金刚石表面双阴极等离子沉积纳米涂层的装备与工艺

摘要

本发明公开了一种双阴极等离子溅射沉积手段在金刚石表面制备纳米涂层的装备以及其制备工艺。该装备包括真空室，双阴极结构，靶材装置、料盘、震荡器，进气口和出气口；双阴极结构包括两个阳极和两个阴极，其中一个阴极连接靶材装置，另一个阴极连接料盘，采用双阴极等离子溅射沉积手段，通过调节靶材和料盘电压以及靶材和料盘中金刚石的距离，控制沉积时间和温度，使靶材金属在金刚石表面形成涂层。本发明通过双阴极等离子溅射沉积手段，所制备的涂层和金刚石有良好的结合力。

说明书

技术领域

本发明涉及金刚石表面处理技术领域，尤其涉及一种双阴极等离子溅射沉积手段在金 刚石表面制备纳米涂层的装备以及其制备工艺。

背景技术

金刚石的高硬度、高耐磨性、高抗压强度以及优异的导热性,使其在金属和硬脆材料 加工工具、磨具领域有非常广泛的应用。如金刚石锯片、砂轮、磨头等。目前金刚石工具 应用较为广泛的一类的主导产品是金属粉末烧结的金刚石工具，是由金刚石与作为结合剂 的金属粉末混合、烧结所制成。由于金刚石与一般的金属或合金间有很高的界面能，致使 金刚石表面不能被一般的金属或合金所浸润，且在高温下金刚石易石墨化和氧化，所以很 难与金属发生冶金结合，金刚石颗粒仅靠物理作用力和机械镶嵌与结合剂结合。在工具使 用过程中，经受高的、间歇的切削力，在磨削力的作用下金刚石磨粒极易脱落，从而使磨 具的使用寿命大打折扣。

提高金刚石与金属粘结剂的结合强度是提高金刚石工具加工效率、使用寿命和金刚石 的利用率的关键。采用表面改性技术，在金刚石磨料表面制备涂层是提高结合剂对金刚石 颗粒把持力的重要手段。

目前金刚石表面改性技术主要有化学镀、化学气相沉积、热蒸发镀、磁控溅射镀、离 子镀、真空微蒸发镀等多种方式。但是上述表面改性技术存在种种问题:

（1）金刚石表面化学镀Ni、Co、Cu不适用于金属结合剂工具，即使镀Ni-W、Co-W合 金的产品也不能用于金属结合剂工具，其原因是Ni、Co为石墨化元素，不能起冶金结合作 用。

（2）普通的物理气相沉积包括热蒸发镀、磁控溅射镀、离子镀等，工艺复杂、单次镀 覆量少，镀层与金刚石之间只是物理附着，没有与金刚石表面形成碳化物，在工具制造的 热压短时间内，难于大面积的化合物键合，所以使用效果不明显。

（3）而化学气相沉积(CVD)以及盐浴镀覆工艺，镀覆过程金刚石受热达到850℃以上， 在高真空条件下，金刚石的强度明显下降，失去工业应用价值。

（4）目前应用较广泛的真空微蒸发镀覆技术同样需要较高的沉积温度，且镀覆的种类 有限（仅限于镀Ti）,所使用的原材料中含有一定的有毒元素三氯化钛易污染环境。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种金刚石表面双阴极等离子沉积纳米涂层的装 备，采用双阴极等离子溅射沉积技术手段，在金刚石颗粒或粉末表面制备纳米金属涂层， 改善金刚石与金属粘结剂的结合强度，提高金刚石工具加工效率、使用寿命和金刚石的利 用率。

一种金刚石表面双阴极等离子沉积纳米涂层的装备，包括有真空室、电源、靶材、监 控部件，在所述的真空室中，料盘设置于靶材的一侧，阳极板设置于靶材的另一侧；所述 的电源在真空室外部，电源上包括有两个阴极，其中一个阴极连接于靶材，另一个阴极连 接于料盘，电源的阳极连接于阳极板，在靶材上还设置有监控部件。

