CN108330464A - 一种线材类金刚石涂层加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种线材类金刚石涂层加工装置，包括有用于线材放线和收线连接的放线卷和收线卷、以及设置于放线卷和收线卷之间用于在线材上加工类金刚石涂层的类金刚石涂层放电管，所述的类金刚石涂层放电管包括有放电管主体，该放电管主体包括有磁靴环、绝缘套管、电极和水冷套，所述磁靴环上装配多组磁铁，所述磁靴转动齿固定在磁靴环上，外接传动结构可转动磁靴环。本发明不仅可在高真空下对微型尺寸件、线材件表面磁控溅射PECVD沉积类金刚石涂层，而且还可在低真空下利用环形管气体放电，在微型尺寸件、线材件产生大束流高离化喷涂类金刚石涂层。
Description
技术领域
本发明属于真空镀膜技术领域，具体是指线材类金刚石涂层加工装置。
背景技术
固体材料的摩擦磨损普遍存在于生产和生活的各个领域中，凡是相对运动的部件都存在着摩擦磨损。国内外的统计资料显示，由摩擦而导致消耗掉的能源占全世界1/3的一次能源，约有80%的机械零部件因为不断的磨损而最终失效，约有50%以上的机械装备恶性事故发生是起因于润滑失效和过度磨损。材料表面的物理、化学和力学性质对材料的摩擦学性能产生重要的影响。将固体材料表面进行预处理后，再经过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变固体表面的形态、化学成分、组织结构、机械强度和应力状态等，可以获得更好的力学与摩擦学性能。尤其，在表面工程技术中将薄膜材料应用于固体块状材料的减摩抗磨取得了许多重要的工业应用价值。因此，降低摩擦磨损的损耗，积极开发及使用新型的减摩抗磨润滑薄膜材料具有极其重要的价值和意义。
类金刚石薄膜(Diamond-like carbon film) 由于具有许多优异的物理、化学性能，如高硬度、低摩擦系数、优良的耐磨性、高介电常数、高击穿电压、宽带隙、化学惰性和生物相容性等。经过多年的发展，DLC薄膜在很多领域的应用也已进入实用和工业化生产阶段。然而，在类金刚石涂层的制备过程仍存在较多问题。
现有的DLC沉积技术主要是物理气相沉积（PVD）及化学气相沉积(CVD)，PVD主要包括离子束沉积（IBD）、磁控溅射、多弧离子镀、脉冲激光沉积等，CVD包括热丝化学气相沉积、等离子化学增强气相沉积（PECVD），这几种技术都存在一些问题：离子束沉积因石墨溅射速率低而沉积速率低；磁控溅射沉积一方面溅射速率低，另一方面原子能量低导致结构疏松硬度低；多弧离子镀沉积过程中会产生大量碳颗粒；脉冲激光沉积能耗高，涂层均匀性差，有效沉积区小；热丝气相沉积技术沉积温度高，极大地限制了基体材料的范围；PECVD虽然有效的降低了反应温度，但沉积过程中沉积效率较低，碳原子离化率低，成膜质量结构不够致密。
现有的耐磨线材（例如，汽车换挡器加热线圈、线性气缸轴）、微型尺寸件表面金刚石涂层、类金刚石涂层的制备方法主要是通过传统的热喷涂、物理化学沉积等方式获得。然而微型尺寸件及线材因尺寸较小，为达到耐磨的要求，其设备、工艺等都有很高的要求，而且传统的热喷涂、物理化学沉积设备对于微小尺寸件及线材的处理过程中一方面存在这大量的材料的浪费，另一方面喷涂行业为高能耗、高污染以及物理化学沉积设备的低质量的产品效果都不能较好的满足微型尺寸、线材的使用要求。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种结构设计合理，涂层加工质量好，离子离化率高的材类金刚石涂层加工装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案是包括有用于线材放线和收线连接的放线卷和收线卷、以及设置于放线卷和收线卷之间用于在线材上加工类金刚石涂层的类金刚石涂层放电管，所述的类金刚石涂层放电管包括有放电管主体，该放电管主体包括有磁靴环、绝缘套管、电极和水冷套，所述的靶材为环形靶材，该环形靶材的轴向一端为线材进线口，环形靶材的轴向另一端为线材出线口，环形靶材的内部空腔构成气体电离区，所述环形靶材是由多组金属基片瓦表面复合石墨片构成，所述的水冷套环形套设于环形靶材的外侧并构成热交换连接，绝缘套管套接设置于水冷套的外侧，所述的磁靴环转动套设于绝缘套管的外侧，且该磁靴环内装配有多组磁铁，还包括有用于驱动磁靴环在绝缘套管上转动的磁靴环转动驱动机构。
