一种测量切削温度的薄膜热电偶及其制备方法技术

本发明专利技术属于薄膜热电偶材料领域，具体涉及一种测量切削温度的薄膜热电偶及其制备方法。本发明专利技术同时结合中频反应磁控溅射技术、直流磁控溅射技术和多弧离子镀技术的薄膜热电偶制备方法。薄膜热电偶从下到上依次由硬质合金刀具基底、Si3N4薄膜、NiCr薄膜、NiSi薄膜、Si3N4薄膜组成，其中NiCr、NiSi薄膜的一端在刀具刀尖处形成热接点，另一端连接标准K型热电偶丝。本发明专利技术在硬质合金刀具上制备的Si3N4/NiCr

【技术实现步骤摘要】
一种测量切削温度的薄膜热电偶及其制备方法


[0001]本专利技术属于薄膜热电偶材料领域，具体涉及一种测量切削温度的薄膜热电偶及其制备方法。

技术介绍

[0002]在切削加工领域中切削热是影响刀具寿命以及工件已加工表面质量的重要因素。尤其是高温合金和钛合金等难加工材料，强度高、导热性差，切削过程产生大量的切削热，工件极易产生严重的热变形，使得尺寸、形状以及位置精度难以控制。实时准确的获取刀具的切削温度将有利于了解刀具的加工状态以及磨损程度，对指导加工工艺和控制加工过程有着重要的意义。
[0003]目前常用的切削温度测量方法例如自然热电偶法和红外测温法等。自然热电偶法只能反应刀具的平均温度，并且响应速度较慢，测温存在一定的滞后性。而红外测温对于刀具上温度相差不大的区域难以有效区别不同温度点。薄膜热电偶由于其微米级别的尺寸具有热容小、响应速度快、测温准确等优点。它可以根据使用需求直接应用在刀具的各个位置，可以实现对刀具表面温度分布的实时监控。在实际切削过程中，薄膜热电偶与金属刀具基底之间需要添加绝缘层以防止热电势流失。由于薄膜热电偶直接与工件接触可能会导致磨损失效从而影响测温结果，切削过程中产生的高温也容易使薄膜热电偶发生氧化反应，所以在使用过程中需要热电偶表面添加保护层。目前大多数研究主要集中于嵌入式的薄膜热电偶，但是这种方法会改变刀具结构从而影响切削性能。
[0004]在刀具表面直接沉积薄膜热电偶的研究中，Biermann等人(Biermann D,Kirschner M,Pantke K,et al.New coating systems for temperature monitoring in turning processes[J].Surface&Coatings Technology,2013,215(Complete):376
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380.)在刀具表面直接沉积热电偶薄膜但是并未添加保护层，这会导致切削过程中的切屑容易损伤热电偶；崔云先等(崔云先,张博文,丁万昱,阎长罡,刘义.瞬态切削用智能测温刀具的研究[J].机械工程学报,2017,53(21):174
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180.)在刀具上制备薄膜热电偶选择SiO2作为绝缘材料，但是其在高温段稳定性较差，并且仅能实现最高300℃的测温，难以适应更高切削温度的测量。因此亟需开发一种能适应复杂切削环境的薄膜热电偶。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服传统切削温度测量方法的缺陷，提出了一种用于刀具表面温度测量的薄膜热电偶结构和制备工艺。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种测量切削温度的薄膜热电偶，包括设置在金属基底与热电偶层之间的Si3N4薄膜即绝缘层，依次设置在Si3N4薄膜上的NiCr薄膜、NiSi薄膜，NiCr薄膜、NiSi薄膜的一端在刀具刀尖处形成热接点、另一端连接标准K型热电偶丝，覆盖在热接点上作为保护层的Si3N4薄膜。
[0007]进一步的，包括如下步骤：
[0008]步骤(1)：将镀膜机腔体在真空下加热到100
±
10℃保持，以氩气和氮气作为工作气体，将Si3N4通过中频磁控溅射，在金属基地上生长制得Si3N4薄膜；
[0009]步骤(2)：用锡纸作为掩摸在刀具上形成NiCr电极形状，在真空下加热到150
±
10℃保持，以氩气作为工作气体，以多弧离子镀在绝缘层上沉积NiCr薄膜；
[0010]步骤(3)：用锡纸作为掩摸在刀具上形成NiSi电极形状，在真空下加热到100
±
10℃保持，以氩气作为工作气体，以直流磁控溅射沉积NiSi，制得NiSi薄膜；
[0011]步骤(4)：用锡纸作为掩摸在刀具上形成保护膜形状，在真空下加热到100
±
