专利名称：钽喷丝头表面化学气相沉积金刚石薄膜强化方法
技术领域：
本发明涉及一种材料表面处理技术领域的方法，尤其是一种钽喷丝头表面化学气相沉积金刚石薄膜强化方法。
背景技术：
喷丝头是化纤纺织机上的关键部件，也是纺丝成型的基础元件，其上布满成千上万个直径Φ0.05-0.1mm的精密喇叭型微孔，其性能好坏将会影响到纺丝质量，生产率，成本等多项经济指标。化纤行业用喷丝头过去一直用金铂合金制造，成本太高，人们尝试着用相对价廉的钽来代替金铂合金制作喷丝头。钽是一种稀有金属，具有非常良好的机械加工、导电及耐酸腐蚀性能，其缺点是硬度和耐碱腐蚀性能不够理想，通过表面处理可以弥补其不足。
为了克服钽喷丝头的上述缺陷，目前国内外采用的处理方法主要有(1)在硫酸、磷酸、草酸等电解质溶液中阳极氧化，使钽表面生成Ta2O5氧化膜，提高耐蚀性能；(2)在氧气、氮气、一氧化碳或丙烷和氢气的混合气体中进行吸气或渗碳强化热处理，以提高其表面硬度，减少变形；(3)在含锂熔盐中进行电化学处理，使其表面形成一层钽酸锂膜，以提高其强度、硬度和可纺性；(4)表面氮离子注入，形成氮化钽膜，以提高其硬度和耐碱蚀性；(5)用化学气相沉积(CVD)方法沉积氮化钛，来改善其表面性能。
金刚石具有最高的硬度、极佳的化学稳定性和很高的热导率。近二十年来，CVD法制备金刚石薄膜取得了突破性进展，CVD法制备金刚石薄膜工艺简单，可控性强，具有很高的实用价值。近期研究发现，通过沉积参数的变化，可以实现金刚石颗粒的纳米化，纳米金刚石薄膜除了普通金刚石薄膜所具有的优异特性外，还具有更高的硬度及更光滑、致密的表面。
对现有技术文献的检索发现，方莉俐在《CVD金刚石薄膜涂层工具的研究概况》(郑州大学，《工具技术》2004年第5期28卷)中，将CVD法制备的金刚石薄膜用于切削加工领域。利用金刚石薄膜的高硬度、高导热性及低摩擦系数作为刀具表面强化层，提高了刀具的耐磨性，及使用寿命。CVD法制备金刚石薄膜工艺简单，可控性强，解决了有色金属及其合金和高耐磨复合材料等加工难的问题。虽然CVD法制备金刚石薄膜应用于保护刀具表面已相当成功，但尚未有研究将其应用于保护钽喷丝头表面。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种钽喷丝头表面化学气相沉积金刚石薄膜强化方法，即通过CVD法制备金刚石薄膜，并将其直接沉积于钽喷丝头表面，对钽喷丝头进行表面保护，其操作简单，并能显著提高钽喷丝头性能。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明利用CVD技术，通过改变薄膜沉积参数，实现不同粒径金刚石薄膜在各种形状钽喷丝头表面的沉积。具体地说，首先对钽喷丝头进行一系列预处理，再以经过碳化处理或未进行碳化处理的钽喷丝头为衬底，采用丙酮和氢气或甲烷等气体作为反应气体CVD法沉积金刚石薄膜。具体步骤如下a、将钽喷丝头置于含金刚石微粉的酒精悬浮液中，采用超声打磨30min，再用丙酮与酒精分别超声清洗钽喷丝头表面各10min，以此作为钽喷丝头CVD法沉积金刚石薄膜前的表面预处理；b、将钽喷丝头用铁丝悬挂于钽灯丝上，与灯丝一同碳化，碳源浓度10-20％，气压2-5kpa，衬底温度900-1200℃，碳化时间0.5h，以此作为钽喷丝头CVD法沉积金刚石薄膜前的表面碳化处理，且沉积金刚石薄膜前可选择进行碳化处理或不进行碳化处理；c、CVD法沉积金刚石薄膜过程中，碳源浓度1-4％，气压0.5-5kpa，衬底温度600-900℃，沉积时间控制在0.5-2h。
在本发明中，金刚石薄膜的粒径随工艺参数的改变而改变，通过工艺参数的选择，可使其粒径纳米化。
在本发明中，金刚石薄膜可以沉积在各种形状的钽喷丝头表面，而非只能沉积在特种形状的钽喷丝头表面。
在本发明中，钽喷丝头表面进行预处理，可使金刚石薄膜在钽喷丝头表面沉积时，得到较高的成核密度，从而获得细腻、致密，且与衬底结合力好的金刚石薄膜。
在本发明中，钽喷丝头在沉积金刚石薄膜前，可以选择进行碳化处理或不进行碳化处理。碳化处理有助于提高金刚石薄膜在钽喷丝头表面的结合力，获得效果更佳表面强化层。
