专利名称：陶瓷刀具的金属离子注入表面改性方法
技术领域：
本发明涉及一种陶瓷刀具的金属离子注入表面改性方法，属于陶瓷刀具的制备及机械加工技术领域。
背景技术：
目前常用的金属切削刀具表面改性工艺有物理气相淀积(PVD)和化学气相淀积(CVD)。其中，CVD法常用在耐高温刀具基体(如硬质合金刀具)上淀积薄膜，因为CVD工艺需要在高温(750～1000℃)下进行，只有使用特殊前躯体才能降低反应温度，因此能耗高、环境污染严重。与CVD法相比，PVD法对环境友好，适合淀积三元和多元亚稳定薄膜。淀积温度低(180～500℃)，不会降低基体硬度，常用作导电性良好的金属类刀具的表面改性。但是仍然存在薄膜与基体结合力不够理想以及淀积速率太低的问题。对于陶瓷刀具来说，由于大多数陶瓷刀具自身的非导电性，作为PVD工艺的沉积基体，难于施加负偏压，因此PVD法对陶瓷刀具(尤其是非导电或者弱导电陶瓷刀具)基本上不可行。
离子注入技术作为一种载能粒子技术，既不需要使用有机前躯体和高温，也不需要在改性基体上施加负偏压，广泛用各种导体和非导体材料的表面改性，可以改善材料的表面态，提高材料的力学性能和光电性能等，如金属离子注入方法是半导体材料掺杂的重要途径，对陶瓷刀具进行表面改性应该也是可能的。
发明内容
本发明的目的在于利用金属蒸汽真空弧(MEVVA)源离子注入机大剂量金属离子的高速注入功能，通过选择合适的注入金属离子，优化的注入工艺和最佳的注入剂量，对陶瓷刀具表面进行改性，减少以至消除陶瓷刀具表面在加工工艺过程中形成的微裂纹和缺陷，改善陶瓷刀具的表面状态，提高陶瓷刀具材料的表面硬度，增强陶瓷刀具材料的断裂韧性，抗弯强度以及高温力学性能等，从而提高陶瓷刀具的切削能力。
本发明提出的陶瓷刀具的金属离子注入表面改性方法，其特征在于，所述方法采用强束流金属离子注入技术对清洗过的刀具基体按照特定的工艺条件注入过渡金属离子进行表面改性。
在上述表面改性方法中，所述注入的离子为钛、锆、铬、钼、钨。
在上述表面改性方法中，所述陶瓷刀具为氮化硅及复合氮化硅、氧化铝及复合氧化铝、硬质合金、氧化锆及氧化锆增韧陶瓷。
在上述表面改性方法中，所述离子注入技术所使用的离子源为强束流离子源。
在上述表面改性方法中，所述刀具清洗工艺中包含对刀具依次进行自来水、酒精等有机溶剂、酒精-超声波、高纯水-超声波多步清洗，晾干步骤，所述有机清洗剂为1∶1-5∶1-4的酒精、煤油和丙酮三联混合溶剂。
在上述表面改性方法中，在所述陶瓷刀具中分别注入(0.5-25)×1017ions/cm2的钛、锆、铬、钼或者钨过渡金属离子。
在上述表面改性方法中，所述强束流金属离子注入工艺条件为加速电压20-120kV、系统真空(1.0-8.0)×10-4Pa，束流强度为1.0-10.0mA，离子注入时间2-20小时，离子注入入射角度为30-60°角，离子源和样品间距为40-120cm。
采用本技术改性后的陶瓷刀具，与原来的陶瓷刀具相比，具有更好的耐磨性、耐热性以及优良的切削性能。适用于高硬高强材料的机械加工。本技术也可以用来对陶瓷和硬质合金模具、喷嘴等耐磨零件进行表面改性。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明本发明提出一种新型陶瓷刀具表面改性技术，其特征在于采用强束流金属离子注入技术(MEVVA源离子注入机)对陶瓷刀具进行表面改性，并包括以下内容(1)对陶瓷材料(氮化硅及复合氮化硅、氧化铝及复合氧化铝、硬质合金、氧化锆等)进行适当机械加工，做成完全符合工业使用标准(包括精密度和刀具几何尺寸等)的刀具形状。
