專利名稱：陶瓷閥芯的超納米金剛石涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陶瓷閥芯表面改性的方法，特別是涉及到提高陶瓷閥芯基體整體性能的超納米金剛石涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
超納米金剛石涂層是指膜層中晶粒尺寸小于40nm的附著性金剛石薄膜。與傳 統(tǒng)的金剛石膜相比，其表面更為平整光滑，硬度基本接近(可達(dá)60GPa，而傳統(tǒng)金剛石膜為 SOGPa左右)，但結(jié)構(gòu)有所不同它是以Sp3雜化的碳原子占絕大多數(shù)的(sp3雜化的碳原子 大于75% )，具有某種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膜層中晶粒尺寸小于40nm的碳薄膜。陶瓷閥芯是一種使用工程陶瓷材料取代傳統(tǒng)橡膠、鋼鐵作為密封件的新型高技術(shù) 產(chǎn)品。由于陶瓷芯的高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、耐高溫、無磨損的耐久性，使水龍頭及油氣閥 門可在各種介質(zhì)中長期使用(壽命較傳統(tǒng)產(chǎn)品延長十倍以上)，并能始終保持密封嚴(yán)密無 跑冒滴漏，開關(guān)靈活，手感輕便。同時這一新技術(shù)的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)水龍頭閥門的結(jié)構(gòu)，將 過去的螺旋升降、擠壓橡膠密封件達(dá)到關(guān)閉的水龍頭閥門工作方式，改為搬動手柄90°就 可實(shí)現(xiàn)快速開啟與關(guān)閉。同時可任意訊速調(diào)節(jié)水流量大小，達(dá)到節(jié)水的目的。在新型陶瓷閥芯水龍頭中，陶瓷閥芯是決定其性能和特點(diǎn)的心臟部件，它的尺寸 形狀精度、表面粗糙度、材質(zhì)硬度、摩擦系數(shù)、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性直接決定了水龍頭的密 封效果(是否跑昌滴漏)，使用壽命和操作靈便性，因而對陶瓷芯產(chǎn)品的制備和加工技術(shù)提 出了極度高的要求。國標(biāo)要求制作陶瓷閥芯必須采用95瓷以上的Al2O3材料(以保證產(chǎn)品 硬度、耐磨性、耐蝕性)，且使用壽命不得低于20萬次，使用期內(nèi)正常水壓條件下(1. 6MPa) 不能有滴漏。目前市售的陶瓷閥芯有進(jìn)口產(chǎn)品(德國、西班牙、意大利、日本、臺灣產(chǎn))和國產(chǎn) 產(chǎn)品兩類，檔次較高的(價格在4、5百元以上甚至達(dá)萬元的龍頭配用，最好的能保證50 60萬次開合，十年使用期)全部為進(jìn)口貨，單件價格在百元以上；國產(chǎn)產(chǎn)品(僅能用在幾 十元 幾百元的低檔龍頭上)貴的可賣二、三十元一片，便宜的只賣1 2元，造成這一巨 大價差的根本原因在于國產(chǎn)閥芯的品質(zhì)與進(jìn)口產(chǎn)品比起來相距太遠(yuǎn)，甚至多數(shù)達(dá)不到國標(biāo) (GB/T18145-2000)的要求，主要方面包括閥芯材料硬度、耐磨性不夠(有的是因?yàn)樘沾芍?備技術(shù)差引起，有的是由于生產(chǎn)廠家偷工減料選用普通瓷片造成)，使得閥門的壽命太短； 其次閥芯表面光潔度、平整度差，尺寸精度不夠高(由于材料致密度低或機(jī)加工技術(shù)不夠 精密引起)，使得閥門各部件密封配合間隙大，易造成滴漏水。這些技術(shù)欠缺使得國產(chǎn)陶瓷 芯水龍頭產(chǎn)品的合格率太低，最終導(dǎo)致推廣節(jié)水型陶瓷芯水龍頭的工作進(jìn)展不暢、資源浪 費(fèi)大(安裝使用后再更換對材料、人力和水資源都已造成了巨大浪費(fèi))。通常提高陶瓷制品性能的技術(shù)途徑都是從陶瓷材料的制備技術(shù)以及燒成品機(jī)加 工技術(shù)兩方面綜合入手，包括材料配方、成型、燒結(jié)的相關(guān)工藝軟件技術(shù)及相應(yīng)的材料生產(chǎn) 設(shè)備、機(jī)加工設(shè)備等硬件技術(shù)條件。由于95A1203瓷工程材料的應(yīng)用已有幾十年的歷史，其 制備工藝已相當(dāng)成熟，因而國內(nèi)外產(chǎn)品性能差距大的主要原因還在于相關(guān)設(shè)備的水平和能力上。