本发明涉及一种齿轮加工中用于干切削的纳米涂层刀具的涂覆方法。
背景技术：
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随着人类对资源和环境保护的日益重视，“清洁化生产”的概念已逐渐引起人们关注，并成为未来制造业的重要发展方向之一。 在金属切削加工中，切削液具有冷却、润滑、清洗、排屑、防锈等功能，对延长刀具寿命，保证加工质量起着重要作用。但是，切削液的广泛使用，不但浪费大量资源，增加了加工成本，而且污染环境，甚至危害工人健康。切削废液的处理已成为现代制造业的一大难题。干切削是消除切削液污染，实现清洁化生产的有效途径。干切削技术的发展在很大程度上要依赖于新型刀具的开发与应用。陶瓷刀具由于具有高耐热性和良好的化学稳定性，非常适合用于干切削。但陶瓷材料脆性大、强度及韧性差等固有物理特性却在很大程度上限制了它在干切削中的应用。
提高陶瓷材料强度及韧性最有效的方法是减小陶瓷晶粒尺寸，提高材料纯度。 在陶瓷刀片制造过程中，特别在高温烧结时，存在晶粒长大现象。为遏制晶粒长大，常在陶瓷粉末中加入MgO作为抑制剂，但该氧化物烧结后形成玻璃相，沉积于晶界处，使晶界分离，从而降低了晶界强度，且易产生晶间碎裂。如能在低温下烧结陶瓷，则无须添加抑制剂，就可避免上述现象，提高陶瓷刀片性能。 最近，日本学者开发了一种微细颗粒(0.22µm)、高纯度(99.99%)的新型氧化铝陶瓷粉末用于制造陶瓷刀片。这种微细粉末具有很大的比表面积(15.1m²/g)，压实时具有极大的表面能，在此能量作用下，烧结时所需温度明显降低，在1230℃时即可充分烧结，这就意味着烧结时无须添加抑制剂，从而使晶界处无杂质存在。 制造这种陶瓷刀片时可采用高速离心压实方法，在10-20×10³G的强大离心力作用下压实坯料，经干燥后在1230℃的温度下烧结1.5小时即可获得成品。
技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种齿轮加工中用于干切削的纳米涂层刀具的涂覆方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种齿轮加工中用于干切削的纳米涂层刀具的涂覆方法，刀具的纳米涂层的涂覆可采用先进的封闭场不平衡磁溅射法(CFUMS)，具体步骤如下所述：磁源靶置于真空室内壁上，被涂刀具置于转鼓上，将氩气通入真空室中。根据涂层材料是非导体或导体，分别用RF和DC电源进行磁化产生等离子，当沉积多层薄膜时需要两种不同材料的等离子体，这时则可采用两个靶，当转鼓转一整转，即可沉积一层双材料层，根据涂层所需层厚，可确定所需双材料层的层数，从而确定转鼓转动转数，每一层涂层的层厚则可通过每个靶的功率、转鼓的转速以及靶材料的溅射特性来控制；对获得的涂层质量进行检查，用针式轮廓测量仪测量涂层总厚度；用x射线衍射法测量单层涂层或双材料层的厚度；用纳米硬度测量法测量涂层硬度。
本发明的有益效果：
本发明方法与普通磁溅射法相比，具有效率高、功率消耗小、溅射室压力小、温度低、靶到工件距离大等优点，获得的涂层更纯净、更致密、性能更一致。此外，试验证明，CFUMS法生产重复性好，涂层具有更高的粘结强度，摩擦系数恒定，因而在干切削中具有更长的使用寿命。
为了改善刀具的切削性能，新的刀具涂层材料及涂覆方法层出不穷，本发明是最成功的一种。本涂层方法可采用多种涂层材料的不同组合(如金属/金属组合、金属/陶瓷组合、陶瓷/陶瓷组合、固体润滑剂/金属组合等)，以满足不同的功能和性能要求。设计合理的纳米涂层可使刀具的硬度和韧性显著增加，使其具有优异的抗摩擦磨损及自润滑性能，十分适合用于干切削。
具体实施方式：
实施例1：
一种齿轮加工中用于干切削的纳米涂层刀具的涂覆方法，刀具的纳米涂层的涂覆可采用先进的封闭场不平衡磁溅射法(CFUMS)，具体步骤如下所述：磁源靶置于真空室内壁上，被涂刀具置于转鼓上，将氩气通入真空室中。根据涂层材料是非导体或导体，分别用RF和DC电源进行磁化产生等离子，当沉积多层薄膜时需要两种不同材料的等离子体，这时则可采用两个靶，当转鼓转一整转，即可沉积一层双材料层，根据涂层所需层厚，可确定所需双材料层的层数，从而确定转鼓转动转数，每一层涂层的层厚则可通过每个靶的功率、转鼓的转速以及靶材料的溅射特性来控制；对获得的涂层质量进行检查，用针式轮廓测量仪测量涂层总厚度；用x射线衍射法测量单层涂层或双材料层的厚度；用纳米硬度测量法测量涂层硬度。
实施例2：
所述的齿轮加工中用于干切削的纳米涂层刀具的涂覆方法，硬/硬复合涂层材料常用B4C/SiC、HfC/SiC和HfC/B4C，这种表面涂层可为刀具提供高温氧化保护。此外，在切削加工中发现，碳化物/金属复合涂层处会产生定向金属氧化。当TiAlN中的Al氧化生成氧化铝时，可改善TiN涂层的性能，使其导热系数减小，抗氧化扩散的保护能力提高。Al与硬度更高(与TiN相比)的B4C、HfC、SiC等碳化物组成复合涂层，可更进一步提高涂层性能。此外，具有较小摩擦系数的氧化物膜可减少刀具与工件界面处产生的切削热。能形成这种低摩擦系数的氧化物保护膜的金属有Al、Ta、Mo和W。例如在陶瓷表面离子注入混合的Ti和Ni而形成的表面具有极小的摩擦系数(0.06～0.09)；由Zr的氧化物形成的氧化锆表面摩擦系数更小，且具有优异的抗热及散热性能。层状结晶的二硫化物也具有较小的摩擦系数，如二硫化钼(MoS2)是常用的固体润滑剂，但它在空气中加热到350～400℃时即显著氧化，如将MoS2与耐热金属Mo组合成复合涂层MoS2/Mo，则其耐热能力可明显提高。其它一些耐热金属的二硫化物(如WS2、TaS2)在空气中比MoS2具有更好的稳定性，如WS2在600～650℃时才氧化，而TaS2在空气中加热到750℃时仍保持稳定。因此，由耐热金属的二硫化物与耐热金属组合的复合涂层(如WS2/W和TaS2/Ta)具有优异的抗高温性能。