專(zhuān)利名稱(chēng)：金剛石薄膜涂層軸承支撐器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)械制造技術(shù)領(lǐng)域的制備方法，具體是一種金剛石薄膜涂層軸承支撐器的制備方法。
背景技術(shù)：
化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石薄膜具有十分接近天然金剛石的硬度、高的彈性模量、極高的熱導(dǎo)率、良好的自潤(rùn)滑性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，在硬質(zhì)合金軸承器表面涂覆金剛石薄膜，能延長(zhǎng)傳統(tǒng)軸承器的使用壽命、提高軸承生產(chǎn)效率并改善軸承產(chǎn)品的質(zhì)量。CVD金剛石從耐磨性、摩擦系數(shù)、表面光潔度以及其他化學(xué)穩(wěn)定性指標(biāo)，均比人造聚晶金剛石(PCD)材料有很大的優(yōu)勢(shì)，是一種更好的耐磨材料。CVD金剛石涂層軸承支撐器是在硬質(zhì)合金基體上直接沉積金剛石薄膜，因而適用于制造復(fù)雜形狀的軸承支撐器。金剛石薄膜涂層在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于WC-Co硬質(zhì)合金基體，高性能金剛石薄膜與硬質(zhì)合金基體之間的附著力是關(guān)鍵，現(xiàn)有技術(shù)從表面處理、減少Co的不利影響、施加中間過(guò)渡層等各方面來(lái)提高它們的附著力。在保證金剛石薄膜與襯底之間的附著力前提條件下，金剛石薄膜表面粗糙度就成為影響其性能的關(guān)鍵因素。常規(guī)CVD金剛石薄膜是由微米級(jí)柱狀<111>、<100>等取向、晶粒粗壯、結(jié)晶性好的金剛石多晶晶粒組成的，在CVD沉積過(guò)程中，金剛石晶粒沿某些晶面擇優(yōu)生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致晶粒粗大且不均勻，表面凸凹不平，因而薄膜表面十分粗糙(平均表面粗糙度Ra≥1微米)，高粗糙度的薄膜表面使摩擦系數(shù)大幅度增大，被支撐工件材料很容易嵌入粗大的金剛石晶粒之間使摩擦系數(shù)大幅度增大，從而造成支撐器工作面摩擦磨損加劇，導(dǎo)致使用壽命明顯減小，影響軸承加工精度和表面質(zhì)量。金剛石薄膜進(jìn)行拋光難度很大，而且反過(guò)來(lái)會(huì)影響金剛石薄膜質(zhì)量和附著力，特別對(duì)于復(fù)雜形狀金剛石薄膜涂層而言，拋光問(wèn)題難以解決，極大地限制了金剛石薄膜作為復(fù)雜形狀工模具和耐磨器件涂層的應(yīng)用。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專(zhuān)利號(hào)ZL99257548.6，名稱(chēng)“精密軸承支撐器”，該專(zhuān)利中提到了一種CVD厚膜制造軸承支撐器的方法，采用化學(xué)氣相沉積金剛石膜片(0.2-1.0mm厚度)焊接在硬質(zhì)合金塊上作為摩擦固定塊，該摩擦固定塊焊接在帶有懸臂的鋼基體上制成軸承支撐器。該方法只適用于制備平面型軸承支撐器，由于成本高，加工制造困難，不能適應(yīng)復(fù)雜形狀支撐器的要求等不足之處，尚未廣泛推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，提供一種金剛石薄膜涂層軸承支撐器的制備方法，使其解決目前廣泛使用的硬質(zhì)合金軸承支撐器易磨損，壽命短，消耗大以及易劃傷軸承表面等突出問(wèn)題。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，在熱絲CVD沉積金剛石薄膜的基礎(chǔ)上，，采用基體表面去鈷和粗化、脫碳和還原處理、反應(yīng)氣體中添加粘結(jié)促進(jìn)劑預(yù)處理，通過(guò)控制CVD涂層工藝參數(shù)，金剛石沉積初期，在硬質(zhì)合金襯底上以提高成核密度為主；金剛石生長(zhǎng)中間階段，以生長(zhǎng)<111>、<100>晶粒取向的涂層質(zhì)量好、附著力強(qiáng)的常規(guī)金剛石多晶膜為主；金剛石沉積后期，通過(guò)降低反應(yīng)氣體壓力、增加碳源濃度、在反應(yīng)系統(tǒng)中通入氮?dú)猓谝延械慕Y(jié)晶性好的金剛石多晶膜上再原位生長(zhǎng)一層由超細(xì)微晶聚集而成的球狀金剛石晶粒薄膜，有效降低金剛石薄膜表面粗糙度，最終在原有硬質(zhì)合金支撐塊表面，獲得能滿(mǎn)足附著力要求的光滑金剛石薄膜，將該金剛石薄膜涂層支撐塊粘接在粘結(jié)在鋼支架上制成金剛石薄膜涂層軸承支撐器。
