專利名稱：等離子體化學(xué)氣相沉積法金剛石涂層的溫度測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金剛石涂層技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種利用直流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行金剛石涂層時的溫度測量裝置，利用它可在對硬質(zhì)合金工具表面涂敷金剛石涂層時測量涂層沉積溫度，并使得沉積溫度的控制成為可能。
背景技術(shù)：
以化學(xué)氣相沉積(CVD)方法制備的金剛石涂層具有許多獨特的特性，如高硬度、高彈性模量、低摩擦系數(shù)、高熱導(dǎo)率、寬光學(xué)透過波段、高介電性能、高化學(xué)惰性等，是一種極為優(yōu)異的多功能材料，在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。
將金剛石作為涂層制成的硬質(zhì)合金金剛石涂層工具兼?zhèn)淞私饎偸母哂捕纫约坝操|(zhì)合金的高韌性，是加工技術(shù)領(lǐng)域急需的工具品種。對硬質(zhì)合金工具進(jìn)行金剛石涂層時，可以采用各種CVD方法，其中一種有效的方法即是所謂的直流電弧等離子體CVD方法(中國專利公開號CN 1632166A，專利申請?zhí)?00410101845.6)。
如圖1所示，直流電弧等離子體CVD金剛石涂層技術(shù)可以在相距較遠(yuǎn)的陰陽兩極之間產(chǎn)生一拉長的電弧弧柱，而被涂層的制品被放置在電弧弧柱的周圍。拉長的電弧弧柱大大增加了等離子體的有效面積，可同時對大量的硬質(zhì)合金工具進(jìn)行金剛石涂層處理，因而具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。
如圖1所示，在直流電弧等離子體CVD金剛石涂層設(shè)備中，陰極1、陽極8之間將產(chǎn)生一拉長的電弧弧柱9，它將激發(fā)由氫氣、甲烷以及氬氣等組成的工作氣體。被涂層的硬質(zhì)合金工具可順序安放于圍繞直流電弧弧柱9的制品架10上。在電弧弧柱9的周圍同軸安置有兩只電弧聚焦磁場線圈12、13，由它們提供的軸向強磁場對電弧弧柱9形成約束作用，使其保持于直流電弧等離子體CVD金剛石涂層設(shè)備的軸線位置上。
原則上講，電弧弧柱9對整個設(shè)備軸線的對稱性一方面需要由設(shè)備的制造過程來保證，另一方面，也可以依靠調(diào)整聚焦磁場線圈12、13的位置來調(diào)整。但在實際進(jìn)行金剛石涂層時，涂層沉積溫度的測量以及控制仍然是一個需要認(rèn)真解決的問題。這是因為，一方面，設(shè)備中電弧的位置以及它造成的實際溫度分布并不會是嚴(yán)格對稱的。另一方面，在硬質(zhì)合金工具的金剛石涂層過程中，工具表面的溫度是一個極為重要的工藝參量。
據(jù)估計，最佳的硬質(zhì)合金金剛石涂層的沉積溫度區(qū)間只有830-870℃很小的一個范圍。沉積溫度過低，金剛石涂層的質(zhì)量會較差，涂層中積聚的內(nèi)應(yīng)力也會較大。此時，金剛石涂層的耐磨性不好，它對硬質(zhì)合金工具的附著力也較低；沉積溫度過高，硬質(zhì)合金工具中含有的鈷元素會大量地擴散至工具的表面，這會使金剛石涂層與硬質(zhì)合金工具之間的界面上形成一層無定形結(jié)構(gòu)的碳。此時，金剛石涂層的附著力也會大大降低。
