内表面低粗糙度金刚石复合涂层细长管制备方法技术

一种内表面低粗糙度金刚石复合涂层细长管制备方法，其特征在于该制备方法采用电子增强热丝化学气相沉积（ＣＶＤ）法对钨棒料基体进行金刚石复合涂层制备，通过腐蚀去除钨棒料基体后获得自支撑金刚石细管，采用比自支撑金刚石细管略大的钢管或铝管作为细长管的外壳，套在自支撑金刚石细管外，并在自支撑金刚石细管与外壳之间由改性的环氧树脂粘结剂填充，由此形成内表面由低粗糙度金刚石复合涂层组成的细长管。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种金刚石涂层细长管制备方法，特别是一种采用电子增强热丝化学气相沉积(CVD，Chemical Vapour Deposition)法进行内表面低粗糙度金刚石复合涂层细长管制备的方法，属于耐磨器件金刚石涂层制备

技术介绍
金刚石具有一系列优异性能，它具有非常高的硬度、高的弹性模量、极高的热导率、低的摩擦系数、低热膨胀系数和化学稳定性以及极好的抗酸、抗碱、抗各种腐蚀性气体侵蚀的优异性能，因而在切削刀具和耐磨器件的制备方面得到广泛的应用。作为外表面涂层耐磨材料，金刚石薄膜已成功应用于磁盘和光盘的保护层、精密冲剪模具表面涂层防护和汽车发动机上易磨损机械构件涂层等。其实，金刚石薄膜作为最理想的工具和耐磨材料，还体现在将其应用于许多往往是内表面要求耐磨和润滑的场合，如拉丝模、细长管、喷嘴等。而在实际生产过程中，上述工具均会因磨损严重而使生产效率和加工质量等受到严重影响。聚晶金刚石和厚膜金刚石已开始用于孔径在2毫米以内的拉丝模和喷嘴的制备，聚晶金刚石细长管也有商品问世，磨损的问题得到解决，但产品的制造设备投资规模大，使得产品价格十分昂贵。对于大孔径的拉丝模和喷嘴的制备则很少使用聚晶金刚石和厚膜金刚石材料。日益成熟的热丝化学气相沉积(CVD)金刚石涂层技术给大孔径内表面耐磨件的制备带来希望，它具有面积大、形状随意和成本低等优点，因而是实现大孔径内表面耐磨件产业化制备的关键。作为易磨损件的拉丝模、滑动轴承、喷嘴和细长形喷管等，如果应用金刚石薄膜作为耐磨材料，则其功能的失效与否主要依赖于内表面金刚石薄膜的磨损程度，因而金刚石薄膜的摩擦磨损特性成为关心的首要问题。有关研究表明，金刚石薄膜的摩擦磨损特性与涂层表面的粗糙度密切相关，而要在细长管内表面获得低粗糙度金刚石薄膜在涂层工艺上将是一个难题，目前在实际生产上没有成功应用的例子。
技术实现思路
为了克服现有的细长管内表面在工作时因磨损严重而使细长管工作寿命、生产效率和加工质量等受到严重影响的不足，本专利技术提供一种采用电子增强热丝化学气相沉积(CVD)法进行内表面低粗糙度金刚石复合涂层细长管制备的方法，该方法不仅能在细长管内表面获得高附着强度的耐磨金刚石涂层，而且能够通过适当的工艺方法有效地降低内表面金刚石涂层的粗糙度，从而极大地改善其摩擦性能，提高了细长管工作寿命、生产效率和加工质量等。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是首先根据所需要的细长管内径选择适当直径的易生长金刚石的钨棒料作为基体，通过表面抛光处理使得钨棒料基体表面尽可能光滑，然后采用电子增强热丝CVD法，应用分阶段沉积工艺，对钨棒料基体进行金刚石复合涂层的制备，在金刚石沉积初期以提高金刚石的形核率为主，通过提高碳源气体的浓度、降低基体温度以及降低沉积室气压以促进二次形核增多，晶粒细化，生成以<100>晶向为主、晶形较差、晶粒细小的纳米球状晶粒，而在金刚石沉积中后期则要降低碳源气体的浓度、提高基体温度，在已生长的金刚石涂层上再原位沉积生长一层<111>晶向、晶粒粗壮、结晶性好的金刚石多晶膜。通过以上工艺措施，可以在钨棒料基体上沉积制备得到一层约10～50μm厚的金刚石复合涂层。然后采用腐蚀法除去钨棒料基体以制备获得具有一定壁厚的自支撑金刚石细管，由于沉积前钨棒料基体经过表面抛光处理并在金刚石涂层沉积初期采用特殊工艺参数细化金刚石晶粒，从而使得经腐蚀后所制备的自支撑金刚石细管涂层内表面非常光滑。