所述的硬質(zhì)合金支撐塊基體表面去鈷和粗化，是指用10％稀鹽酸浸泡，并加入少量腐蝕促進(jìn)劑以去除表層的鈷，再用金剛石砂紙和粒度為1μm和5μm金剛石混合微粉對(duì)軸承支撐器工作面打磨粗化。
所述的基體表面脫碳還原，是指在微波CVD設(shè)備中對(duì)襯底表面進(jìn)行Ar-H2等離子刻蝕脫碳處理，脫碳處理工藝參數(shù)為微波功率500W，反應(yīng)室氫氣壓力12Torr，刻蝕時(shí)間15min，Ar/H2＝1∶1。襯底表面部分WC顆粒發(fā)生脫碳，還原成W。
所述的反應(yīng)氣體中添加粘結(jié)促進(jìn)劑，是指采用硼酸三甲酯液體硼源均勻涂覆在襯底表面，同時(shí)又作為滲硼氣源在涂層過(guò)程中引入含硼的氣相，起到金剛石薄膜附著力促進(jìn)劑的作用。
本發(fā)明將硬質(zhì)合金支撐塊置入反應(yīng)室中，熱絲采用多根平行均布直拉鉭絲(φ0.6mm)，用耐高溫彈簧拉直，并保持同一平面，熱絲與襯底距離5mm，以保證襯底溫度的均勻性，反應(yīng)氣體采用氫氣和丙酮，丙酮的體積比為1％。金剛石沉積初期，熱絲功率1400W，熱絲與襯底之間施加直流負(fù)偏壓(熱燈絲為負(fù)極，偏壓-150V)，偏流為0.3A/cm2，襯底表面溫度為800℃，成核時(shí)間為25min，反應(yīng)壓力為99Torr；金剛石生長(zhǎng)中間階段，熱絲功率1600W，熱絲與襯底之間施加直流負(fù)偏壓50V，偏流為0.1A/cm2，襯底表面溫度為850℃，反應(yīng)壓力為96Torr，經(jīng)過(guò)5小時(shí)沉積，基體表面沉積獲得15微米常規(guī)金剛石涂層；金剛石沉積后期，在沉積好常規(guī)金剛石涂層的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變CVD沉積工藝條件，即通過(guò)降低反應(yīng)氣體壓力、增加碳源濃度、在反應(yīng)系統(tǒng)中通入30％氮?dú)馊?xiàng)措施，可原位繼續(xù)沉積由超細(xì)微晶聚集而成的球狀金剛石晶粒薄膜，有效金剛石薄膜表面的粗糙度，此時(shí)工藝參數(shù)改變?yōu)楸捏w積比為3％，反應(yīng)壓力為100Torr，熱絲功率1400W，偏流為0，襯底表面溫度為800℃，N/C比為0.1，經(jīng)過(guò)2小時(shí)沉積，上述常規(guī)金剛石涂層表面再沉積獲得5微米厚超細(xì)微晶球狀金剛石晶粒薄膜。
本發(fā)明以硬質(zhì)合金WC-Co(牌號(hào)為YG6、YG8)為軸承支撐器基體，提出了基體表面去鈷和粗化、脫碳和還原處理、反應(yīng)氣體中添加粘結(jié)促進(jìn)劑等預(yù)處理新技術(shù)，有效地抑制了襯底中粘結(jié)相Co的負(fù)面影響，很好地解決了硬質(zhì)合金襯底沉積金剛石涂層附著力低的難題，對(duì)于提高金剛石薄膜涂層的附著力有明顯效果，獲得了滿(mǎn)足實(shí)用要求、性能優(yōu)越的CVD金剛石涂層。在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明采用熱絲CVD法，通過(guò)控制CVD涂層工藝參數(shù)，金剛石沉積初期，熱絲與襯底之間施加直流負(fù)偏壓(熱燈絲為負(fù)極，-150V)，在硬質(zhì)合金襯底上以提高成核密度為主；金剛石生長(zhǎng)中間階段，以生長(zhǎng)<111>、<100>晶粒取向的涂層質(zhì)量好、附著力強(qiáng)的常規(guī)金剛石多晶膜為主；在后期通過(guò)降低反應(yīng)氣體壓力、增加碳源濃度、在反應(yīng)系統(tǒng)中通入一定比例的氮?dú)獾却胧?