本发明涉及材料制造领域，尤其是涉及一种谐波减速器用柔性齿轮微弧离子镀表面处理方法。
背景技术：
减速器作为一种重要的精密机械基础件，广泛应用于工业机器人，数控机床，航空航天等精密机械驱动控制领域。例如，在工业机器人四大核心部件的生产成本中，减速器占比最大（30%以上），然而，国内市场基本全被“洋货”垄断。究其原因，皆因国产减速器轮齿疲劳磨损寿命低而导致产品耐用性不够、精度差。
离子镀表面处理膜层微米可控，摩擦学性能优异，适宜耐磨零部件的最终处理工序。但“磁控溅射”的空间分布均匀和绕镀性差以及“多弧离子镀”的表面粗糙和温升高等缺点成为制约它们向更广域的精密机械基础件和电子元器件制造领域扩展的瓶颈。“微弧离子镀”是近几年发展起来的最新离子镀技术，集成了磁控溅射和多弧离子镀的优点，是一种电压脉冲宽度小于“诱发出微区熔池”的临界时间、电流脉冲宽度又足以维持有效沉积的电压电流独立调制技术。但微弧离子镀装备及技术工艺秘密被个别欧洲企业保护起来，几乎无任何技术资料和专利报道。
本发明采用微弧离子镀技术于谐波减速器柔性齿轮摩擦副表面制备一层0.3～5μm具有优异摩擦学特性的耐磨减摩非晶碳镀层，得到了镀膜工艺对膜层性能的影响规律，赋予了减速器高速高承载、低摩擦的特性。
技术实现要素：
本发明的目的是为解决现有减速器轮齿疲劳磨损寿命低而导致产品耐用性不够、精度差的问题，提供一种谐波减速器用柔性齿轮微弧离子镀表面处理方法，本发明方法处理的柔性齿轮具有自润滑功能，用于谐波减速器上，避免在瞬间超载和超速等工况条件下齿轮摩擦副间直接接触导致的磨损和疲劳破坏，从而期望达到减速器整机的“减磨延寿”
本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：
一种谐波减速器用柔性齿轮微弧离子镀表面处理方法，在柔性齿轮表面制备厚度为0.3μm～5μm的非晶碳镀层，该镀层的硬度为1200HV～2000HV，摩擦系数为0.08～0.20，包括如下步骤：
步骤一：抽真空
首先取待加工的柔性齿轮并对其进行经过超声波除蜡和除油清洗，再利用0.5MPa～5MPa的高压空气将清洗后的柔性齿轮吹干，将吹干后的柔性齿轮放入四靶微弧离子镀设备真空室中，并安装在工作盘上，所述真空室内放置有两个铬靶材和两个石墨靶材，对真空室进行抽真空处理，使真空室内到达小于3.0×10-3Pa的真空度，以10sccm～100sccm的气流量往真空室内通入氩气，此步骤保持真空室中的工作气压为5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa，既可以保证气体原子对靶材的有效轰击，又可以尽量避免对待镀原子的碰撞所造成的动量损失。
步骤二：离子溅射清洗
对步骤二中的真空室内持续通入氩气，保持真空室中5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa的工作气压，直接对铬靶材施加100V～500V的电压，对柔性齿轮施加200V～500V的负偏压、脉冲宽度为1μs～6μs，脉冲频率为50KHz～500KHz，以便于对真空室内的柔性齿轮进行离子溅射清洗，溅射清洗时间为20min～60min；此步骤中控制适当的电参数和腔室真空度，以达到有效的溅射清洗效果，同时又避免在待镀件表面引入新的杂质元素。
步骤三：沉积纯铬打底层
接步骤二对真空室中持续通入氩气，保持真空室中5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa的工作气压，调节铬靶材的靶电压至300V～900V，同时将施加在柔性齿轮上的负偏压调节至150V～300V，脉冲宽度设定为1μs～6μs，脉冲频率设定为50KHz～500KHz，控制沉积时间为5min～30min沉积形成纯铬打底层；金属铬与钢具有较好的相容性，控制适当的电参数将铬原子溅射或发射到待镀钢材料表面作为打底层，与钢基体形成较高的结合强度，同时保证待镀件各位置膜层均匀致密。
步骤四：沉积过渡层
接步骤三对真空室中持续通入氩气，同时保持真空室中5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa的工作气压，调节铬靶材上的靶电压至100V～600V，同时将石墨靶材的电压调节至200V～800V，将施加在柔性齿轮上的负偏压调节至100V～300V，脉冲宽度设定为1μs～6μs，脉冲频率设定为50KHz～500KHz，控制沉积时间为20min～60min沉积形成过渡层；此步骤中，控制适当的电参数，保证膜层从金属铬向非晶碳均匀过渡，避免断层的存在，从而达到高的结合强度。
步骤五：沉积非晶碳工作层
接步骤四持续对真空室内通入氩气，保持真空腔室中5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa的工作气压，保持铬靶材和石墨靶材的电压和电流参数不变；同时，将施加在柔性齿轮上的负偏压调节至100V～300V，脉冲宽度设定为1μs～6μs，脉冲频率设定为50KHz～500KHz，控制沉积时间为100min～300min沉积形成非晶碳工作层，至此柔性齿轮表面处理完成。此步骤中电参数的设定既可以保证非晶碳工作层的沉积纳米结构化，又避免大尺寸熔滴的出现，从而获得均匀致密的膜层，兼具低的摩擦系数和高的硬度。
所述的步骤一中控制各靶材与柔性齿轮之间的距离为20mm～220mm，工作盘主轴的旋转速度为1r/min～30r/min，工作盘的轴向运动幅度为－200mm～＋200mm。