要靠我國自行解決此方面問題尚有待國內(nèi)的相關(guān)設(shè)備行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步以及國家工業(yè) 總體水平的提高，這是一個較長的過程。另一條路子是大量引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備來制造高性 能產(chǎn)品，這需要大量資金的支撐同時還受技術(shù)壁壘的制約，即使可以解決也會使國產(chǎn)產(chǎn)品 的成本大幅上揚(yáng)，競爭力削弱?？紤]到國產(chǎn)陶瓷閥芯存在的問題主要是由材料表面性能不 足(硬度、耐磨性不夠，粗糙度大)。故若能在不改變現(xiàn)有閥芯材料基體的條件下，通過表面 改性技術(shù)手段提高其表面硬度、耐磨性、表面粗糙度等性能指標(biāo)，完全可以使整個產(chǎn)品的性 能得到大幅度提升，從而僅僅是附加一道快速經(jīng)濟(jì)的表面改性處理工序即實(shí)現(xiàn)了使產(chǎn)品整 體性能得到提高的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種對平面水龍頭陶瓷閥芯表 面改性，以提高陶瓷閥芯表面硬度、耐磨性、表面粗糙度等性能的陶瓷閥芯的超納米金剛石 涂層的制備方法，使水龍頭及油氣閥門可在各種介質(zhì)中長期使用，并能始終保持密封嚴(yán)密 無跑冒滴漏，開關(guān)靈活，手感輕便。本發(fā)明的解決方案是一種陶瓷閥芯的超納米金剛石涂層的制備方法，其特點(diǎn)是 包括以下步驟(a)將平面水龍頭陶瓷閥芯用浸泡液浸泡，(b)用金剛石微粉懸浮液超聲研磨基體表面，(c)將陶瓷閥芯放入微波等離子體反應(yīng)腔中生長超納米金剛石涂層；其中反應(yīng)腔 中通入反應(yīng)氣源氣體流量為500 800mL/min，氣體壓力為10000 13000Pa，陶瓷閥芯溫 度控制在600 1000°C，并維持4 5h。采用本發(fā)明解決方案主要理由是首先，化學(xué)氣相沉積金剛石的溫度高(600 1000°C)，有利于金剛石膜在基體上的高強(qiáng)度結(jié)合(可形成厚擴(kuò)散層)；其次，超納米金剛石 在所有材料中耐磨性最好、硬度最大，且摩擦系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小，可自潤滑，化學(xué)穩(wěn)定性 好，無毒無害，疏水性強(qiáng)，將它鍍覆于Al2O3基體表面不僅能提高耐摩擦磨損性能，而且可進(jìn) 一步提高其生物化學(xué)惰性、耐蝕性和滑動性；第三，由于金剛石的形核功大，沉積的金剛石 涂層要優(yōu)先在陶瓷閥芯基體表面的缺陷處形核生長，再加上超納米金剛石薄膜表面極其平 整光滑，從而可保證膜層表面粗糙度低于原始基體表面，并進(jìn)一步提高整個閥門產(chǎn)品的密 封性、滑動性和耐磨性。綜合以上分析，用超納米金剛石涂層技術(shù)來提高現(xiàn)有國產(chǎn)陶瓷閥芯 的性能和質(zhì)量，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和實(shí)用性等諸多方面比較都是十分理想的一條途徑。本發(fā)明的解決方案中浸泡液可采用酸性浸泡液或堿性浸泡液。本發(fā)明的解決方案中超聲研磨金剛石微粉細(xì)度為0. 5-40 μ m。本發(fā)明的解決方案中反應(yīng)氣源為甲烷和氬氣的混合氣體，其中甲烷濃度為 2%;或甲烷、氬氣和氫氣的混合氣體，其中甲烷濃度為1% 2%，氫氣濃度為15% 18%。本發(fā)明的解決方案中微波等離子體反應(yīng)腔中陶瓷閥芯溫度控制在800 900°C。本發(fā)明的解決方案中超聲研磨基體表面采用超聲波發(fā)生器中超聲研磨處理 20mino本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)超納米金剛石膜的生長溫度高(600 1000°C )，利于膜基界面層形成，生長出的超納米金剛石涂層結(jié)合強(qiáng)度高。(2)生成的超納米金剛石涂層耐磨性最好、硬度最大，且摩擦系數(shù)和熱膨脹系數(shù) 小，可自潤滑，化學(xué)穩(wěn)定性好，無毒無害，疏水性強(qiáng)，可提高陶瓷閥芯水龍頭的整體性能，使 用壽命延長十倍以上。(3)沉積出的超納米金剛石涂層平整光滑，不需拋光。(4)本陶瓷閥芯改性方法快速簡便，成本較低。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