，在已有的結(jié)晶性好的金剛石多晶膜上再原位生長(zhǎng)一層由超細(xì)微晶聚集而成的球狀金剛石晶粒薄膜，以有效降低金剛石薄膜表面粗糙度，最終達(dá)到在硬質(zhì)合金襯底表面，獲得能滿(mǎn)足附著力要求的光滑金剛石薄膜的目的，CVD金剛石涂層表面粗糙度控制在Ra≤0.2微米的數(shù)量級(jí)以下，制備的CVD金剛石薄膜涂層新型軸承支撐器在實(shí)際應(yīng)用中顯示出優(yōu)異的性能。
本發(fā)明通過(guò)選擇合理的預(yù)處理方法和有效控制CVD沉積工藝，獲得既能滿(mǎn)足金剛石薄膜附著力要求，又具有光滑薄膜表面的性能優(yōu)越的金剛石涂層，應(yīng)用于硬質(zhì)合金基體軸承支撐器涂層技術(shù)，制備高性能新型金剛石涂層軸承支撐器，解決目前廣泛使用的硬質(zhì)合金軸承支撐器易磨損，壽命短，消耗大以及易劃傷軸承表面等突出問(wèn)題，對(duì)軸承產(chǎn)品的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率提高有重要價(jià)值，在軸承加工領(lǐng)域具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
本發(fā)明的有益效果表現(xiàn)為CVD金剛石薄膜涂層新型軸承支撐器壽命長(zhǎng)，耐用度高，停機(jī)次數(shù)和生產(chǎn)輔助時(shí)間顯著減少，與硬質(zhì)合金、陶瓷等材料相比，金剛石與鋼鐵材料之間的摩擦系數(shù)明顯減小，減少了與工件之間的摩擦阻力，不會(huì)對(duì)工件表面產(chǎn)生劃傷，并能保持工件原有的精度和光亮度，廢品率下降，綜合經(jīng)濟(jì)效益大大提高。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合YG6、YG8硬質(zhì)合金為軸承支撐器基體，制備CVD金剛石涂層的軸承支撐器的實(shí)例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步描述1.用10％稀鹽酸浸泡，并加入1％腐蝕促進(jìn)劑以去除表層的鈷，襯底表層Co的含量減少到1％以下。由于鈷具有催石墨化作用，其含量的降低對(duì)促進(jìn)金剛石薄膜的成核、生長(zhǎng)以及提高薄膜與襯底間附著力有明顯效果。再用金剛石砂紙和粒度為1μm和5μm金剛石混合微粉對(duì)軸承支撐器工作面打磨粗化，增加金剛石在襯底上的成核密度，提高金剛石薄膜與襯底之間的附著力。
2.在微波CVD設(shè)備中對(duì)襯底表面進(jìn)行Ar-H2等離子刻蝕脫碳處理，脫碳處理工藝參數(shù)為微波功率500W，反應(yīng)室氫氣壓力12Torr，刻蝕時(shí)間15min，Ar/H2＝1∶1。襯底經(jīng)微波還原處理后，襯底表面部分WC顆粒發(fā)生脫碳，還原成W，而在金剛石薄膜沉積的初期，襯底WC顆粒分解變成的W又再次碳化，產(chǎn)生化學(xué)鍵合形成新的WC晶粒，在金剛石和襯底之間形成自然過(guò)渡層，既有利于減小涂層應(yīng)力，又可使金剛石晶粒嵌入到WC晶界之中，增大了金剛石和襯底間的接觸面積，使薄膜和襯底之間產(chǎn)生“釘扎效應(yīng)”，從而提高金剛石薄膜與襯底之間的附著力。
3.采用硼酸三甲酯液體硼源均勻涂覆在襯底表面，同時(shí)又作為滲硼氣源在涂層過(guò)程中引入含硼的氣相，起到金剛石薄膜附著力促進(jìn)劑的作用，在CVD沉積過(guò)程中，硼源汽化極易與擴(kuò)散至襯底表面Co反應(yīng)，形成Co的擴(kuò)散障礙層，達(dá)到動(dòng)態(tài)抑制Co的催石墨化作用對(duì)附著力的不利影響，使金剛石薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和附著力得到明顯改進(jìn)，并有利于減小涂層應(yīng)力。
