專利名稱:陶瓷刀具的金屬離子注入表面改性方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種陶瓷刀具的金屬離子注入表面改性方法,屬于陶瓷刀具的制備及機械加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
目前常用的金屬切削刀具表面改性工藝有物理氣相淀積(PVD)和化學(xué)氣相淀積(CVD)。其中,CVD法常用在耐高溫刀具基體(如硬質(zhì)合金刀具)上淀積薄膜,因為CVD工藝需要在高溫(750~1000℃)下進(jìn)行,只有使用特殊前軀體才能降低反應(yīng)溫度,因此能耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重。與CVD法相比,PVD法對環(huán)境友好,適合淀積三元和多元亞穩(wěn)定薄膜。淀積溫度低(180~500℃),不會降低基體硬度,常用作導(dǎo)電性良好的金屬類刀具的表面改性。但是仍然存在薄膜與基體結(jié)合力不夠理想以及淀積速率太低的問題。對于陶瓷刀具來說,由于大多數(shù)陶瓷刀具自身的非導(dǎo)電性,作為PVD工藝的沉積基體,難于施加負(fù)偏壓,因此PVD法對陶瓷刀具(尤其是非導(dǎo)電或者弱導(dǎo)電陶瓷刀具)基本上不可行。
離子注入技術(shù)作為一種載能粒子技術(shù),既不需要使用有機前軀體和高溫,也不需要在改性基體上施加負(fù)偏壓,廣泛用各種導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料的表面改性,可以改善材料的表面態(tài),提高材料的力學(xué)性能和光電性能等,如金屬離子注入方法是半導(dǎo)體材料摻雜的重要途徑,對陶瓷刀具進(jìn)行表面改性應(yīng)該也是可能的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于利用金屬蒸汽真空弧(MEVVA)源離子注入機大劑量金屬離子的高速注入功能,通過選擇合適的注入金屬離子,優(yōu)化的注入工藝和最佳的注入劑量,對陶瓷刀具表面進(jìn)行改性,減少以至消除陶瓷刀具表面在加工工藝過程中形成的微裂紋和缺陷,改善陶瓷刀具的表面狀態(tài),提高陶瓷刀具材料的表面硬度,增強陶瓷刀具材料的斷裂韌性,抗彎強度以及高溫力學(xué)性能等,從而提高陶瓷刀具的切削能力。
本發(fā)明提出的陶瓷刀具的金屬離子注入表面改性方法,其特征在于,所述方法采用強束流金屬離子注入技術(shù)對清洗過的刀具基體按照特定的工藝條件注入過渡金屬離子進(jìn)行表面改性。
在上述表面改性方法中,所述注入的離子為鈦、鋯、鉻、鉬、鎢。
在上述表面改性方法中,所述陶瓷刀具為氮化硅及復(fù)合氮化硅、氧化鋁及復(fù)合氧化鋁、硬質(zhì)合金、氧化鋯及氧化鋯增韌陶瓷。
在上述表面改性方法中,所述離子注入技術(shù)所使用的離子源為強束流離子源。
在上述表面改性方法中,所述刀具清洗工藝中包含對刀具依次進(jìn)行自來水、酒精等有機溶劑、酒精-超聲波、高純水-超聲波多步清洗,晾干步驟,所述有機清洗劑為1∶1-5∶1-4的酒精、煤油和丙酮三聯(lián)混合溶劑。
在上述表面改性方法中,在所述陶瓷刀具中分別注入(0.5-25)×1017ions/cm2的鈦、鋯、鉻、鉬或者鎢過渡金屬離子。
在上述表面改性方法中,所述強束流金屬離子注入工藝條件為加速電壓20-120kV、系統(tǒng)真空(1.0-8.0)×10-4Pa,束流強度為1.0-10.0mA,離子注入時間2-20小時,離子注入入射角度為30-60°角,離子源和樣品間距為40-120cm。
采用本技術(shù)改性后的陶瓷刀具,與原來的陶瓷刀具相比,具有更好的耐磨性、耐熱性以及優(yōu)良的切削性能。適用于高硬高強材料的機械加工。本技術(shù)也可以用來對陶瓷和硬質(zhì)合金模具、噴嘴等耐磨零件進(jìn)行表面改性。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明本發(fā)明提出一種新型陶瓷刀具表面改性技術(shù),其特征在于采用強束流金屬離子注入技術(shù)(MEVVA源離子注入機)對陶瓷刀具進(jìn)行表面改性,并包括以下內(nèi)容(1)對陶瓷材料(氮化硅及復(fù)合氮化硅、氧化鋁及復(fù)合氧化鋁、硬質(zhì)合金、氧化鋯等)進(jìn)行適當(dāng)機械加工,做成完全符合工業(yè)使用標(biāo)準(zhǔn)(包括精密度和刀具幾何尺寸等)的刀具形狀。
