旋轉(zhuǎn)電弧加熱在環(huán)狀工件內(nèi)壁沉積金剛石涂層

李國(guó)華，崔玉明，董 旺，姜 龍,2

（1.河北普萊斯曼金剛石科技有限公司，石家莊 050081）

（2.河北省激光研究所，石家莊 050081）

利用化學(xué)氣相沉積方法（CVD 法）在工件表面沉積金剛石涂層，是近年來(lái)發(fā)展出的新技術(shù)[1]。金剛石涂層的高耐磨性、高熱導(dǎo)性和良好的絕緣性能，大大延長(zhǎng)了原工件的使用壽命，拓展了其新的應(yīng)用領(lǐng)域[2-3]。相較于平面和外表面涂層技術(shù)，在工件內(nèi)表面沉積金剛石涂層的技術(shù)難度更大。

目前，在工件內(nèi)表面化學(xué)氣相沉積金剛石涂層的方法主要有：直流伸展電弧加熱法[4]，燈絲加熱法[5-6]，直流電弧等離子體噴射法[7]。

利用直流伸展電弧穿過(guò)管狀工件內(nèi)孔，能夠在金屬管工件內(nèi)壁沉積出高質(zhì)量的金剛石涂層[4]。不足之處是其不能用于大口徑環(huán)狀工件，并且工件材質(zhì)只限于少數(shù)幾種金屬材料，不能用于硅、碳化硅、碳化鎢硬質(zhì)合金等[4]。

燈絲加熱法利用燈絲穿過(guò)環(huán)狀工件內(nèi)孔加熱，能夠在硬質(zhì)合金拉拔模具內(nèi)壁沉積出良好的金剛石涂層。但單根燈絲只能用于小孔工件，多根燈絲編織成籠形在較大口徑環(huán)狀工件內(nèi)壁沉積金剛石涂層，受燈絲數(shù)量和燈絲電流的限制，有效沉積的最大內(nèi)孔直徑不超過(guò)70 mm[5-6]。

直流電弧等離子體噴射法是利用等離子炬的軸向氣流穿過(guò)環(huán)狀工件內(nèi)孔，在硬質(zhì)合金拉拔模具內(nèi)表面沉積出高質(zhì)量均勻的金剛石涂層[7]。但缺點(diǎn)是隨著工件內(nèi)孔增大，氣流順向吹過(guò)，對(duì)工件內(nèi)壁的傳熱效率降低，目前能做到的最大內(nèi)孔直徑在100 mm 以?xún)?nèi)。

為了解決100 mm 以上大口徑環(huán)狀工件內(nèi)壁沉積金剛石涂層的難題，對(duì)直流電弧等離子炬[8-9]進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，研制分體式等離子炬。利用旋轉(zhuǎn)電弧加熱方法，在內(nèi)徑為180 mm 的拉拔模具內(nèi)表面沉積高質(zhì)量的金剛石涂層，并成功應(yīng)用于超高壓電纜鋁護(hù)套拉拔設(shè)備中。

1 分體式等離子炬的設(shè)計(jì)

1.1 分體式等離子炬的安裝結(jié)構(gòu)

分體式等離子炬是大口徑環(huán)狀工件內(nèi)壁沉積金剛石涂層的核心設(shè)備，如圖1所示。其中：1 為陽(yáng)極，2 為沉積臺(tái)，3 為環(huán)狀工件，4 為支撐環(huán)，5 為絕緣墊，6 為陰極，7 為引弧電極，8 為輔助電極，9 為磁場(chǎng)線(xiàn)包，10 為真空室，11 為電弧，12 為工作氣體。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是使用活動(dòng)的陽(yáng)極，將其套裝到位于沉積爐真空室下端中心位置的沉積臺(tái)上，環(huán)狀工件同心套裝到活動(dòng)陽(yáng)極外圍。沉積臺(tái)可以升降，用來(lái)調(diào)節(jié)活動(dòng)陽(yáng)極在真空室和環(huán)狀工件內(nèi)的高低位置。炬的其他部分包括陰極、引弧電極、輔助電極和磁場(chǎng)線(xiàn)包，同心安裝在真空室的上端，與下端的活動(dòng)陽(yáng)極軸同心。為使電弧繞陽(yáng)極上端面外沿旋轉(zhuǎn)，防止陽(yáng)極斑點(diǎn)收縮到中心而停轉(zhuǎn)，在陽(yáng)極中心挖盲孔。環(huán)狀工件通過(guò)支撐環(huán)和絕緣墊安放到真空室的下端，支撐環(huán)上開(kāi)排氣孔，讓工作氣體從環(huán)狀工件上下兩端面吹出，使環(huán)狀工件內(nèi)表面各位置沉積的金剛石涂層均勻一致。