所述的监控部件用于监控沉积温度。

电源上可以包含一个阳极也可以是两个阳极，只要将阳极连接于真空室中的阳极板上 即可。电源采用普通的电源即可。

在使用时，料盘上可以放置金刚石，其可以是颗粒状也可以是粉末状。

作为改进，料盘下方设有震荡器。震荡器可使金刚石颗粒或粉末在沉积中不断翻动， 以保证涂层均匀、无漏镀。震荡器最好设在料盘下方3厘米处。

震荡器可以采用超声波震荡聚能器，它的作用是利用超声波的高频声波产生振荡，超 声输出频率可根据不同工作情况进行微调超声波发生器有频率微调的功能在不同的工况条 件下略微调整使换能器始终工作在最佳状态下，换能效率达到最大，在不同工况下都能达 到最佳效果。

作为改进，真空室上还设有进气口和出气口。其作用是通入惰性气体，

上述的监控部件可以采用热电偶。作为改进，热电偶距离料盘2厘米。热电偶实时监 控沉积工艺下金刚石表面附近的温度。

作为改进，靶材和金刚石之间的距离为10-20mm，优选15mm。

作为改进，真空室侧壁设有观察口。

作为改进，双阴极结构连接有操作台，用于控制双阴极结构的电流和电压。

本发明还提供了一种金刚石表面沉积纳米涂层的工艺，采用双阴极等离子溅射沉积手 段，通过调节靶材和料盘电压以及靶材和料盘中金刚石的距离，通入氩气，控制沉积时间 和温度，使靶材金属在金刚石表面形成涂层。

具体包括以下步骤：在真空室中放置靶材，靶材的一侧的料盘上放置金刚石，靶材的 另一侧设置阳极板；靶材和料盘分别连接于双阴极电源的一个阴极上，阳极板连接于电源 的阳极；对靶材和料盘进行双阴极等离子溅射，得到表面涂覆纳米涂层的金刚石，涂层包 括外层和内层，外层为晶粒尺寸为10-100纳米的金属层，内层是厚度90-110纳米的金属 碳化物层。

作为优选，沉积工艺参数如下：

作为优选，沉积工艺参数如下：

作为优选，所述的靶材是Ti、Cr、Mo、Nb、Zr的一种或几种。以金属为靶材，靶材中 无对环境有害的元素。

作为优选，惰性气体为氩气，氩气气压优选35Pa。

本发明的装备具有如下特点：在放置金刚石的料盘下方安装震荡器，使金刚石颗粒或 粉末在沉积中不断翻滚，从而使得靶材均匀的沉积在金刚石颗粒或粉末上，最终制成涂层 均匀性能好的产品；同时将欲沉积的金刚石和震荡器的距离调节在合理的位置，可以达到 更好的沉积效果。所述装备经试验，一次沉积金刚石数量至少可达20公斤，沉积效率达到 500纳米/小时，与现有的沉积方法如PVD物理沉积方法相比，沉积效率得到很大的提高， 单次即可大批量镀覆涂层。

本发明的工艺具有如下特点：首先在靶材的选择上，以金属为靶材，靶材中无对环境 有害的元素，避免了现有技术在镀覆涂层的同时污染环境的问题，还可以根据金属粘结剂 的不同，选择不同的金属靶材的成分，使金属靶材和金属粘结剂相互配合，更好的改善金 刚石和金属粘结剂之间的结合强度。该工艺通过选择合适的工艺参数，如控制温度在 500-600℃，避免金刚石在内部包裹体触媒作用下，因发生石墨化而导致强度降低，以及调 整金刚石和震荡器、金刚石和靶材之间的距离，实现了涂层的双层结构，外层的金属层有 利于改善在烧结过程中与金属粘结剂的浸润性，并缩短烧结时间，而金属碳化物层由外延 生长所形成，能进一步改善把持力。