(2)對刀具依次進(jìn)行自來水、酒精等有機混合溶劑、酒精-超聲波、高純水-超聲波等多步清洗,然后晾干,備用。
(3)選用MEVVA強流離子源注入機對上述潔凈的陶瓷刀具進(jìn)行表面改性。
(4)選用金屬鈦、鋯、鉻、鉭、釩、鉬、鎢等過渡金屬元素做電極(陰極)對上述各種陶瓷刀具進(jìn)行改性。
(5)在離子源和樣品間距為40-120cm、加速電壓20-120kV、離子注入入射角度(離子束和樣品臺法線)呈30-60°角條件下,保持系統(tǒng)真空(1.0-8.0)×10-4Pa以下,控制束流強度為1.0-10mA,在2-20小時內(nèi)向每種陶瓷刀具基體分別注入不同劑量的鈦、鋯、鉻、鉬或鎢等金屬離子。
(6)陶瓷刀具金屬離子注入表面改性后無需任何后處理步驟。
(7)用改性后的刀具分別在工業(yè)條件下對硬度HRC 53~64的40Cr淬硬鋼工件進(jìn)行切削加工或者對硬度HB220-230的灰鐵進(jìn)行切削加工。
所用刀具包括所有陶瓷刀具,如氮化硅及復(fù)合氮化硅、氧化鋁及復(fù)合氧化鋁、硬質(zhì)合金、氧化鋯及氧化鋯增韌陶瓷、碳氮化鈦等陶瓷刀具中的任何一種。
所選用的陶瓷刀具清洗有機溶劑為1∶(1-5)∶(1-4)的酒精、煤油和丙酮三聯(lián)混合溶劑及其清洗順序。
所用表面改性設(shè)備為離子注入機,所用金屬離子源為MEVVA源。
所注入的金屬為過渡元素金屬,如鈦、鋯、鉻、鉬、鎢等中的任何一種。
所述的離子注入條件為前述內(nèi)容的中的第(5)款的內(nèi)容,及其相關(guān)注入劑量在各種陶瓷刀具中分別注入(0.5-25)×1017ions/cm2的鈦、鋯、鉻、鉬或者鎢等過渡金屬離子。
實施例1將氮化硅陶瓷制作成國際標(biāo)準(zhǔn)形狀SNGN1204 08 0.3×30°(12.7×12.7×4.76mm)的刀片,用前述(2)所述工藝清洗后,用MEVVA II A-H型強流離子源注入機,在離子源和樣品間距為60cm、加速電壓30kV、離子注入入射角度(離子束和樣品臺法線)呈50°角條件下,保持系統(tǒng)真空8.0×10-4Pa以下,控制束流強度為6.0mA,在15小時內(nèi)向刀具各個面注入8.0×1017ions/cm2鋯金屬離子后,刀具納米硬度提高到26.5GPa,楊氏模量提高到410GPa,抗彎強度提高到1020MPa。在切削速度v=400m/min,吃刀深度a=0.5mm,進(jìn)刀量f=0.1mm/rev下對40Cr鋼(硬度HRC 53-64)進(jìn)行切削加工。當(dāng)?shù)毒吆竺婺p為0.3mm時,改性后刀具切削路程比原來未改性刀具提高約5-6倍。
實施例2將氧化鋁陶瓷制作成國際標(biāo)準(zhǔn)形狀SNGN1204 08 0.3×30°(12.7×12.7×4.76mm)的刀片,用前述(2)所述工藝清洗后,用MEVVA II A-H型強流離子源注入機,在離子源和樣品間距為60cm、加速電壓60kV、離子注入入射角度(離子束和樣品臺法線)呈50°角條件下,保持系統(tǒng)真空6.0×10-4Pa以下,控制束流強度為8.0mA,在8小時內(nèi)向刀具各個面注入12×1017ions/cm2鉻金屬離子后,刀具納米硬度提高到34.2GPa,楊氏模量提高到590GPa,抗彎強度提高到540MPa。在切削速度v=400m/min,吃刀深度a=0.5mm,進(jìn)刀量f=0.1mm/rev下對40Cr鋼(硬度HRC 53-64)進(jìn)行切削加工。當(dāng)?shù)毒吆竺婺p為0.3mm時,改性后刀具切削路程比原來未改性刀具提高約10-12倍。
實施例3將硬質(zhì)合金制作成國際標(biāo)準(zhǔn)形狀SNGN1204 08 0.3×30°(12.7×12.7×4.76mm)的刀片,用前述(2)所述工藝清洗后,用MEVVA II A-H型強流離子源注入機,在離子源和樣品間距為50cm、加速電壓30kV、離子注入入射角度(離子束和樣品臺法線)呈50°角條件下,保持系統(tǒng)真空8.0×10-4Pa以下,控制束流強度為2.0mA,在20小時內(nèi)向刀具各個面注入4.0×1017ions/cm2鈦金屬離子。刀具納米硬度提高到24.5GPa,楊氏模量提高到520GPa,抗彎強度提高到1880MPa。在切削速度v=400m/min,吃刀深度a=0.5mm,進(jìn)刀量f=0.1mm/rev下對40Cr鋼(硬度HRC 53-4)進(jìn)行切削加工。當(dāng)?shù)毒吆竺婺p為0.3mm時,改性后刀具切削路程比原來未改性刀具提高約8-10倍。