所述的各步骤中铬靶材上靶电压的调节速率均为0.5V/min～100V/min，各步骤中石墨靶材上靶电压的调节速率均为0.5V/min～100V/min。
所述的各步骤中使用的石墨靶材的含碳量不小于99.99%。
本发明的有益效果是：与未进行表面处理的谐波减速器相比，本发明方法的微弧离子镀表面处理技术赋予谐波减速器的齿轮摩擦副表面极小的摩擦系数，以及较高的硬度，在超载和超速的情况下可以极大地降低摩擦副之间的磨损和疲劳破坏。同时，与其他表面处理方法相比，本发明方法处理后的谐波减速器兼具低摩擦系数和高硬度，表面处理膜层均匀致密，结合力高，同时工艺低温可控，避免了金属熔滴的出现。因此，本发明方法赋予了减速器高速高承载、低摩耐磨、自润滑的特性。从而提高国产谐波减速器的科技含量和服役寿命，保证此核心部件的市场竞争力。
具体实施方式
具体实施方式如下：
一种谐波减速器用柔性齿轮微弧离子镀表面处理方法，在柔性齿轮表面制备厚度为0.3μm～5μm的非晶碳镀层，该镀层的硬度为1200HV～2000HV，摩擦系数为0.08～0.20，包括如下步骤：
步骤一：抽真空
首先取待加工的柔性齿轮并对其进行经过超声波除蜡和除油清洗，再利用0.5MPa～5MPa的高压空气将清洗后的柔性齿轮吹干，将吹干后的柔性齿轮放入四靶微弧离子镀设备真空室中，并安装在工作盘上，所述真空室内放置有两个铬靶材和两个石墨靶材，对真空室进行抽真空处理，使真空室内到达小于3.0×10-3Pa的真空度，以10sccm～100sccm的气流量往真空室内通入氩气，此步骤保持真空室中的工作气压为5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa，既可以保证气体原子对靶材的有效轰击，又可以尽量避免对待镀原子的碰撞所造成的动量损失。
步骤二：离子溅射清洗
对步骤二中的真空室内持续通入氩气，保持真空室中5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa的工作气压，直接对铬靶材施加100V～500V的电压，对柔性齿轮施加200V～500V的负偏压、脉冲宽度为1μs～6μs，脉冲频率为50KHz～500KHz，以便于对真空室内的柔性齿轮进行离子溅射清洗，溅射清洗时间为20min～60min；此步骤中控制适当的电参数和腔室真空度，以达到有效的溅射清洗效果，同时又避免在待镀件表面引入新的杂质元素。
步骤三：沉积纯铬打底层
接步骤二对真空室中持续通入氩气，保持真空室中5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa的工作气压，调节铬靶材的靶电压至300V～900V，同时将施加在柔性齿轮上的负偏压调节至150V～300V，脉冲宽度设定为1μs～6μs，脉冲频率设定为50KHz～500KHz，控制沉积时间为5min～30min沉积形成纯铬打底层；金属铬与钢具有较好的相容性，控制适当的电参数将铬原子溅射或发射到待镀钢材料表面作为打底层，与钢基体形成较高的结合强度，同时保证待镀件各位置膜层均匀致密。
步骤四：沉积过渡层
接步骤三对真空室中持续通入氩气，同时保持真空室中5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa的工作气压，调节铬靶材上的靶电压至100V～600V，同时将石墨靶材的电压调节至200V～800V，将施加在柔性齿轮上的负偏压调节至100V～300V，脉冲宽度设定为1μs～6μs，脉冲频率设定为50KHz～500KHz，控制沉积时间为20min～60min沉积形成过渡层；此步骤中，控制适当的电参数，保证膜层从金属铬向非晶碳均匀过渡，避免断层的存在，从而达到高的结合强度。
步骤五：沉积非晶碳工作层
接步骤四持续对真空室内通入氩气，保持真空腔室中5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa的工作气压，保持铬靶材和石墨靶材的电压和电流参数不变；同时，将施加在柔性齿轮上的负偏压调节至100V～300V，脉冲宽度设定为1μs～6μs，脉冲频率设定为50KHz～500KHz，控制沉积时间为100min～300min沉积形成非晶碳工作层，至此柔性齿轮表面处理完成。此步骤中电参数的设定既可以保证非晶碳工作层的沉积纳米结构化，又避免大尺寸熔滴的出现，从而获得均匀致密的膜层，兼具低的摩擦系数和高的硬度。
所述的步骤一中控制各靶材与柔性齿轮之间的距离为20mm～220mm，工作盘主轴的旋转速度为1r/min～30r/min，工作盘的轴向运动幅度为－200mm～＋200mm。
所述的各步骤中铬靶材上靶电压的调节速率均为0.5V/min～100V/min，各步骤中石墨靶材上靶电压的调节速率均为0.5V/min～100V/min。
所述的各步骤中使用的石墨靶材的含碳量不小于99.99%。
为了验证本发明方法对谐波减速器柔性齿轮的表面改性效果，特列出下面几个实施例，如下表。其中柔性齿轮材质为540℃-580℃调质处理后的38CrMoAl钢材，基体硬度为718HV，摩擦系数为0.55，镀膜后的膜层性能如表所示。实例1和实例2为按本发明方法设计的表面处理工艺参数，摩擦副表面膜层性能优异；而实例3中个别电参数超出了本发明方法的设计范围，其膜层的膜基结合力和摩擦系数等性能不理想。
表1 谐波减速器柔性齿轮镀膜工艺参数
表2 谐波减速器柔性齿轮镀膜工艺参数及膜层性能
本发明所列举的技术方案和实施方式并非是限制，与本发明所列举的技术方案和实施方式等同或者效果相同方案都在本发明所保护的范围内。