直流電弧等離子體CVD設(shè)備利用了在一維方向上拉長的電弧弧柱作為工作氣體的唯一激發(fā)手段。此時，電弧弧柱對于整個設(shè)備的幾何中心的對稱性以及它所決定的溫度分布，將直接決定大量的硬質(zhì)合金工具金剛石涂層質(zhì)量的高低。從這一意義上來講，金剛石涂層沉積過程中沉積溫度的測量與控制，尤其是對電弧弧柱周圍溫度分布的測量與調(diào)整，在很大程度上決定著使用直流電弧等離子體CVD方法進(jìn)行硬質(zhì)合金工具金剛石涂層的成敗。
在硬質(zhì)合金工具金剛石涂層技術(shù)發(fā)展的早期，并沒有人過多地關(guān)注金剛石涂層沉積溫度的測量和控制問題。這是因為，在多數(shù)情況下，所使用的金剛石涂層設(shè)備只允許對數(shù)量很少的工具同時進(jìn)行金剛石涂層。在這種時候，總可以摸索到一個合適的條件，使工具的金剛石涂層沉積溫度處在所需要的范圍內(nèi)。但在使用直流電弧等離子體CVD設(shè)備進(jìn)行金剛石涂層的情況下，同時要對數(shù)量很大的硬質(zhì)合金工具進(jìn)行金剛石涂層處理，尤其是需要同時測量出直流電弧等離子體CVD設(shè)備中溫度的實際分布，并依據(jù)實時的沉積溫度分布的不均勻性做出及時的調(diào)整。此時，沉積溫度及其分布的準(zhǔn)確、及時測量以及沉積溫度分布的控制和調(diào)整就顯得尤為重要了。
在工業(yè)領(lǐng)域中，獲得廣泛應(yīng)用的溫度測量方法主要有熱電偶的方法和光學(xué)的方法兩種。
對直流電弧等離子體CVD設(shè)備中涂層沉積溫度的測量不能夠采用普通的熱電偶方法。這是因為，在金剛石涂層沉積的CVD環(huán)境中，沉積溫度的高低并不是設(shè)備運行過程中的一個局部特征，而是由相應(yīng)地點處氫原子在受熱表面上的復(fù)合過程中所釋放出來的化學(xué)熱所決定的。受熱表面的面積越大，受熱體的熱容量越小，則測量出來的溫度就會越高。普通熱電偶的尺寸和熱容量都很小，而其外形的不一致性也很大。這樣，尺寸很小的熱電偶會因為其表面不斷接受大量的氫原子而顯現(xiàn)出很大的溫度波動，而其外形的不一致性也會使得同時使用多個熱電偶的時候，并不能準(zhǔn)確地測量出整個CVD設(shè)備中的沉積溫度分布。
對直流電弧等離子體CVD設(shè)備中工具沉積溫度的測量也不能夠采用普通的光學(xué)方法。這是因為，直流電弧等離子體CVD設(shè)備中將產(chǎn)生很強的電弧弧光，它會嚴(yán)重干擾任何光學(xué)測溫技術(shù)的實際應(yīng)用。
為此，本申請?zhí)岢隽艘环N針對使用直流電弧等離子體CVD設(shè)備進(jìn)行金剛石涂層沉積溫度的實用的測溫方法。這種方法對普通的熱電偶測溫方法進(jìn)行了較大的改進(jìn)，這使它可以被方便地應(yīng)用于直流電弧等離子體CVD設(shè)備中對于涂層沉積溫度的測量和控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種利用直流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行金剛石涂層時的溫度測量裝置。它可有效地提高整個直流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積裝置的可控制性。
如圖1、圖2所示，本發(fā)明包括陰極部分1、真空室2、真空泵系統(tǒng)3、壓力測控裝置4、電源5、11、陰極桿6、陰極體7、陽極8、直流電弧弧柱9、制品架10、磁場線圈12、13。在拉長的直流電弧弧柱9的周圍裝置有一金屬圓環(huán)14。在金屬圓環(huán)的內(nèi)孔部位的16、17、18、19處焊接有四個異類金屬制成的導(dǎo)體15。金屬圓環(huán)14和其上焊接的異類金屬導(dǎo)體15都具有較大的熱容量；在圓周方向上，金屬圓環(huán)14和其上的異類導(dǎo)體15間隔90度設(shè)置，保證其對設(shè)備幾何中心的高度對稱性。