4.將軸承支撐器基體置于反應(yīng)室中，熱絲采用多根平行均布直拉鉭絲(φ0.6mm)，用耐高溫彈簧拉直，并保持同一平面，熱絲與襯底距離5mm，以保證襯底溫度的均勻性。反應(yīng)氣體采用氫氣和丙酮，丙酮的體積比為1％。金剛石沉積初期，熱絲功率1400W，熱絲與襯底之間施加直流負(fù)偏壓(熱燈絲為負(fù)極，偏壓-150V)，偏流為0.3A/cm2，襯底表面溫度為800℃，成核時(shí)間為25min反應(yīng)壓力為99Torr。金剛石生長(zhǎng)中間階段，熱絲功率1600W，熱絲與襯底之間施加直流負(fù)偏壓50V，偏流為0.1A/cm2，襯底表面溫度為850℃，反應(yīng)壓力為96Torr，經(jīng)過(guò)5小時(shí)沉積，基體表面沉積得15微米常規(guī)金剛石涂層。
5.金剛石沉積后期，在沉積好常規(guī)金剛石涂層的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變CVD沉積工藝條件，即通過(guò)降低反應(yīng)氣體壓力、增加碳源濃度、在反應(yīng)系統(tǒng)中通入30％比例的氮?dú)?，原位繼續(xù)沉積由超細(xì)微晶聚集而成的球狀金剛石晶粒薄膜，有效金剛石薄膜表面的粗糙度，工藝參數(shù)為丙酮的體積比為3％，反應(yīng)壓力為1O0Torr，熱絲功率1400W，偏流為0，襯底表面溫度為800℃，N/C比為0.1，經(jīng)過(guò)2小時(shí)沉積，上述常規(guī)金剛石涂層表面再沉積得5微米厚超細(xì)微晶球狀金剛石晶粒薄膜。
6.將硬質(zhì)合金軸承支撐器基體粘結(jié)在支架上，并保證尺寸位置精度的要求。
采用以上措施制備的CVD金剛石薄膜涂層軸承支撐器，薄膜表面晶粒度小于1微米，表面粗糙度下降到Ra 0.1678μm，薄膜臨界載荷均為150Kg，涂層的附著力高，金剛石薄膜質(zhì)量好。
硬質(zhì)合金軸承支撐器支撐軸承外圓，磨削2000件時(shí)支撐點(diǎn)處有明顯的凹痕，軸承支撐器磨損很快，磨損量達(dá)0.07mm，且軸承圈出現(xiàn)凹痕、劃傷等缺陷，影響軸承圈的表面質(zhì)量，所磨削的φ30的軸承圈圓度誤差值為5.3μm。而CVD金剛石涂層軸承支撐器連續(xù)磨削20000件，磨損量?jī)H為0.005mm，φ30的軸承圈圓度誤差值為0.72μm，對(duì)軸承圈的加工精度和表面質(zhì)量影響很小，由此表明在相同加工條件下CVD金剛石涂層支撐器比硬質(zhì)合金支撐器的使用壽命大幅度提高，耐磨性能顯著改善，軸承圈外表面無(wú)明顯劃痕，加工質(zhì)量顯著改善。
權(quán)利要求
1.一種金剛石薄膜涂層軸承支撐器的制備方法，其特征在于，在熱絲CVD沉積金剛石薄膜的基礎(chǔ)上，采用基體表面去鈷和粗化、脫碳和還原處理、反應(yīng)氣體中添加粘結(jié)促進(jìn)劑預(yù)處理，通過(guò)控制CVD涂層工藝參數(shù)，金剛石沉積初期，在硬質(zhì)合金襯底上以提高成核密度為主；金剛石生長(zhǎng)中間階段，以生長(zhǎng)<111>、<100>晶粒取向的涂層質(zhì)量好、附著力強(qiáng)的金剛石多晶膜為主；金剛石沉積后期，通過(guò)降低反應(yīng)氣體壓力、增加碳源濃度、在反應(yīng)系統(tǒng)中通入氮?dú)?，在已有的金剛石多晶膜上再原位生長(zhǎng)一層由超細(xì)微晶聚集而成的球狀金剛石晶粒薄膜，最終在硬質(zhì)合金襯底表面，獲得滿(mǎn)足附著力要求的光滑金剛石薄膜，將該金剛石薄膜涂層支撐塊粘接在鋼支架上制成金剛石薄膜涂層軸承支撐器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石薄膜涂層軸承支撐器的制備方法，其特征是，所述的基體表面去鈷和粗化，是指用10％稀鹽酸浸泡，并加入腐蝕促進(jìn)劑去除表層的鈷，再用金剛石砂紙和粒度為1μm和5μm金剛石混合微粉對(duì)軸承支撐器工作面打磨粗化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石薄膜涂層軸承支撐器的制備方法，其特征是，所述的基體表面脫碳，是指在微波CVD設(shè)備中對(duì)襯底表面進(jìn)行Ar-H2等離子刻蝕脫碳處理，