在本发明CVD法沉积金刚石薄膜中，反应气体可以是丙酮和氢气，也可以是甲烷等含碳氢的混合气体。
在本发明中，各项CVD工艺参数对钽喷丝头表面沉积的金刚石薄膜影响简述如下1.碳源浓度与气压碳源浓度与气压是相互影响的两个参数，反应气氛中单位体积的碳含量需控制在一定范围内，因此，当碳源浓度较高时，气压应控制得较低；当碳源浓度较低时，气压应控制得较高。反应气氛中的碳源浓度及气压影响着金刚石薄膜粒径的大小，一般来说，碳源浓度越高而气压越低，则金刚石薄膜粒径越小。
2.衬底温度衬底温度影响着金刚石薄膜的形核与长大，因此，它也是影响金刚石薄膜粒径的重要参数，一般来说，衬底温度越高，则金刚石薄膜粒径越小。
3.沉积时间沉积时间决定了金刚石薄膜的厚度，在其它工艺条件一致的情况下，金刚石薄膜的厚度随着沉积时间的延长而增大。在钽喷丝头表面沉积的金刚石薄膜，其厚度一般控制在2-10μm，薄膜过薄，则起不到表面强化的效果，薄膜过厚，则影响钽喷丝头的精度。
本发明除有CVD法工艺较简单，可控性强，可用于各种形状的喷丝头表面等特点外，由于金刚石本身优异的性能，作为表面强化层具有如下优势1.硬度金刚石具有最高的硬度，以它作为表面强化层能使钽喷丝头的表面硬度获得极大地提高，可达1000HV以上，而其它各工艺所形成的表面强化层很难突破1000HV。相比较而言，作为金刚石薄膜，通过改变工艺参数使其粒径纳米化，可以获得比普通金刚石薄膜更高的表面硬度。
2.耐碱性能金刚石具有极佳的化学稳定性，普通的碱性溶液根本无法将其腐蚀，在钽喷丝头表面沉积致密的金刚石薄膜可有效阻断碱性溶液与钽的大面积接触，从而提高整个钽喷丝头的耐碱腐蚀性能，经实验比较，表面沉积金刚石薄膜的钽喷丝头，其腐蚀速率仅为纯钽喷丝头的二十分之一。相比较而言，作为金刚石薄膜，通过改变工艺参数使其粒径纳米化，可以获得比普通金刚石薄膜更致密的表面强化层，从而更有效地保护钽喷丝头被碱腐蚀。
3.热应力金刚石具有很高的热导率，将其沉积于喷丝头表面，一旦喷丝头表面受热，热量能很快地传递至喷丝头内部，从而降低喷丝头表面金刚石薄膜强化层与内部的温度差，有效控制住表面强化层与喷丝头内部之间的热应力增长。
利用本发明工艺对钽喷丝头表面进行强化保护，可显著提高喷丝头的可纺性能，使喷丝头的使用寿命大幅延长，并防止微孔变形，保证了纺丝的精度。通过工艺参数的改变，粒径纳米化的金刚石薄膜具有比普通金刚石薄膜更小的表面粗糙度，从而获得更高的纺丝质量。
图1为本发明实施例1金刚石薄膜的场发射扫描电镜照片图2为本发明实施例3小粒径金刚石薄膜的场发射扫描电镜照片图3为本发明实施例5纳米金刚石薄膜的场发射扫描电镜照片具体实施方式
结合本发明技术方案提供以下实施例实施例1将经过预处理表面粗糙度为0.1μm的钽喷丝头，先进行碳化预处理，碳源浓度12％，气压4kpa，衬底温度960℃，碳化时间0.5h，再置于CVD腔室中，进行金刚石薄膜沉积，碳源浓度1.5％，气压4kpa，衬底温度600℃，沉积时间0.5h，待冷却后取出。
沉积所得的金刚石薄膜(图1)厚度为3μm，不够致密，喷丝头表面粗糙度为0.7μm，表面硬度为1100HV。经过可纺性试验，其纺丝质量较好，长时间使用后，喷丝头没有明显变形，其表面略有腐蚀，金刚石薄膜没有脱落现象。
实施例2；将经过预处理表面粗糙度为0.1μm的钽喷丝头，不经碳化预处理，直接置于CVD腔室中，进行金刚石薄膜沉积，碳源浓度1.5％，气压4kpa，衬底温度600℃，沉积时间0.5h，待冷却后取出。
沉积所得的金刚石薄膜厚度为3μm，不够致密，喷丝头表面粗糙度为0.7μm，表面硬度为1100HV。经过可纺性试验，其纺丝质量较好，长时间使用后，喷丝头没有明显变形，其表面略有腐蚀，金刚石薄膜有部分脱落现象。
实施例3将经过预处理表面粗糙度为0.1μm的钽喷丝头，先进行碳化预处理，碳源浓度12％，气压4kpa，衬底温度960℃，碳化时间0.5h，再置于CVD腔室中，进行金刚石薄膜沉积，碳源浓度3％，气压1.5kpa，衬底温度750℃，沉积时间0.6h，待冷却后取出。