在上述結(jié)構(gòu)中，金屬圓環(huán)14實際上起到了感知電弧9對于設(shè)備幾何中心的對稱性的作用，而金屬圓環(huán)14和其上焊接的多個異類金屬導(dǎo)體15實際上起到了多點分布的熱電偶的作用。在電弧弧柱9存在的情況下，圓環(huán)14的內(nèi)孔邊緣將感應(yīng)出相應(yīng)的溫度分布，它直接對應(yīng)于電弧弧柱9在設(shè)備中的對中性。同時，在每個金屬導(dǎo)體以及金屬圓環(huán)之間，將感生出相應(yīng)的熱電勢。金屬圓環(huán)的較大的熱容量以及圓環(huán)的高度對稱性保證了測量出的溫度分布正確地反映了電弧弧柱對于設(shè)備幾何中心的對稱性。在測量上述熱電勢的基礎(chǔ)上，利用電弧聚焦磁場線圈(圖1中的12、13)的平移運動，即可實現(xiàn)金剛石涂層沉積溫度的控制與調(diào)整。
例如，當(dāng)圖2中的直流電弧弧柱9偏離設(shè)備的幾何中心時，在金屬圓環(huán)的16、17、18、19點處將感生出不同的溫度。在圖2所示的情況下，電弧弧柱偏向了上方，因而17點處的溫度將高于16、18、19點，特別是要高于19點的溫度。測量出20、21、22、23點之間的熱電勢，即測量出了16、17、1 8、19點的溫度，也即測量出了電弧弧柱的偏移方向。在此溫度測量的基礎(chǔ)上，利用機械的或是人工的方式，有目的地移動電弧聚焦線圈(圖1中12、13)的位置，使電弧弧柱移向19點，即可實時地調(diào)整電弧弧柱的位置以及電弧周圍的沉積溫度分布。
在直流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積裝置中，可以安置兩個或多個這樣的溫度測量裝置，從而可實時地測量出CVD裝置中沿電弧長度方向的整個溫度分布。
圖2中的金屬圓環(huán)14可采用任何耐高溫的金屬材料制造，但最好使用非鐵磁性的材料，以避免其干擾聚焦磁場線圈產(chǎn)生的磁場。異類金屬制成的導(dǎo)體15可以選用任何與上述金屬圓環(huán)不同的金屬材料來制造，但最好也要是非鐵磁性的材料，且能夠與金屬圓環(huán)一起產(chǎn)生比較大的熱電勢，以便于對于沉積溫度的測量。
本發(fā)明的優(yōu)點在于利用結(jié)構(gòu)上高度對稱、同時又有較大的熱容量的由金屬圓環(huán)和焊接在其上的異類金屬導(dǎo)體組成的組合式熱電偶裝置進(jìn)行直流電弧等離子體CVD金剛石涂層時的沉積溫度測量和調(diào)控，可解決使用該種方法進(jìn)行金剛石涂層過程中沉積溫度測量方面存在的技術(shù)難題。
同時，此裝置還可用于類似的需要測量和控制高度對稱的溫度分布的其他應(yīng)用場合。


圖1是直流電弧等離子體CVD金剛石涂層裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，陰極部分1、真空室2、真空泵系統(tǒng)3、壓力測控裝置4、電源5、11、陰極桿6、陰極體7、陽極8、直流電弧弧柱9、制品架10、磁場線圈12、13。
圖2是本發(fā)明的用于直流電弧等離子體CVD金剛石涂層沉積方法的沉積溫度測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，金屬圓環(huán)14、異類金屬導(dǎo)體15、焊接點兼溫度測量點16、17、18、19，直流電弧弧柱9。
圖3是本發(fā)明的圖2A-A方向的剖視圖。其中，熱電勢測量點20、21、22、23。