本发明通过双阴极等离子溅射沉积手段，从而在金刚石表面制备金属涂层，且对金属 类型不限，针对任意金属均可制备纳米涂层。与普通的物理沉积不同，本发明是在金属涂 层和金刚石之间通过化学反应形成一层金属碳化物过渡层，实现涂层和金刚石之间良好的 结合；而且低温沉积保证了金刚石的强度。本发明的装备能满足单次大批量镀覆的要求， 涂层均匀、无漏镀，且所使用的原材料不污染环境。所述装备能满足单次大批量镀覆的要 求，一次沉积金刚石数量可达20公斤以上，沉积效率高达到500纳米/小时。

附图说明

图1为金刚石表面双阴极等离子沉积纳米涂层的装备示意图。

图2为所沉积的涂层的结构示意图。

其中1是阳极板、2是操作台、3是电源、4是出气口、5是进气口、6是观察口、7是 真空室、8是料盘、9是靶材装置、10是热电偶、11是靶材、12是超声波震荡聚能器、13 是金属碳化物层、14是金属层。

具体实施方案

下面结合附图对本发明作进一步详细介绍。

一种金刚石表面双阴极等离子沉积纳米涂层的装备，用于在金刚石（人造或天然）颗 粒或粉末表面制备纳米金属涂层，该装备包括有电源3和真空室7，设在真空室7内部的靶 材装置9、料盘8、超声波震荡聚能器12、热电偶10，设在真空室7底部的进气口5和出 气口4，氩气通过进气口5进入真空室7，真空室7侧壁还设有一个观察口6，用于观察真 空室内部情况。在所述的真空室中，料盘8设置于靶材11的一侧，阳极板1设置于靶材11 的另一侧；所述的电源3在真空室7外部，电源3上包括有两个阴极，其中一个阴极连接 于靶材11，另一个阴极连接于料盘8，电源3的阳极连接于阳极板1，在靶材11上还设置 有热电偶10。

料盘8下方3厘米处设有超声波震荡聚能器12，超声波震荡聚能器12控制金刚石颗粒 或粉末不断翻动；离料盘8两厘米处设有热电偶10，热电偶10监控沉积工艺下金刚石表面 附近的温度。料盘8内放置金刚石颗粒或粉末，靶材装置9上放置靶材，靶材可以是金属 或合金，如Ti,Cr,Mo,Nb,Zr或它们之间形成的合金。

双阴极结构的电压和电流可以通过操作台2进行调控，双阴极结构中的一个阴极连接 靶材装置9，另一个阴极连接料盘8，料盘8和靶材装置9可以设置两个。

所述装备能满足单次大批量镀覆的要求，一次沉积金刚石数量可达20公斤以上，沉积 效率高达到500纳米/小时。

金刚石表面沉积纳米涂层的工艺，采用上述双阴极等离子沉积纳米涂层的装备，靶材的一 侧的料盘上放置金刚石，靶材的另一侧设置阳极板；靶材和料盘分别连接于双阴极电源的 一个阴极上，阳极板连接于电源的阳极；对靶材和料盘进行双阴极等离子溅射，从进气口 向真空室内通入氩气，选择下表1的溅射沉积工艺参数，进行双阴极等离子溅射沉积。沉 积的涂层由外层的金属层14和内层的金属碳化物层13构成。

表1  双阴极等离子溅射沉积工艺参数：

上述的实施例中的带涂层的金刚石与未镀敷的金刚石比较，通过切割实验、耐磨性能 试验以及对热冲击的强度试验，测试各自的效率。结果见下表2。

表2

金刚石颗粒或粉末经过双阴极等离子溅射镀钛前后采用三维显微镜对其表面形貌进行 观察，观察结果如下表3所示。

金刚石颗粒或粉末经过双阴极等离子溅射镀钛前后采用扫描电子显微镜对其表面形貌 进行观察，观察结果如下表3所示。

表3

静压强度试验：

测试未镀敷的金刚石的静压强度为31.2kg，按照实施例1制得的双阴极等离子溅射沉 积纳米金属层，测试静压强度为33.4kg。

由于双阴极等离子溅射沉积纳米金属层，沉积温度较低，避免了金刚石在内部包裹体 触媒作用下，因发生石墨化而导致强度降低。