沉积所得的金刚石薄膜(图2)颗粒细小化了，其厚度为3μm，较致密，喷丝头表面粗糙度为0.4μm，表面硬度为1150HV。经过可纺性试验，其纺丝质量良好，长时间使用后，喷丝头没有明显变形，其表面没有明显腐蚀，金刚石薄膜没有脱落现象。
实施例4将经过预处理表面粗糙度为0.1μm的钽喷丝头，不经碳化预处理，直接置于CVD腔室中，进行金刚石薄膜沉积，碳源浓度3％，气压1.5kpa，衬底温度750℃，沉积时间0.6h，待冷却后取出。
沉积所得的小粒径金刚石薄膜厚度为3μm，较致密，喷丝头表面粗糙度为0.4μm，表面硬度为1150HV。经过可纺性试验，其纺丝质量良好，长时间使用后，喷丝头没有明显变形，其表面没有明显腐蚀，金刚石薄膜有部分脱落现象。
实施例5将经过预处理表面粗糙度为0.1μm的钽喷丝头，先进行碳化预处理，碳源浓度12％，气压4kpa，衬底温度960℃，碳化时间0.5h，再置于CVD腔室中，进行金刚石薄膜沉积，碳源浓度4％，气压0.5kpa，衬底温度900℃，沉积时间0.8h，待冷却后取出。
沉积所得的金刚石薄膜(图3)颗粒纳米化了，其厚度为3μm，非常致密，喷丝头表面粗糙度为0.1μm，表面硬度为1225HV。经过可纺性试验，其纺丝质量比实施例1-4中的喷丝头更优，长时间使用后，喷丝头没有明显变形，其表面没有明显腐蚀，金刚石薄膜没有脱落现象。
实施例6将经过预处理表面粗糙度为0.1μm的钽喷丝头，不经碳化预处理，直接置于CVD腔室中，进行金刚石薄膜沉积，碳源浓度4％，气压0.5kpa，衬底温度960℃，沉积时间0.8h，待冷却后取出。
沉积所得的纳米金刚石薄膜厚度为3μm，非常致密，表面粗糙度为0.1μm，喷丝头表面硬度为1225HV。经过可纺性试验，其纺丝质量比实施例1-4中的喷丝头更优，长时间使用后，喷丝头没有明显变形，其表面没有明显腐蚀，金刚石薄膜有部分脱落现象。
权利要求
1.一种钽喷丝头表面化学气相沉积金刚石薄膜强化方法，其特征在于，步骤如下a、将钽喷丝头置于含金刚石微粉的酒精悬浮液中，采用超声打磨，再用丙酮与酒精分别超声清洗钽喷丝头表面，以此作为钽喷丝头CVD法沉积金刚石薄膜前的表面预处理；b、CVD法沉积金刚石薄膜，沉积过程中，碳源浓度1-4％，气压0.5-5kpa，衬底温度600-900℃，沉积时间控制在0.5-2h。
2.如权利要求1所述的钽喷丝头表面化学气相沉积金刚石薄膜强化方法，其特征在于步骤a中，超声打磨时间为30min，丙酮与酒精分别超声清洗钽喷丝头表面各10min。
3.如权利要求1所述的钽喷丝头表面化学气相沉积金刚石薄膜强化方法，其特征在于在步骤a和b之间，进行钽喷丝头CVD法沉积金刚石薄膜前的表面碳化处理，具体为将钽喷丝头用铁丝悬挂于钽灯丝上，与灯丝一同碳化，碳源浓度10-20％，气压2-5kpa，衬底温度900-1200℃，碳化时间0.5h。
4.如权利要求1所述的钽喷丝头表面化学气相沉积金刚石薄膜强化方法，其特征在于金刚石薄膜的粒径大小通过工艺参数的调节来控制。
5.如权利要求1所述的钽喷丝头表面化学气相沉积金刚石薄膜强化方法，其特征在于金刚石薄膜通过CVD法沉积在各种形状的钽喷丝头表面。
6.如权利要求1所述的钽喷丝头表面化学气相沉积金刚石薄膜强化方法，其特征在于CVD法沉积金刚石薄膜中，反应气体是丙酮或氢气，或者是含碳氢的混合气体。
全文摘要
一种钽喷丝头表面化学气相沉积金刚石薄膜强化方法，步骤如下a.将钽喷丝头置于含金刚石微粉的酒精悬浮液中，采用超声打磨，再用丙酮与酒精分别超声清洗钽喷丝头表面，以此作为钽喷丝头CVD法沉积金刚石薄膜前的表面预处理；b.CVD法沉积金刚石薄膜，沉积过程中，碳源浓度1－4％，气压0.5－5kpa，衬底温度600－900℃，沉积时间控制在0.5－2h。本发明方法工艺较简单，可控性强，可用于各种形状的喷丝头表面，且极大提高了钽喷丝头表面的硬度及耐碱腐蚀能力，并能有效控制由于温度差而产生的局部热应力，沉积金刚石薄膜后的喷丝头纺丝质量和使用寿命都得到了提高。
文档编号D01D4/00GK1896303SQ200610027989
公开日2007年1月17日 申请日期2006年6月22日 优先权日2006年6月22日
发明者姚锦元, 王裕超 申请人:上海交通大学