本發明涉及材料制造領域，尤其是涉及一種諧波減速器用柔性齒輪微弧離子鍍表面處理方法。
背景技術：
減速器作為一種重要的精密機械基礎件，廣泛應用于工業機器人，數控機床，航空航天等精密機械驅動控制領域。例如，在工業機器人四大核心部件的生產成本中，減速器占比最大（30%以上），然而，國內市場基本全被“洋貨”壟斷。究其原因，皆因國產減速器輪齒疲勞磨損壽命低而導致產品耐用性不夠、精度差。
離子鍍表面處理膜層微米可控，摩擦學性能優異，適宜耐磨零部件的最終處理工序。但“磁控濺射”的空間分布均勻和繞鍍性差以及“多弧離子鍍”的表面粗糙和溫升高等缺點成為制約它們向更廣域的精密機械基礎件和電子元器件制造領域擴展的瓶頸。“微弧離子鍍”是近幾年發展起來的最新離子鍍技術，集成了磁控濺射和多弧離子鍍的優點，是一種電壓脈沖寬度小于“誘發出微區熔池”的臨界時間、電流脈沖寬度又足以維持有效沉積的電壓電流獨立調制技術。但微弧離子鍍裝備及技術工藝秘密被個別歐洲企業保護起來，幾乎無任何技術資料和專利報道。
本發明采用微弧離子鍍技術于諧波減速器柔性齒輪摩擦副表面制備一層0.3～5μm具有優異摩擦學特性的耐磨減摩非晶碳鍍層，得到了鍍膜工藝對膜層性能的影響規律，賦予了減速器高速高承載、低摩擦的特性。
技術實現要素：
本發明的目的是為解決現有減速器輪齒疲勞磨損壽命低而導致產品耐用性不夠、精度差的問題，提供一種諧波減速器用柔性齒輪微弧離子鍍表面處理方法，本發明方法處理的柔性齒輪具有自潤滑功能，用于諧波減速器上，避免在瞬間超載和超速等工況條件下齒輪摩擦副間直接接觸導致的磨損和疲勞破壞，從而期望達到減速器整機的“減磨延壽”
本發明為解決上述技術問題的不足，所采用的技術方案是：
一種諧波減速器用柔性齒輪微弧離子鍍表面處理方法，在柔性齒輪表面制備厚度為0.3μm～5μm的非晶碳鍍層，該鍍層的硬度為1200HV～2000HV，摩擦系數為0.08～0.20，包括如下步驟：
步驟一：抽真空
首先取待加工的柔性齒輪并對其進行經過超聲波除蠟和除油清洗，再利用0.5MPa～5MPa的高壓空氣將清洗后的柔性齒輪吹干，將吹干后的柔性齒輪放入四靶微弧離子鍍設備真空室中，并安裝在工作盤上，所述真空室內放置有兩個鉻靶材和兩個石墨靶材，對真空室進行抽真空處理，使真空室內到達小于3.0×10-3Pa的真空度，以10sccm～100sccm的氣流量往真空室內通入氬氣，此步驟保持真空室中的工作氣壓為5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa，既可以保證氣體原子對靶材的有效轟擊，又可以盡量避免對待鍍原子的碰撞所造成的動量損失。
步驟二：離子濺射清洗
對步驟二中的真空室內持續通入氬氣，保持真空室中5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa的工作氣壓，直接對鉻靶材施加100V～500V的電壓，對柔性齒輪施加200V～500V的負偏壓、脈沖寬度為1μs～6μs，脈沖頻率為50KHz～500KHz，以便于對真空室內的柔性齒輪進行離子濺射清洗，濺射清洗時間為20min～60min；此步驟中控制適當的電參數和腔室真空度，以達到有效的濺射清洗效果，同時又避免在待鍍件表面引入新的雜質元素。
步驟三：沉積純鉻打底層
接步驟二對真空室中持續通入氬氣，保持真空室中5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa的工作氣壓，調節鉻靶材的靶電壓至300V～900V，同時將施加在柔性齒輪上的負偏壓調節至150V～300V，脈沖寬度設定為1μs～6μs，脈沖頻率設定為50KHz～500KHz，控制沉積時間為5min～30min沉積形成純鉻打底層；金屬鉻與鋼具有較好的相容性，控制適當的電參數將鉻原子濺射或發射到待鍍鋼材料表面作為打底層，與鋼基體形成較高的結合強度，同時保證待鍍件各位置膜層均勻致密。