圖1 分體式等離子炬結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure and working principle of split plasma torch

1.2 旋轉(zhuǎn)電弧的產(chǎn)生和加熱原理

引弧前上升沉積臺(tái)，縮短活動(dòng)陽(yáng)極和上端陰極之間的距離，從引弧電極和輔助電極內(nèi)側(cè)分別通入氬氣（Ar1、Ar2），用以保護(hù)電極和降低引弧電壓，增加引弧的可靠性和穩(wěn)定性。電弧引燃后，從輔助電極內(nèi)通入氫氣，提高工作氣體的電離能和工作電壓，產(chǎn)生所需的氫離子。圖2是旋轉(zhuǎn)電弧原理圖。如圖2所示，電弧被工作氣體壓縮成細(xì)束，通過(guò)磁場(chǎng)能E和電弧電流I相互作用形成的作用力F使電弧高速旋轉(zhuǎn)，向上升向外擴(kuò)展，形成傘狀弧帽。下降沉積臺(tái)使傘狀弧帽位于環(huán)狀工件的中心位置，從炬的上端平行于軸且向下吹的工作氣體經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)電離，改變方向徑向垂直吹向環(huán)狀工件內(nèi)表面。經(jīng)過(guò)電弧加熱的氣體溫度可達(dá)4 000 ℃，氫的離解率高，氫離子濃度大，能夠快速高效的沉積出均勻的高質(zhì)量金剛石涂層。

圖2 旋轉(zhuǎn)電弧原理圖Fig.2 Schematic diagram of rotating arc

1.3 旋轉(zhuǎn)電弧工作參數(shù)和對(duì)應(yīng)的外觀(guān)形貌

通過(guò)升降沉積臺(tái)來(lái)調(diào)整陽(yáng)極在工件內(nèi)的位置，調(diào)整工作氣體流量QAr、工作壓力p、磁場(chǎng)線(xiàn)包電流I1、工作電流I2和工作電壓U的大小來(lái)改變傘狀電弧的形狀、吹出氣流的方向、厚度和溫度，以適應(yīng)不同材質(zhì)、不同孔徑和軸向厚度的環(huán)狀工件。

圖3是通過(guò)真空腔室觀(guān)察窗拍攝的與表1對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電弧外觀(guān)形貌照片。其中，圖3c 中的環(huán)狀工件內(nèi)徑為180 mm。隨著陽(yáng)極直徑的增大，所需維持電弧放電的氣體流量和電流增加，維持電弧穩(wěn)定的磁場(chǎng)電流提高，沉積工件的直徑增大。圖3中的粉紅色為氬氣電弧等離子體放電顏色，藍(lán)色是加入甲烷后金剛石沉積過(guò)程中的電弧等離子體放電顏色。

圖3 不同直徑陽(yáng)極對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電弧照片F(xiàn)ig.3 Photo of rotating arc corresponding to anodes with different diameters

表1 不同直徑陽(yáng)極電弧工作參數(shù)表Tab.1 Working parameters of anode arc with different diameters

2 大口徑拉拔模具金剛石涂層的制備

2.1 基體材料預(yù)處理

試驗(yàn)用基體材料選用YG 6 硬質(zhì)合金和純度為99.95%的高強(qiáng)度石墨2 種。

硬質(zhì)合金模具規(guī)格尺寸為205 mm × 30 mm（外徑 ×高），內(nèi)孔直徑為180 mm，按拉拔模具使用要求將壓縮段和定徑段研磨成形。經(jīng)酸堿2 步法各清洗20 min，用基本顆粒尺寸為2 μm 的金剛石微粉懸濁液超聲磨洗30 min，然后用丙酮超聲清洗10 min。