再将符合直径尺寸要求的钢管或铝管作为细长管的外壳，用制备的自支撑金刚石细管作为内壳，在自支撑金刚石细管与外壳之间由改性的环氧树脂填充，承受并释放作用在金刚石复合涂层内表面的外载荷，避免因应力集中导致金刚石涂层破裂失效，由此形成内表面由低粗糙度金刚石复合涂层组成的细长管。本专利技术的有益效果是，该方法不仅能在细长管内层工作面获得高附着强度的耐磨金刚石涂层，而且通过工艺控制能有效地降低自支撑金刚石细管内表面粗糙度，从而极大地改善其摩擦性能，提高细长管工作寿命、生产效率和加工质量等。本方法操作简单、应用方便，产业化前景光明，因而具有显著的经济效益。具体实施例方式下面结合在内表面获得细晶粒低粗糙度金刚石薄膜的内表面低粗糙度金刚石复合涂层细长管制备实例，对本专利技术的具体实施作进一步的描述。第一步首先根据所需要的细长管内径选择相应直径的易生长金刚石的钨棒料作为基体，通过表面抛光处理使得钨棒料基体表面尽可能光滑。第二步将经过表面抛光处理后的钨棒料基体置于电子增强CVD反应室中，采用电子增强热丝CVD法进行细晶粒金刚石涂层。热灯丝采用φ0.6毫米的钽丝，用耐高温弹簧拉直，反应室抽真空后通入反应气体(氢气和丙酮)，调整反应室压力后开始CVD沉积细晶粒金刚石涂层。涂层工艺参数为压力0.5-2KPa，反应气体总流量200-400毫升/分，丙酮/氢气的体积比(碳源浓度)为2％-6％，灯丝温度为2000℃，偏流为1A，添加惰性气体氩气(Ar)，氩气/氢气(Ar/H2)的体积比为0.5-1.5。相对传统的CVD金刚石涂层工艺而言，由于降低了反应气体压力、增加了碳源浓度和添加惰性气体，因而可大大增加金刚石二次成核的速度，由此沉积得到了细小晶粒的纳米金刚石涂层，晶体颗粒大小约50-100纳米，涂层表面较光滑平整，摩擦系数小，硬度也有所下降。经过2小时后，得到厚约5微米的细晶粒金刚石涂层。第三步进行粗晶粒金刚石涂层。当细晶粒金刚石涂层达到5微米后，开始原位沉积粗晶粒金刚石涂层。此时钨棒料基体不必从电子增强热丝CVD反应室中取出，只需改变工艺条件即提高反应气体压力，降低碳源浓度和去除惰性气体氩气就行了。反应气体压力可提高到4-10KPa，碳源浓度降低到1-3％，去除氩气，同时适当提高灯丝温度到2200℃。通过改变以上工艺参数可以极大提高反应气氛中氢离子的浓度，增强了对金刚石生长过程中石墨和无定形碳等刻蚀，从而促使金刚石晶粒由晶形较差、晶粒细小的<100>晶向纳米球状晶粒向晶粒粗壮、结晶性好的<111>晶向三角形(混杂有四方形)粗晶粒转变。经过4小时沉积后，由此制备得到一层厚约15微米的粗晶粒金刚石涂层，涂层表面非常粗糙，摩擦系数大，硬度高，这样有利于提高金刚石涂层的质量，并能更好地与环氧树脂粘结剂结合。第四步将沉积有金刚石复合涂层的钨棒料从电子增强热丝CVD反应室中取出，放入到盛有腐蚀液的容器中以除去钨棒料基体，从而制备得到自支撑金刚石细管。腐蚀液配制方案为比重为1.19的盐酸与浓度为30％的双氧水的体积配比为1∶1。第五步从盛有腐蚀液的容器中取出自支撑金刚石细管后，为增加金刚石涂层与环氧树脂间的结合力，还要对制备得到的自支撑金刚石细管进行以下表面处理(1)氧等离子体表面处理，以除去涂层外表面的无定形碳，并在局部区域产生碳-氧(C＝O)键，使涂层与环氧树脂相湿润；(2)在涂层外表面溅射能与金刚石生成碳化物的钛(Ti)或铬(Cr)金属，并涂覆含Ti的单烷氧基型钛酸酯偶联剂。第六步再将比自支撑金刚石细管略大的钢管或铝管作为细长管的外壳，套在所制备的自支撑金刚石细管外，在自支撑金刚石细管与外壳之间由改性的缩水甘油醚类二酚基丙烷型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明，孙方宏，张志明，简小刚，马玉平，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：