步驟四：沉積過渡層
接步驟三對真空室中持續通入氬氣，同時保持真空室中5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa的工作氣壓，調節鉻靶材上的靶電壓至100V～600V，同時將石墨靶材的電壓調節至200V～800V，將施加在柔性齒輪上的負偏壓調節至100V～300V，脈沖寬度設定為1μs～6μs，脈沖頻率設定為50KHz～500KHz，控制沉積時間為20min～60min沉積形成過渡層；此步驟中，控制適當的電參數，保證膜層從金屬鉻向非晶碳均勻過渡，避免斷層的存在，從而達到高的結合強度。
步驟五：沉積非晶碳工作層
接步驟四持續對真空室內通入氬氣，保持真空腔室中5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa的工作氣壓，保持鉻靶材和石墨靶材的電壓和電流參數不變；同時，將施加在柔性齒輪上的負偏壓調節至100V～300V，脈沖寬度設定為1μs～6μs，脈沖頻率設定為50KHz～500KHz，控制沉積時間為100min～300min沉積形成非晶碳工作層，至此柔性齒輪表面處理完成。此步驟中電參數的設定既可以保證非晶碳工作層的沉積納米結構化，又避免大尺寸熔滴的出現，從而獲得均勻致密的膜層，兼具低的摩擦系數和高的硬度。
所述的步驟一中控制各靶材與柔性齒輪之間的距離為20mm～220mm，工作盤主軸的旋轉速度為1r/min～30r/min，工作盤的軸向運動幅度為－200mm～＋200mm。
所述的各步驟中鉻靶材上靶電壓的調節速率均為0.5V/min～100V/min，各步驟中石墨靶材上靶電壓的調節速率均為0.5V/min～100V/min。
所述的各步驟中使用的石墨靶材的含碳量不小于99.99%。
本發明的有益效果是：與未進行表面處理的諧波減速器相比，本發明方法的微弧離子鍍表面處理技術賦予諧波減速器的齒輪摩擦副表面極小的摩擦系數，以及較高的硬度，在超載和超速的情況下可以極大地降低摩擦副之間的磨損和疲勞破壞。同時，與其他表面處理方法相比，本發明方法處理后的諧波減速器兼具低摩擦系數和高硬度，表面處理膜層均勻致密，結合力高，同時工藝低溫可控，避免了金屬熔滴的出現。因此，本發明方法賦予了減速器高速高承載、低摩耐磨、自潤滑的特性。從而提高國產諧波減速器的科技含量和服役壽命，保證此核心部件的市場競爭力。
具體實施方式
具體實施方式如下：
一種諧波減速器用柔性齒輪微弧離子鍍表面處理方法，在柔性齒輪表面制備厚度為0.3μm～5μm的非晶碳鍍層，該鍍層的硬度為1200HV～2000HV，摩擦系數為0.08～0.20，包括如下步驟：
步驟一：抽真空
首先取待加工的柔性齒輪并對其進行經過超聲波除蠟和除油清洗，再利用0.5MPa～5MPa的高壓空氣將清洗后的柔性齒輪吹干，將吹干后的柔性齒輪放入四靶微弧離子鍍設備真空室中，并安裝在工作盤上，所述真空室內放置有兩個鉻靶材和兩個石墨靶材，對真空室進行抽真空處理，使真空室內到達小于3.0×10-3Pa的真空度，以10sccm～100sccm的氣流量往真空室內通入氬氣，此步驟保持真空室中的工作氣壓為5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa，既可以保證氣體原子對靶材的有效轟擊，又可以盡量避免對待鍍原子的碰撞所造成的動量損失。
步驟二：離子濺射清洗