實施例4將氧化鋯陶瓷制作成國際標(biāo)準(zhǔn)形狀SNGN1204 08 0.3×30°(12.7×12.7×4.76mm)的刀片,用前述(2)所述工藝清洗后,用MEVVA II A-H型強流離子源注入機,在離子源和樣品間距為60cm、加速電壓40kV、離子注入入射角度(離子束和樣品臺法線)呈50°角條件下,保持系統(tǒng)真空8.0×10-4Pa以下,控制束流強度為4.0mA,在20小時內(nèi)向刀具各個面注入6.0×1017ions/cm2鉻金屬離子。刀具納米硬度提高到23.1GPa,楊氏模量提高到320GPa,抗彎強度提高到1150MPa。磨損實驗表明,改性后的氧化鋯陶瓷材料耐磨性顯著提高。
權(quán)利要求
1.陶瓷刀具的金屬離子注入表面改性方法,其特征在于,所述方法采用強束流金屬離子注入技術(shù)對清洗過的刀具按照特定的工藝條件注入過渡金屬離子進(jìn)行表面改性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面改性方法,其特征在于,所述注入的離子為鈦、鋯、鉻、鉬、鎢。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面改性方法,其特征在于,所述刀具基體為氮化硅及復(fù)合氮化硅、氧化鋁及復(fù)合氧化鋁、硬質(zhì)合金、碳氮化鈦、氧化鋯及氧化鋯增韌陶瓷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面改性方法,其特征在于,所述離子注入技術(shù)所使用的離子源為強束流離子源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面改性方法,其特征在于,所述刀具清洗工藝中包含對刀具依次進(jìn)行自來水、酒精等有機清洗劑、酒精-超聲波、高純水-超聲波多步清洗,晾干步驟,所述有機清洗劑為1∶1-5∶1-4的酒精、煤油和丙酮三聯(lián)混合溶劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面改性方法,其特征在于,在所述陶瓷刀具中分別注入(0.5-25)×1017ions/cm2的鈦、鋯、鉻、鉬或者鎢過渡金屬離子中的一種或一種以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面改性方法,其特征在于,所述強束流金屬離子注入工藝條件為加速電壓20-120kV、系統(tǒng)真空(1.0-8.0)×10-4Pa,束流強度為1.0-10.0mA,離子注入時間2-20小時,離子注入入射角度為30-60°角,離子源和樣品間距為40-120cm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種陶瓷刀具的金屬離子注入表面改性方法,屬于陶瓷刀具的制備及機械加工技術(shù)領(lǐng)域。所述注入的離子為鈦、鋯、鉻、鉬、鎢,所述陶瓷刀具為氮化硅及復(fù)合氮化硅、氧化鋁及復(fù)合氧化鋁、硬質(zhì)合金、氧化鋯。所述表面改性方法利用金屬蒸汽真空弧源離子注入機大劑量金屬離子的高速注入功能,通過選擇合適的注入金屬離子,優(yōu)化的注入工藝和最佳的注入劑量,對陶瓷刀具表面進(jìn)行改性,消除陶瓷刀具加工成型過程中形成的微裂紋和缺陷,改善陶瓷刀具的表面狀態(tài),提高陶瓷刀具材料的表面硬度,增強陶瓷刀具材料的斷裂韌性,抗彎強度以及高溫力學(xué)性能等,從而大幅度提高陶瓷刀具的切削能力。本發(fā)明也可用于陶瓷模具,噴嘴等。
文檔編號C04B35/48GK1803724SQ200610000810
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月13日
發(fā)明者苗赫濯, 彭志堅, 李文治, 齊龍浩, 潘偉 申請人:清華大學(xué)