旋轉電弧加熱在環狀工件內壁沉積金剛石涂層

李國華，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）

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

目前，在工件內表面化學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管狀工件內孔，能夠在金屬管工件內壁沉積出高質量的金剛石涂層[4]。不足之處是其不能用于大口徑環狀工件，并且工件材質只限于少數幾種金屬材料，不能用于硅、碳化硅、碳化鎢硬質合金等[4]。

燈絲加熱法利用燈絲穿過環狀工件內孔加熱，能夠在硬質合金拉拔模具內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狀工件內壁沉積金剛石涂層，受燈絲數量和燈絲電流的限制，有效沉積的最大內孔直徑不超過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環狀工件內孔，在硬質合金拉拔模具內表面沉積出高質量均勻的金剛石涂層[7]。但缺點是隨著工件內孔增大，氣流順向吹過，對工件內壁的傳熱效率降低，目前能做到的最大內孔直徑在100 mm 以內。

為了解決100 mm 以上大口徑環狀工件內壁沉積金剛石涂層的難題，對直流電弧等離子炬[8-9]進行改進創新，研制分體式等離子炬。利用旋轉電弧加熱方法，在內徑為180 mm 的拉拔模具內表面沉積高質量的金剛石涂層，并成功應用于超高壓電纜鋁護套拉拔設備中。

1 分體式等離子炬的設計

1.1 分體式等離子炬的安裝結構

分體式等離子炬是大口徑環狀工件內壁沉積金剛石涂層的核心設備，如圖1所示。其中：1 為陽極，2 為沉積臺，3 為環狀工件，4 為支撐環，5 為絕緣墊，6 為陰極，7 為引弧電極，8 為輔助電極，9 為磁場線包，10 為真空室，11 為電弧，12 為工作氣體。其結構特點是使用活動的陽極，將其套裝到位于沉積爐真空室下端中心位置的沉積臺上，環狀工件同心套裝到活動陽極外圍。沉積臺可以升降，用來調節活動陽極在真空室和環狀工件內的高低位置。炬的其他部分包括陰極、引弧電極、輔助電極和磁場線包，同心安裝在真空室的上端，與下端的活動陽極軸同心。為使電弧繞陽極上端面外沿旋轉，防止陽極斑點收縮到中心而停轉，在陽極中心挖盲孔。環狀工件通過支撐環和絕緣墊安放到真空室的下端，支撐環上開排氣孔，讓工作氣體從環狀工件上下兩端面吹出，使環狀工件內表面各位置沉積的金剛石涂層均勻一致。

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

1.2 旋轉電弧的產生和加熱原理

引弧前上升沉積臺，縮短活動陽極和上端陰極之間的距離，從引弧電極和輔助電極內側分別通入氬氣（Ar1、Ar2），用以保護電極和降低引弧電壓，增加引弧的可靠性和穩定性。電弧引燃后，從輔助電極內通入氫氣，提高工作氣體的電離能和工作電壓，產生所需的氫離子。圖2是旋轉電弧原理圖。如圖2所示，電弧被工作氣體壓縮成細束，通過磁場能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，向上升向外擴展，形成傘狀弧帽。下降沉積臺使傘狀弧帽位于環狀工件的中心位置，從炬的上端平行于軸且向下吹的工作氣體經過旋轉電離，改變方向徑向垂直吹向環狀工件內表面。經過電弧加熱的氣體溫度可達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量金剛石涂層。

圖2 旋轉電弧原理圖Fig.2 Schematic diagram of rotating arc

1.3 旋轉電弧工作參數和對應的外觀形貌

通過升降沉積臺來調整陽極在工件內的位置，調整工作氣體流量QAr、工作壓力p、磁場線包電流I1、工作電流I2和工作電壓U的大小來改變傘狀電弧的形狀、吹出氣流的方向、厚度和溫度，以適應不同材質、不同孔徑和軸向厚度的環狀工件。

圖3是通過真空腔室觀察窗拍攝的與表1對應的旋轉電弧外觀形貌照片。其中，圖3c 中的環狀工件內徑為180 mm。隨著陽極直徑的增大，所需維持電弧放電的氣體流量和電流增加，維持電弧穩定的磁場電流提高，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，藍色是加入甲烷后金剛石沉積過程中的電弧等離子體放電顏色。

圖3 不同直徑陽極對應的旋轉電弧照片Fig.3 Photo of rotating arc corresponding to anodes with different diameters

表1 不同直徑陽極電弧工作參數表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 基體材料預處理

試驗用基體材料選用YG 6 硬質合金和純度為99.95%的高強度石墨2 種。

硬質合金模具規格尺寸為205 mm × 30 mm（外徑 ×高），內孔直徑為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。

石墨模具規格尺寸為130 mm × 40 mm（外徑 × 高），內孔直徑為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 種樣品都采用旋轉電弧加熱方法沉積金剛石涂層，具體的工藝參數見表2。

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

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

對硬質合金模芯內表面制備的金剛石涂層進行拋光處理。在自然光線下用普通相機對硬質合金模芯和石墨模芯拍照。圖4是與表2對應的金剛石涂層實物樣品照片。

圖4 金剛石涂層實物樣品照片Fig.4 Photos of diamond coating samples

3 金剛石涂層的檢測及表征

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

圖5為硬質合金模具和石墨模具金剛石涂層的拉曼光譜。測試位置分別為上口(進材口)、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 個位置的1 332 cm-1附近均有尖銳的金剛石特征峰，且無明顯差異。

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為拋光前的硬質合金模具和石墨模具金剛石涂層的表面形貌。測試位置分別為上口(進材口)、中間（定徑段）、下口（出材口）。硬質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生長溫度偏高，晶粒發育快。

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 應用

將拋光好的180 mm CVD 金剛石涂層拉拔模具鑲套后，應用到超高壓電纜金屬鋁護套焊接成形與定徑工序中。與現有的尼龍模具對比，其主要優勢如下：金剛石具有優越的耐磨性能和很低的摩擦系數，圓度比較差的鋁護套經過金剛石涂層模具后會自動校圓，保證電纜質量；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，對提高生產效率、降低工人勞動強度等都有顯著效果。

5 結論

采用旋轉電弧加熱方法在環狀工件內壁沉積金剛石涂層。工作氣體通過旋轉電離形成傘狀弧帽，徑直吹向工件內表面，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。制備出的內徑180 mm大口徑拉拔模具經檢測具備金剛石的各種特征，且已經成功應用到拉拔生產設備中。