具體實施方式
下面，結(jié)合實施例對本申請的技術(shù)方案進(jìn)行簡要的說明。
實施例1將欲涂敷金剛石涂層的制品安置于圖1裝置的制品架10上，采用表1列出的工藝條件對其進(jìn)行金剛石涂層表1金剛石涂層的工藝條件

其中，氬氣是所使用的保護氣體，而氫氣和甲烷則為沉積金剛石所必需的反應(yīng)氣體。調(diào)整真空室內(nèi)的壓力、直流放電電壓、電流分別為1kPa、120V和150A，而欲涂層的制品的表面溫度設(shè)定為850℃。對制品涂層處理6小時，以獲得金剛石涂層。
采用圖2所示的沉積溫度測量裝置進(jìn)行沉積溫度分布的實時測量，并根據(jù)測量得出的溫度分布，機械式地或人工式地調(diào)整圖1所示裝置中的電弧聚集磁場線圈12、13，達(dá)到使沉積溫度在設(shè)備中對稱分布的目的，同時，適當(dāng)調(diào)節(jié)電弧的輸入功率，使金剛石涂層的沉積溫度處于850℃左右，溫度控制的誤差可以達(dá)到10℃以內(nèi)，而溫度測量與控制的反應(yīng)時間可以限制在10秒鐘以內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種等離子體化學(xué)氣相沉積法金剛石涂層的溫度測量裝置，包括陰極部分、真空室、真空泵系統(tǒng)、壓力測控裝置、電源、陰極桿、陰極體、陽極、直流電弧弧柱、制品架、磁場線圈；其特征在于在拉長的直流電弧弧柱(9)的周圍裝置有一金屬圓環(huán)(14)，在金屬圓環(huán)的內(nèi)孔部位(16、17、18、19)處焊接有四個異類金屬制成的導(dǎo)體(15)，在圓周方向上，金屬圓環(huán)(14)和其上的異類導(dǎo)體(15)間隔90度設(shè)置。
2.按照權(quán)利要求1所述的溫度測量裝置，其特征在于金屬圓環(huán)(14)采用耐高溫的金屬材料制造；異類金屬制成的導(dǎo)體(15)選用與金屬圓環(huán)不同的金屬材料來制造。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的溫度測量裝置，其特征在于金屬圓環(huán)(14)采用非鐵磁性的材料，異類金屬制成的導(dǎo)體(15)選用非鐵磁性的材料。
專利摘要一種等離子體化學(xué)氣相沉積法金剛石涂層的溫度測量裝置，屬于金剛石涂層技術(shù)領(lǐng)域。包括陰極部分、真空室、真空泵系統(tǒng)、壓力測控裝置、電源、陰極桿、陰極體、陽極、直流電弧弧柱、制品架、磁場線圈。在拉長的直流電弧弧柱(9)的周圍裝置有一金屬圓環(huán)(14)，金屬圓環(huán)(14)和其上焊接的異類金屬導(dǎo)體(15)都具有較大的熱容量；在圓周方向上，金屬圓環(huán)(14)和其上的異類導(dǎo)體(15)間隔90度設(shè)置，保證其對設(shè)備幾何中心的高度對稱性。本實用新型的優(yōu)點在于利用結(jié)構(gòu)上高度對稱、同時又有較大的熱容量的組合式溫度測量裝置，可克服使用直流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積裝置對大量工件進(jìn)行金剛石涂層時，涂層的沉積溫度難于測量的技術(shù)難題。
文檔編號C23C16/52GK2932338SQ200620023059
公開日2007年8月8日 申請日期2006年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者唐偉忠, 孟憲明, 黑立富, 李成明, 陳廣超, 宋建華, 呂反修, 佟玉梅 申請人:北京科技大學(xué)