(2)对刀具依次进行自来水、酒精等有机混合溶剂、酒精-超声波、高纯水-超声波等多步清洗，然后晾干，备用。
(3)选用MEVVA强流离子源注入机对上述洁净的陶瓷刀具进行表面改性。
(4)选用金属钛、锆、铬、钽、钒、钼、钨等过渡金属元素做电极(阴极)对上述各种陶瓷刀具进行改性。
(5)在离子源和样品间距为40-120cm、加速电压20-120kV、离子注入入射角度(离子束和样品台法线)呈30-60°角条件下，保持系统真空(1.0-8.0)×10-4Pa以下，控制束流强度为1.0-10mA，在2-20小时内向每种陶瓷刀具基体分别注入不同剂量的钛、锆、铬、钼或钨等金属离子。
(6)陶瓷刀具金属离子注入表面改性后无需任何后处理步骤。
(7)用改性后的刀具分别在工业条件下对硬度HRC 53～64的40Cr淬硬钢工件进行切削加工或者对硬度HB220-230的灰铁进行切削加工。
所用刀具包括所有陶瓷刀具，如氮化硅及复合氮化硅、氧化铝及复合氧化铝、硬质合金、氧化锆及氧化锆增韧陶瓷、碳氮化钛等陶瓷刀具中的任何一种。
所选用的陶瓷刀具清洗有机溶剂为1∶(1-5)∶(1-4)的酒精、煤油和丙酮三联混合溶剂及其清洗顺序。
所用表面改性设备为离子注入机，所用金属离子源为MEVVA源。
所注入的金属为过渡元素金属，如钛、锆、铬、钼、钨等中的任何一种。
所述的离子注入条件为前述内容的中的第(5)款的内容，及其相关注入剂量在各种陶瓷刀具中分别注入(0.5-25)×1017ions/cm2的钛、锆、铬、钼或者钨等过渡金属离子。
实施例1将氮化硅陶瓷制作成国际标准形状SNGN1204 08 0.3×30°(12.7×12.7×4.76mm)的刀片，用前述(2)所述工艺清洗后，用MEVVA II A-H型强流离子源注入机，在离子源和样品间距为60cm、加速电压30kV、离子注入入射角度(离子束和样品台法线)呈50°角条件下，保持系统真空8.0×10-4Pa以下，控制束流强度为6.0mA，在15小时内向刀具各个面注入8.0×1017ions/cm2锆金属离子后，刀具纳米硬度提高到26.5GPa，杨氏模量提高到410GPa，抗弯强度提高到1020MPa。在切削速度v＝400m/min，吃刀深度a＝0.5mm，进刀量f＝0.1mm/rev下对40Cr钢(硬度HRC 53-64)进行切削加工。当刀具后面磨损为0.3mm时，改性后刀具切削路程比原来未改性刀具提高约5-6倍。
实施例2将氧化铝陶瓷制作成国际标准形状SNGN1204 08 0.3×30°(12.7×12.7×4.76mm)的刀片，用前述(2)所述工艺清洗后，用MEVVA II A-H型强流离子源注入机，在离子源和样品间距为60cm、加速电压60kV、离子注入入射角度(离子束和样品台法线)呈50°角条件下，保持系统真空6.0×10-4Pa以下，控制束流强度为8.0mA，在8小时内向刀具各个面注入12×1017ions/cm2铬金属离子后，刀具纳米硬度提高到34.2GPa，杨氏模量提高到590GPa，抗弯强度提高到540MPa。在切削速度v＝400m/min，吃刀深度a＝0.5mm，进刀量f＝0.1mm/rev下对40Cr钢(硬度HRC 53-64)进行切削加工。当刀具后面磨损为0.3mm时，改性后刀具切削路程比原来未改性刀具提高约10-12倍。