进一步设置是所述的磁靴环转动驱动机构包括有联动套设固定于磁靴环上的磁靴转动齿，该磁靴转动齿外接传动动力单元实现磁靴环的转动驱动。
进一步设置是所述靶材的金属基片瓦为钛、铬、钨中的一种或其合金。
进一步设置是还包括有绝缘封头套和屏蔽环，绝缘封头套装在水冷套的轴向两端使水冷套与屏蔽环之间绝缘，屏蔽环套装在绝缘封头套上，其电位为悬浮电位。
进一步设置是磁靴环包括有多个整体为环形的磁靴，多个磁靴在类金刚石涂层放电管的轴向依次拼接。
进一步设置是所述的磁靴环的磁铁的装配方式构成环切面平行闭合磁场，该环切面平行闭合磁场的磁铁磁极面为平行于类金刚石涂层放电管横截面，其在环切面形成平行于环切面的闭合磁场。
进一步设置是所述的磁靴环的磁铁的装配方式构成轴向平行闭合磁场。
进一步设置是所述的磁靴环的磁铁的装配方式构成复合磁场，该复合磁场内每一片磁靴内间隔放置不同极性的磁铁，相邻磁靴与之对应的位置同样放置与之极性相反或相同的磁铁，其在放电管内形成即有平行于环切面的平行闭合磁场，又有平行于放电管纵向的平行闭合磁场，称之为复合磁场。
本发明创新机理是：
（1）线材从放线，在类金刚石涂层放电管中对线材表面进行类金刚石涂层加工，然后收线，整体结构设计非常合理，且加工过程高效。
（2）靶材上溅射出现的金属离子和电子的活动轨迹受限于环形靶材的形状限制，从而使得电子不断与气体电离区的气体进行碰撞产生更多电子和离子，从而辉光放电中的电子发生汇聚产生空心阴极效应，即提高了溅射速率，又增强了粒子的离化率，此外，通过本发明的结构设计，磁靴环的转动结构设计，可以改变靶材所受的磁场，从而使得辉光放电过程不再局限于靶材的某一局部位置，而使得靶材产生辉光放电的区域更加均匀，提高靶材的利用率。
（3）环形阴极一方面可作为磁控溅射阴极进行高离化率的磁控溅射类金刚石涂层的沉积，另一方面可利用低真空（10-100Pa）下，高负载（1-5KV）在环形阴极内部形成辉光放电，利用环形阴极放电过程中的电子汇聚空心阴极效应，可高效轰击阴极靶材表面，加大放电电流，可活得具有高能粒子注入效果的大束流碳粒子沉积层，即类金刚石涂层。
与现有技术相比，本发明提供的类金刚石涂层放电管，具有如下实质性区别和显著性进步：
1）放电管采用瓦片拼接bonding非金属的方式，可在一个装置内完成类金刚石涂层PECVD过程中的，在基体表面获得金属基底层、梯度过渡层、类金刚石涂层。
2）设备简单，即可实现磁控溅射沉积，又可实现类金刚石涂层的喷涂制备工艺。
3）使用旋转磁靴，可极大的提高靶材的利用率。
4）靶材表面有金属及石墨，沉积过程中获得的是掺杂金属的类金刚石涂层，涂层内应力会大大降低。
5)设备沉积过程中，大束电子流能够高效离化碳粒子，可沉积获得优质的类金刚石涂层。
6）设备可对微型尺寸、线材连续式生产沉积类金刚石涂层。
7）设备结构简单、成本低、能耗低。
总之，本发明所提供的类金刚石涂层放电管，不仅可在高真空下进行磁控溅射PECVD方法沉积类金刚石涂层，低真空下进行空心阴极放电喷涂式沉积类金刚石涂层；另一方面设备结构简单，可实现对微型尺寸、线性材料连续式生产，使得设备有较低的成本，极高的生产效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1是类金刚石涂层放电管线性材料涂层制备示意图；
图2是本发明所提供的一种类金刚石涂层放电管的剖面结构示意图；
图3 放电管的局部放大结构示意图；
图4是靶材的结构示意图；