脫碳處理工藝參數(shù)為微波功率500W，反應(yīng)室氫氣壓力12Torr，刻蝕時(shí)間15min，Ar/H2＝1∶1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石薄膜涂層軸承支撐器的制備方法，其特征是，所述的反應(yīng)氣體中添加粘結(jié)促進(jìn)劑，是指采用硼酸三甲酯液體硼源均勻涂覆在襯底表面，同時(shí)又作為滲硼氣源在涂層過(guò)程中引入含硼的氣相，起到金剛石薄膜附著力促進(jìn)劑的作用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石薄膜涂層軸承支撐器的制備方法，其特征是，將軸承支撐器基體置于反應(yīng)室中，熱絲采用多根平行均布直拉鉭絲φ0.6mm，用耐高溫彈簧拉直，并保持同一平面，熱絲與襯底距離5mm，反應(yīng)氣體采用氫氣和丙酮，丙酮的體積比為1％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石薄膜涂層軸承支撐器的制備方法，其特征是，金剛石沉積初期，熱絲功率1400W，熱絲與襯底之間施加直流負(fù)偏壓，熱燈絲為負(fù)極，偏壓-150V，偏流為0.3A/cm2，襯底表面溫度為800℃，成核時(shí)間為25min，反應(yīng)壓力為99Torr。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或者6所述的金剛石薄膜涂層軸承支撐器的制備方法，其特征是，金剛石生長(zhǎng)中間階段，熱絲功率1600W，熱絲與襯底之間施加直流負(fù)偏壓50V，偏流為0.1A/cm2，襯底表面溫度為850℃，反應(yīng)壓力為96Torr，經(jīng)過(guò)5小時(shí)沉積，基體表面沉積獲得15微米多晶金剛石涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或者6或者7所述的金剛石薄膜涂層軸承支撐器的制備方法，其特征是，金剛石沉積后期，在沉積好微米金剛石涂層的基礎(chǔ)上，通過(guò)降低反應(yīng)氣體壓力、增加碳源濃度、在反應(yīng)系統(tǒng)中通入30％氮?dú)?，原位繼續(xù)沉積由超細(xì)微晶聚集而成的球狀金剛石晶粒薄膜，有效降低金剛石薄膜表面的粗糙度，此時(shí)工藝參數(shù)為丙酮的體積比為3％，反應(yīng)壓力為100Torr，熱絲功率1400W，偏流為0，襯底表面溫度為800℃，N/C比為0.1，經(jīng)過(guò)2小時(shí)沉積，上述微米金剛石涂層表面再沉積獲得5微米厚超細(xì)微晶球狀金剛石晶粒薄膜。
全文摘要
一種機(jī)械制造領(lǐng)域的金剛石薄膜涂層軸承支撐器的制備方法，采用基體表面去鈷和粗化、脫碳和還原處理、反應(yīng)氣體中添加粘結(jié)促進(jìn)劑預(yù)處理，通過(guò)控制CVD涂層工藝參數(shù)，金剛石沉積初期，在硬質(zhì)合金襯底上以提高成核密度為主；在金剛石生長(zhǎng)中間階段，以生長(zhǎng)<111>、<100>晶粒取向的涂層質(zhì)量好、附著力強(qiáng)的金剛石多晶膜為主；金剛石沉積后期，通過(guò)降低反應(yīng)氣體壓力、增加碳源濃度、在反應(yīng)系統(tǒng)中通入氮?dú)猓诮饎偸嗑ど显僭簧L(zhǎng)一層由超細(xì)微晶聚集而成的球狀金剛石晶粒薄膜，獲得光滑金剛石薄膜，將該金剛石薄膜涂層支撐塊粘接在粘結(jié)在鋼支架上制成金剛石薄膜涂層軸承支撐器。本發(fā)明軸承支撐器壽命長(zhǎng)，耐用度高，停機(jī)次數(shù)和生產(chǎn)輔助時(shí)間顯著減少。
文檔編號(hào)F16C33/04GK1718853SQ20051002757
公開(kāi)日2006年1月11日 申請(qǐng)日期2005年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月7日
發(fā)明者孫方宏, 張志明, 沈荷生, 郭松壽, 陳明 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)