10℃保持，以氮气和氩气作为工作气体，将Si3N4通过中频磁控溅射制得Si3N4薄膜；
[0012]步骤(5)：标准K型热电偶丝作为薄膜热电偶的补偿导线，用耐高温石墨导电胶分别连接对应的NiSi、NiSi电极。
[0013]进一步的，步骤(1)中Si3N4薄膜分三段制备，每段生长时间40
±
4min，每一段薄膜厚度在300
‑
350nm，然后关闭溅射电源等待20
±
5min后重新开启，三段生长设置的中频磁控溅射电流为4A，时间共计120
±
10min，总厚度1
±
0.1μm。
[0014]进一步的，步骤(2)中多弧离子镀电流设置为65A，脉冲偏压设置为200V，占空比30％，NiCr薄膜的厚度为500
±
50nm。
[0015]进一步的，步骤(3)中，直流磁控溅射电流为2A，脉冲偏压设置为200V，占空比30％，NiSi薄膜的厚度为500
±
50nm，NiSi薄膜仅在刀尖处与NiCr薄膜重合组成热接点。
[0016]进一步的，步骤(4)中，设置中频磁控溅射电源2A，Si3N4薄膜的厚度为1.2
±
0.1μm，Si3N4薄膜作为保护层覆盖住整个热接点。
[0017]本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：
[0018](1)分别采用中频反应磁控溅射技术分三段制备的Si3N4绝缘层与硬质合金刀具有良好的结合力，并且解决了单层Si3N4薄膜存在针孔缺陷而导致热电偶层与基底导通，并且在600℃的高温下电阻值超过也能达到使用要求。
[0019](2)本专利技术获得的薄膜热电偶，相较于传统的测温方法可以实时准确的测量刀具表面任意位置的温度，并且不改变原有的刀具结构，通用性强，不受限于特定刀具或者工件材料。在0
‑
600℃区间的塞贝克系数达16μV/℃，动态响应时间0.28ms。
[0020](3)本专利技术将三种薄膜制备技术很好的结合在一起，可以实现批量化生产，具有推广价值。
附图说明
[0021]图1为本专利技术薄膜热电偶膜层结构示意图。
[0022]图2为实施例1制备薄膜热电偶的流程图。
[0023]图3为实施例1在刀具基底上制备的薄膜热电偶外观。
[0024]图4为实施例1制备的氮化硅绝缘层阻温特性图。
[0025]图5为实施例1制备薄膜热电偶静态性能图。
[0026]图6为实施例1制备的薄膜热电偶动态响应时间图。
具体实施方式
[0027]下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。
[0028]实施例1
[0029]以YG8硬质合金车刀片作为基底在其表面制备薄膜热电偶，其流程如图2所示，包括以下步骤：
[0030]步骤1，首先将刀具表面机械抛光至镜面，然后依次放入丙酮、去离子水、无水乙醇中超声清洗12min。清洗完后将刀具放入真空室内抽真空至5
×
10
‑5Pa，然后通入150ml/min氩气，真空度恒定保持1.5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测量切削温度的薄膜热电偶，其特征在于，包括设置在金属基底与热电偶层之间的Si3N4薄膜即绝缘层，依次设置在Si3N4薄膜上的NiCr薄膜、NiSi薄膜，NiCr薄膜、NiSi薄膜的一端在刀具刀尖处形成热接点、另一端连接标准K型热电偶丝，覆盖在热接点上作为保护层的Si3N4薄膜。2.权利要求1所述的薄膜热电偶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：将镀膜机腔体在真空下加热到100
±
10℃保持，以氩气和氮气作为工作气体，将Si3N4通过中频磁控溅射，在金属基地上生长制得Si3N4薄膜；步骤(2)：用锡纸作为掩摸在刀具上形成NiCr电极形状，在真空下加热到150
±
10℃保持，以氩气作为工作气体，以多弧离子镀在绝缘层上沉积NiCr薄膜；步骤(3)：用锡纸作为掩摸在刀具上形成NiSi电极形状，在真空下加热到100
±
10℃保持，以氩气作为工作气体，以直流磁控溅射沉积NiSi，制得NiSi薄膜；步骤(4)：用锡纸作为掩摸在刀具上形成保护膜形状，在真空下加热到100
±
10℃保持，以氮气和氩气作为工作气体，将Si3N4通过中频磁控溅射制得Si3N4薄膜；步骤(5)：标准K型热电偶丝作为薄膜热电偶的补...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄雷，周帝，袁军堂，汪振华，殷增斌，丁志恒，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：