图5.1为环切面平行闭合磁场的磁场模拟，图5.2为上下两片磁靴极性相反纵向放置的轴向平行闭合磁场的磁场模拟，图5.3为上下两片磁靴极性相反的横向放置的轴向平行闭合磁场的磁场模拟；
图6.1为环切面平行闭合磁场结构示意图，其中图6.2为上下两片磁靴极性相同轴向平行闭合磁场的结构示意图，图6.3为上下两片磁靴极性相反的轴向平行闭合磁场的结构示意图，图6.4为上下两片磁靴极性相反的横向放置的轴向平行闭合磁场的结构示意图，图6.5为上下两片磁靴极性相同的复合磁场的结构示意图，图6.6为上下两片磁靴极性相反的复合磁场的结构示意图；
图7 为本发明实施例中低真空***极负载电压设置参数示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。
为便于绘图，类金刚石涂层放电管中，水冷螺旋管道焊接在冷却钢管上，靶材为四组瓦片式拼装，实际应用中，为使靶材能够紧密的贴合水冷管，靶材将尽量多瓦片式拼装而成；类金刚石涂层放电管中部分部件未画出（磁铁、外接水冷悬浮电位管、外接进气管路、电极绝缘套）。
为便于描述，类金刚石涂层放电管中，穿插了一根连续式的线材，进行表面涂层加工。
如图1至图4所示，为本发明实施例中，参见图1所示：本发明所提供的一种类金刚石涂层放电管在线性材料制备过程是由放线卷121、线材11、类金刚石涂层放电管10、收线卷122组成，缠绕在放线卷121上的线材11经过线材传输辊后进入类金刚石涂层放电管10，类金刚石涂层放电管10在线材11输送过程中放电，将会在线材11上沉积类金刚石涂层并经收线传输辊及收线卷122收线。需要说明的是对于一整套线材涂层制备过程中的其他部件例如：放线传输辊、线材张力辊、张力测试仪、收线传输辊等没有画出，其为线材卷绕式镀膜中常用工业制品，本发明中未画出不影响类金刚石涂层放电管的说明。
参见图2、3所示：本发明所提供的一种类金刚石涂层放电管10包括靶材101、水冷套102、外接电极103、屏蔽环104、绝缘套组件105、磁靴环106、磁靴转动齿107，靶材101是由非金属材料(如石墨等)1011复合（bonding，系磁控溅射阴极靶材生产过程中成熟的两种不同材料之间的一种结合方式,属钎焊）在金属基片瓦1012上，并通过螺栓机械紧固在焊有螺旋水冷管道的水冷套102上，绝缘套管1052套装在水冷套102上使水冷套102与磁靴环106之间绝缘，绝缘封头套1051装在水冷套102两端使水冷套102与屏蔽环104之间绝缘，屏蔽环104套装在绝缘封头套1051上，其电位为悬浮电位，磁靴环106上装配多组磁铁，磁靴转动齿107固定在磁靴环106上，外接传动结构可转动磁靴环。
参见图4所示：靶材101是由多组金属基片1012瓦拼接而成，金属基片瓦1012上有阵列螺纹孔，可通过螺栓机械方法固定在水冷套102上，非金属材料1011通过靶材的一种加工方法复合（bonding）的形式固定在金属基片瓦1012上。
参见图5、图6所示：类金刚石涂层放电管内磁铁的装配方式有如下几种:环切面平行闭合磁场、轴向平行闭合磁场、复合磁场，其中环切面平行闭合磁场的磁铁磁极面为平行于放电管横截面，其可在环切面形成平行于环切面的闭合磁场；轴向平行闭合磁场的磁铁可以沿着放电管纵向放置，每一片磁靴都为同极性磁铁，相邻的磁靴极性即可以相同，也可以相反，其可在放电管纵向方向形成平行于放电管纵向的平行闭合磁场，亦可以横向放置，每一片磁靴都为同极性磁铁，相邻的磁靴极性相反，也可在放电管纵向方向形成平行于放电管纵向的平行闭合磁场；复合磁场内每一片磁靴内间隔放置不同极性的磁铁，相邻磁靴与之对应的位置同样放置与之极性相反或相同的磁铁，其可在放电管内形成即有平行于环切面的平行闭合磁场，又有平行于放电管纵向的平行闭合磁场，两者之间形成复杂的复合磁场。
环切面平行闭合磁场的相邻磁铁为异性（NSNSNS），可在平行于放电管横截面上形成环切面平行闭合磁场；上下两片磁靴上纵向放置的相邻磁铁极性相同（N-N），可在放电管纵向方向上形成轴向平行闭合磁场，亦可上下两片磁靴上纵向放置相邻磁铁极性相相反(N-S)，也可在放电管纵向方向上形成轴向平行闭合磁场。
