
申请(专利权)人：河北省激光研究所，
类型：发明
国别省市：河北;13