對步驟二中的真空室內持續通入氬氣，保持真空室中5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa的工作氣壓，直接對鉻靶材施加100V～500V的電壓，對柔性齒輪施加200V～500V的負偏壓、脈沖寬度為1μs～6μs，脈沖頻率為50KHz～500KHz，以便于對真空室內的柔性齒輪進行離子濺射清洗，濺射清洗時間為20min～60min；此步驟中控制適當的電參數和腔室真空度，以達到有效的濺射清洗效果，同時又避免在待鍍件表面引入新的雜質元素。
步驟三：沉積純鉻打底層
接步驟二對真空室中持續通入氬氣，保持真空室中5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa的工作氣壓，調節鉻靶材的靶電壓至300V～900V，同時將施加在柔性齒輪上的負偏壓調節至150V～300V，脈沖寬度設定為1μs～6μs，脈沖頻率設定為50KHz～500KHz，控制沉積時間為5min～30min沉積形成純鉻打底層；金屬鉻與鋼具有較好的相容性，控制適當的電參數將鉻原子濺射或發射到待鍍鋼材料表面作為打底層，與鋼基體形成較高的結合強度，同時保證待鍍件各位置膜層均勻致密。
步驟四：沉積過渡層
接步驟三對真空室中持續通入氬氣，同時保持真空室中5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa的工作氣壓，調節鉻靶材上的靶電壓至100V～600V，同時將石墨靶材的電壓調節至200V～800V，將施加在柔性齒輪上的負偏壓調節至100V～300V，脈沖寬度設定為1μs～6μs，脈沖頻率設定為50KHz～500KHz，控制沉積時間為20min～60min沉積形成過渡層；此步驟中，控制適當的電參數，保證膜層從金屬鉻向非晶碳均勻過渡，避免斷層的存在，從而達到高的結合強度。
步驟五：沉積非晶碳工作層
接步驟四持續對真空室內通入氬氣，保持真空腔室中5.0×10-3Pa～5.0×10-2Pa的工作氣壓，保持鉻靶材和石墨靶材的電壓和電流參數不變；同時，將施加在柔性齒輪上的負偏壓調節至100V～300V，脈沖寬度設定為1μs～6μs，脈沖頻率設定為50KHz～500KHz，控制沉積時間為100min～300min沉積形成非晶碳工作層，至此柔性齒輪表面處理完成。此步驟中電參數的設定既可以保證非晶碳工作層的沉積納米結構化，又避免大尺寸熔滴的出現，從而獲得均勻致密的膜層，兼具低的摩擦系數和高的硬度。
所述的步驟一中控制各靶材與柔性齒輪之間的距離為20mm～220mm，工作盤主軸的旋轉速度為1r/min～30r/min，工作盤的軸向運動幅度為－200mm～＋200mm。
所述的各步驟中鉻靶材上靶電壓的調節速率均為0.5V/min～100V/min，各步驟中石墨靶材上靶電壓的調節速率均為0.5V/min～100V/min。
所述的各步驟中使用的石墨靶材的含碳量不小于99.99%。
為了驗證本發明方法對諧波減速器柔性齒輪的表面改性效果，特列出下面幾個實施例，如下表。其中柔性齒輪材質為540℃-580℃調質處理后的38CrMoAl鋼材，基體硬度為718HV，摩擦系數為0.55，鍍膜后的膜層性能如表所示。實例1和實例2為按本發明方法設計的表面處理工藝參數，摩擦副表面膜層性能優異；而實例3中個別電參數超出了本發明方法的設計范圍，其膜層的膜基結合力和摩擦系數等性能不理想。
表1 諧波減速器柔性齒輪鍍膜工藝參數
表2 諧波減速器柔性齒輪鍍膜工藝參數及膜層性能
本發明所列舉的技術方案和實施方式并非是限制，與本發明所列舉的技術方案和實施方式等同或者效果相同方案都在本發明所保護的范圍內。