实施例3将硬质合金制作成国际标准形状SNGN1204 08 0.3×30°(12.7×12.7×4.76mm)的刀片，用前述(2)所述工艺清洗后，用MEVVA II A-H型强流离子源注入机，在离子源和样品间距为50cm、加速电压30kV、离子注入入射角度(离子束和样品台法线)呈50°角条件下，保持系统真空8.0×10-4Pa以下，控制束流强度为2.0mA，在20小时内向刀具各个面注入4.0×1017ions/cm2钛金属离子。刀具纳米硬度提高到24.5GPa，杨氏模量提高到520GPa，抗弯强度提高到1880MPa。在切削速度v＝400m/min，吃刀深度a＝0.5mm，进刀量f＝0.1mm/rev下对40Cr钢(硬度HRC 53-4)进行切削加工。当刀具后面磨损为0.3mm时，改性后刀具切削路程比原来未改性刀具提高约8-10倍。
实施例4将氧化锆陶瓷制作成国际标准形状SNGN1204 08 0.3×30°(12.7×12.7×4.76mm)的刀片，用前述(2)所述工艺清洗后，用MEVVA II A-H型强流离子源注入机，在离子源和样品间距为60cm、加速电压40kV、离子注入入射角度(离子束和样品台法线)呈50°角条件下，保持系统真空8.0×10-4Pa以下，控制束流强度为4.0mA，在20小时内向刀具各个面注入6.0×1017ions/cm2铬金属离子。刀具纳米硬度提高到23.1GPa，杨氏模量提高到320GPa，抗弯强度提高到1150MPa。磨损实验表明，改性后的氧化锆陶瓷材料耐磨性显著提高。
权利要求
1.陶瓷刀具的金属离子注入表面改性方法，其特征在于，所述方法采用强束流金属离子注入技术对清洗过的刀具按照特定的工艺条件注入过渡金属离子进行表面改性。
2.根据权利要求1所述的表面改性方法，其特征在于，所述注入的离子为钛、锆、铬、钼、钨。
3.根据权利要求1所述的表面改性方法，其特征在于，所述刀具基体为氮化硅及复合氮化硅、氧化铝及复合氧化铝、硬质合金、碳氮化钛、氧化锆及氧化锆增韧陶瓷。
4.根据权利要求1所述的表面改性方法，其特征在于，所述离子注入技术所使用的离子源为强束流离子源。
5.根据权利要求1所述的表面改性方法，其特征在于，所述刀具清洗工艺中包含对刀具依次进行自来水、酒精等有机清洗剂、酒精-超声波、高纯水-超声波多步清洗，晾干步骤，所述有机清洗剂为1∶1-5∶1-4的酒精、煤油和丙酮三联混合溶剂。
6.根据权利要求1所述的表面改性方法，其特征在于，在所述陶瓷刀具中分别注入(0.5-25)×1017ions/cm2的钛、锆、铬、钼或者钨过渡金属离子中的一种或一种以上。
7.根据权利要求1所述的表面改性方法，其特征在于，所述强束流金属离子注入工艺条件为加速电压20-120kV、系统真空(1.0-8.0)×10-4Pa，束流强度为1.0-10.0mA，离子注入时间2-20小时，离子注入入射角度为30-60°角，离子源和样品间距为40-120cm。
全文摘要
本发明涉及一种陶瓷刀具的金属离子注入表面改性方法，属于陶瓷刀具的制备及机械加工技术领域。所述注入的离子为钛、锆、铬、钼、钨，所述陶瓷刀具为氮化硅及复合氮化硅、氧化铝及复合氧化铝、硬质合金、氧化锆。所述表面改性方法利用金属蒸汽真空弧源离子注入机大剂量金属离子的高速注入功能，通过选择合适的注入金属离子，优化的注入工艺和最佳的注入剂量，对陶瓷刀具表面进行改性，消除陶瓷刀具加工成型过程中形成的微裂纹和缺陷，改善陶瓷刀具的表面状态，提高陶瓷刀具材料的表面硬度，增强陶瓷刀具材料的断裂韧性，抗弯强度以及高温力学性能等，从而大幅度提高陶瓷刀具的切削能力。本发明也可用于陶瓷模具，喷嘴等。
文档编号C04B35/48GK1803724SQ200610000810
公开日2006年7月19日 申请日期2006年1月13日 优先权日2006年1月13日
发明者苗赫濯, 彭志坚, 李文治, 齐龙浩, 潘伟 申请人:清华大学