轴向平行闭合磁场也可以通过在上下两片磁靴上横向放置磁铁极性相反（N-S）的单片相同极性的磁铁来实现纵向平行。
当单片磁靴上装配相邻极性相反的磁铁时，可在单片磁靴上形成闭合磁场，而上下片磁靴极性相同或者相反时都可形成复合磁场，即有平行于横切面的平行磁场，又有平行于纵向方向的平行磁场，既可以上下两片磁靴极性相同（NS-NS）形成的复合磁场，又可以上下两片磁靴极性相反（NS-SN）的形成复合磁场。
参见图1、图2、图7所示：类金刚石涂层放电管10在真空状态下，通过外接电极103接通负电压（300v-500v），在高真空（0.1-1.0Pa）下，发生辉光发电，工艺气体氩气离化，碰撞靶材101表面，溅射出金属离子、碳离子，环形管放电过程中，电子束汇聚，在磁场的作用下，大量离化金属离子、碳离子，线材11表面施加脉冲偏压，在电场的作用下，金属离子、碳离子沉积在线材表面，获得类金刚石涂层。
在低真空（10pa-100pa），接通负电压（1000V），放电管内产生辉光放电，在环形放电过程中，高密度的电子束汇合，使负辉光并合在一起，发光明亮并且较均勾，随着放电电流密度的增加，形成空心阴极放电效应，可高速溅射沉积碳粒子，随着电流的增大，大束流的离化碳粒子沉积在基体表面，形成一种喷涂效应，可在极短的时间内沉积获得类金刚石涂层。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种线材类金刚石涂层加工装置，其特征在于：包括有用于线材放线和收线连接的放线卷和收线卷、以及设置于放线卷和收线卷之间用于在线材上加工类金刚石涂层的类金刚石涂层放电管，所述的类金刚石涂层放电管包括有放电管主体，该放电管主体包括有磁靴环、绝缘套管、电极和水冷套，所述的靶材为环形靶材，该环形靶材的轴向一端为线材进线口，环形靶材的轴向另一端为线材出线口，环形靶材的内部空腔构成气体电离区，所述环形靶材是由多组金属基片瓦表面复合石墨片构成，所述的水冷套环形套设于环形靶材的外侧并构成热交换连接，绝缘套管套接设置于水冷套的外侧，所述的磁靴环转动套设于绝缘套管的外侧，且该磁靴环内装配有多组磁铁，还包括有用于驱动磁靴环在绝缘套管上转动的磁靴环转动驱动机构。
2.根据权利要求1所述的一种线材类金刚石涂层加工装置，其特征在于：所述的磁靴环转动驱动机构包括有联动套设固定于磁靴环上的磁靴转动齿，该磁靴转动齿外接传动动力单元实现磁靴环的转动驱动。
3.根据权利要求1所述的一种线材类金刚石涂层加工装置，其特征在于：所述靶材的金属基片瓦为钛、铬、钨中的一种或其合金。
4.根据权利要求1所述的一种线材类金刚石涂层加工装置，其特征在于：还包括有绝缘封头套和屏蔽环，绝缘封头套装在水冷套的轴向两端使水冷套与屏蔽环之间绝缘，屏蔽环套装在绝缘封头套上，其电位为悬浮电位。
5.根据权利要求1所述的一种线材类金刚石涂层加工装置，其特征在于：磁靴环包括有一个或多个整体为环形的磁靴，其中多个磁靴在类金刚石涂层放电管的轴向依次拼接。
6.根据权利要求5所述的一种线材类金刚石涂层加工装置，其特征在于：所述的磁靴环的磁铁的装配方式构成环切面平行闭合磁场，该环切面平行闭合磁场的磁铁磁极面为平行于类金刚石涂层放电管横截面，其在环切面形成平行于环切面的闭合磁场。
7.根据权利要求5所述的一种线材类金刚石涂层加工装置，其特征在于：所述的磁靴环的磁铁的装配方式构成轴向平行闭合磁场。
8.根据权利要求5所述的一种线材类金刚石涂层加工装置，其特征在于：所述的磁靴环的磁铁的装配方式构成复合磁场，该复合磁场内每一片磁靴内间隔放置不同极性的磁铁，相邻磁靴与之对应的位置同样放置与之极性相反或相同的磁铁，其在放电管内形成即有平行于环切面的平行闭合磁场，又有平行于放电管纵向的平行闭合磁场，称之为复合磁场。
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