將平面水龍頭陶瓷閥芯放入90°C 10mol/l硝酸溶液刻蝕12h，取出用水沖洗干凈； 再置于放有0.5μπι金剛石微粉的乙醇懸浮液中，用超聲波發(fā)生器超聲研磨處理20min;然 后用乙醇溶液將樣品清洗干凈、吹干，放置于微波等離子體反應(yīng)腔中，抽真空，開啟微波發(fā) 生器，控制氣體流量為500 800mL/min，工作氣體是CH4和Ar，CH4濃度1 % 2%，再把微 波功率升高到1200W 1300W，氣體壓力保持10000 13000Pa，陶瓷閥芯溫度800 900°C， 并維持4 5h，最后逐漸降低微波功率緩慢將樣品降至室溫。實(shí)施例2 將平面水龍頭陶瓷閥芯放入420°C馬弗爐中的熔融KOH里表面刻蝕5min，取出用 水沖洗干凈；再置于放有0. 5 μ m金剛石微粉的乙醇懸浮液中，用超聲波發(fā)生器超聲研磨處 理20min ；然后用乙醇溶液將樣品清洗干凈、吹干，放置于微波等離子體反應(yīng)腔中之后超納 米金剛石涂層的生長過程同實(shí)施例1。實(shí)施例3 將平面水龍頭陶瓷閥芯進(jìn)行用酸(或堿)刻蝕及超聲研磨處理(如實(shí)施例1或?qū)?施例2所述)，放置于微波等離子體反應(yīng)腔中于，抽真空，開啟微波發(fā)生器，控制氣體流量為 500 800mL/min，工作氣體是CH4、Ar與H2的混合氣，CH4濃度1 % 2%，H2濃度15% 18%，再把微波功率升高到1200W 1300W，氣體壓力保持10000 13000Pa，陶瓷閥芯溫度 700 800°C，并維持4 5h，最后逐漸降低微波功率緩慢將樣品降至室溫。
權(quán)利要求
一種陶瓷閥芯的超納米金剛石涂層的制備方法，其特征在于包括以下步驟(a)將平面水龍頭陶瓷閥芯用浸泡液浸泡，(b)用金剛石微粉懸浮液超聲研磨基體表面，(c)將陶瓷閥芯放入微波等離子體反應(yīng)腔中生長超納米金剛石涂層；其中反應(yīng)腔中通入反應(yīng)氣源氣體流量為500～800mL/min，氣體壓力為10000～13000Pa，陶瓷閥芯溫度控制在600～1000℃，并維持4～5h。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷閥芯的超納米金剛石涂層的制備方法，其特征在于浸泡 液為酸性浸泡液或堿性浸泡液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷閥芯的超納米金剛石涂層的制備方法，其特征在于超聲 研磨金剛石微粉細(xì)度為0. 5-40 u m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷閥芯的超納米金剛石涂層的制備方法，其特征在于反應(yīng) 氣源為甲烷和氬氣的混合氣體，其中甲烷濃度為 2%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷閥芯的超納米金剛石涂層的制備方法，其特征在于反應(yīng) 氣源為甲烷、氬氣和氫氣的混合氣體，其中甲烷濃度為 2%，氫氣濃度為15% 18%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷閥芯的超納米金剛石涂層的制備方法，其特征在于在微 波等離子體反應(yīng)腔中陶瓷閥芯溫度控制在800 900°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷閥芯的超納米金剛石涂層的制備方法，其特征在于超聲 研磨基體表面采用超聲波發(fā)生器中超聲研磨處理20min。
全文摘要
本發(fā)明屬于陶瓷閥芯表面改性的方法，特別是涉及到提高陶瓷閥芯基體整體性能的超納米金剛石涂層的制備方法。其步驟是將平面水龍頭陶瓷閥芯用浸泡液浸泡；用金剛石微粉懸浮液超聲研磨基體表面；將陶瓷閥芯放入微波等離子體反應(yīng)腔中生長超納米金剛石涂層。本發(fā)明生成的超納米金剛石涂層耐磨性好、硬度大，且摩擦系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小，可自潤滑，化學(xué)穩(wěn)定性好，無毒無害，疏水性強(qiáng)，可提高陶瓷閥芯水龍頭的整體性能，使用壽命延長十倍以上。使水龍頭及油氣閥門可在各種介質(zhì)中長期使用，并能始終保持密封嚴(yán)密無跑冒滴漏，開關(guān)靈活，手感輕便。
文檔編號C04B41/85GK101830733SQ20091005859
公開日2010年9月15日 申請日期2009年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月13日
發(fā)明者王兵 申請人:王兵