石墨模具規(guī)格尺寸為130 mm × 40 mm（外徑 × 高），內(nèi)孔直徑為100 mm，表面粗糙度在12.5 μm 以上，壓縮段到定徑段的倒角成圓弧面。用純凈水超聲清洗2 遍，各10 min，然后烘干，內(nèi)表面鍍鈦處理。

2.2 金剛石涂層制備工藝

2 種樣品都采用旋轉(zhuǎn)電弧加熱方法沉積金剛石涂層，具體的工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 金剛石涂層沉積參數(shù)Tab.2 Diamond coating deposition parameters

為避免旋轉(zhuǎn)電弧軸向偏差引起的能量分布不均勻，保證大口徑模芯內(nèi)孔周圈各部位金剛石涂層沉積均勻，在整個(gè)沉積過(guò)程中沉積臺(tái)帶動(dòng)模芯以2 r/min 的速度旋轉(zhuǎn)。

對(duì)硬質(zhì)合金模芯內(nèi)表面制備的金剛石涂層進(jìn)行拋光處理。在自然光線(xiàn)下用普通相機(jī)對(duì)硬質(zhì)合金模芯和石墨模芯拍照。圖4是與表2對(duì)應(yīng)的金剛石涂層實(shí)物樣品照片。

圖4 金剛石涂層實(shí)物樣品照片F(xiàn)ig.4 Photos of diamond coating samples

3 金剛石涂層的檢測(cè)及表征

使用天津港東LRS-5 激光共聚焦拉曼光譜儀（激發(fā)波長(zhǎng)532.11 nm）和奧林巴斯BX 51 光學(xué)顯微鏡分別對(duì)硬質(zhì)合金模具和石墨模具金剛石涂層進(jìn)行了金剛石純度和表面形貌檢測(cè)。

圖5為硬質(zhì)合金模具和石墨模具金剛石涂層的拉曼光譜。測(cè)試位置分別為上口(進(jìn)材口)、中間（定徑段）、下口(出材口)。由圖5可以看出：2 種樣品上中下3 個(gè)位置的1 332 cm-1附近均有尖銳的金剛石特征峰，且無(wú)明顯差異。

圖5 2 種樣品不同位置金剛石涂層的拉曼光譜圖Fig.5 Raman spectra of diamond coatings in different positions of two samples

圖6為拋光前的硬質(zhì)合金模具和石墨模具金剛石涂層的表面形貌。測(cè)試位置分別為上口(進(jìn)材口)、中間（定徑段）、下口（出材口）。硬質(zhì)合金模芯金剛石晶粒的尺寸為3 μm，石墨模芯金剛石晶的尺寸為5 μm，石墨模具金剛石涂層晶粒尺寸相比硬質(zhì)合金模具金剛石涂層晶粒尺寸偏大。主要原因是石墨模具在沉積時(shí)生長(zhǎng)溫度偏高，晶粒發(fā)育快。

圖6 2 種樣品不同位置金剛石涂層的形貌圖Fig.6 Morphologies of diamond coating in different positions of two samples

4 應(yīng)用

將拋光好的180 mm CVD 金剛石涂層拉拔模具鑲套后，應(yīng)用到超高壓電纜金屬鋁護(hù)套焊接成形與定徑工序中。與現(xiàn)有的尼龍模具對(duì)比，其主要優(yōu)勢(shì)如下：金剛石具有優(yōu)越的耐磨性能和很低的摩擦系數(shù)，圓度比較差的鋁護(hù)套經(jīng)過(guò)金剛石涂層模具后會(huì)自動(dòng)校圓，保證電纜質(zhì)量；使用金剛石涂層定徑模具后，使用壽命與尼龍模具相比明顯提高，對(duì)提高生產(chǎn)效率、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度等都有顯著效果。

5 結(jié)論

采用旋轉(zhuǎn)電弧加熱方法在環(huán)狀工件內(nèi)壁沉積金剛石涂層。工作氣體通過(guò)旋轉(zhuǎn)電離形成傘狀弧帽，徑直吹向工件內(nèi)表面，氣體離解率高、能量集中、熱效率高，能快速均勻的沉積出金剛石涂層。制備出的內(nèi)徑180 mm大口徑拉拔模具經(jīng)檢測(cè)具備金剛石的各種特征，且已經(jīng)成功應(yīng)用到拉拔生產(chǎn)設(shè)備中。