CN113981384B - 一种减小电容器和电池金属箔切刀切削误差的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种减小电容器和电池金属箔切刀切削误差的方法，将金属箔切刀超声波清洗去除油脂，然后脱水和烘干后放入真空室；开启冷阴极气体离子源，冷阴极气体离子源输入氩气，利用引出的氩离子对真空室中金属箔切刀表面进行离子束抛光处理；关掉冷阴极气体离子源，开启电弧离子源，电弧离子源的阴极靶和阳极筒均为石墨，在石墨阴极靶面上产生电弧放电，进而产生碳等离子体；通过一个引出电极，将碳等离子体中的碳离子引出，进入一个过滤磁场，通过过滤磁场的筛选，再通过一个磁透镜聚焦，形成纯碳离子束流，再通过磁扫描偏转场，将纯碳离子束沉积在金属箔切刀上，形成均匀的非晶四面体碳薄膜。

Description

一种减小电容器和电池金属箔切刀切削误差的方法
技术领域
本发明属于离子束材料表面改性和新材料技术领域，具体涉及一种减小电容器和电池金属箔切刀切削误差的方法。
背景技术
近年来，随着新能源技术不断应用，储能技术得到巨大的发展，对电容器和电池等的使用寿命、安全性和可靠性提出了更高的要求，而电容器和电池等储能器件的寿命和安全性与金属箔加工时的切削误差有很大关系，因此减小金属箔切削误差是目前电容器和电池生产中一个重要指标。目前，在切削加工中，有两个问题需要解决，一是需要保证切削误差的减小，电容器和电池容量越来越大，而体积越来越小，因此对金属箔的切削误差要求越来越小，随着误差的减小，刀片的切削长度将大幅度减小，因此刀片消耗将大大增加，刀片损耗的增大将增加成本，降低生产效率，消耗大量刀片材料，因此提高刀片的使用寿命、减少刀片消耗，同时减小切削误差是电容器和电池生产中需要解决的问题；二是保证刀片切削过程中误差增加的一致性和生产的稳定性，目前使用的刀片由于材料和加工时的不确定性，导致磨损程度不一致，因此导致切削误差不稳定，如某电容器厂的生产数据中显示，当切削误差控制在小于20微米时，高速钢刀片切削某一厚度铝箔，有些刀片切削短到只有300米，有些刀片切削可以到600米，相差一倍；采用的钨钢刀片，有些刀片只能切削917米，有些则到2001米，相差一倍多，可见误差控制非常不好，这对于电容器和电池金属箔生产中的质量控制非常不利，因此，切削过程中的误差一致性问题是金属薄生产中急需解决的问题。
解决切刀使用寿命和误差控制有两个途径，一是采用涂层技术；二是提高刀片材料的硬度。
采用涂层技术最为合适，一是可以提高刀片使用寿命，大大减少刀片的损耗，二是涂层的磨损只与厚度有关，只要保证厚度一致性，可以保证刀片损耗一致性，由于刀片损耗产生的误差可以通过控制涂层厚度保证其具有一致性。但由于目前市场上的刀具涂层技术都采用氮化物涂层，而这种涂层不适合电容器和电池薄的切削刀片，主要原因有：
(1)其硬度低，一般涂层较厚，大约在3-5微米，对于金属箔切刀，大大降低了刀片的锋刃度，无法保证切削误差；
(2)这种涂层表面粗糙度大，金属箔切削刀片为了提高切削误差，一般表面经过研磨，光洁度可以达到200纳米以下，而这种涂层的粗糙度都在微米级，破坏了刀片表面光洁度，不利于切削误差的减小和延长使用寿命，因此至今没有电容器和电池金属箔切削的涂层刀具。
目前市场上提高刀片使用寿命主要是采用钨钢刀代替高速钢，这两种切刀刀片，都是裸刀，高速钢大约20元左右，钨钢刀片大约200多元人民币，生产厂家视要求成本和电容器质量确定选用那种刀片。高速钢刀片成本低，硬度低，误差控制在25微米以上时采用，当误差要求控制在20微米时，某厂的切削数据最短300米，最长600多米，平均切500米左右，生产损耗大，一个厂每天消耗量上千片刀片；采用钨钢刀硬度高，当误差控制在小于20微米时，长的可切削2001米，短的917米，相差1084米，平均裁切1480米，使用寿命可以大大提高，但这两种刀片的误差一致性都不好，工作不稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减小电容器和电池金属箔切刀切削误差的方法，以克服现有技术的不足，本发明能够在保持金属箔切刀锋刃度情况下，大幅度提高金属箔切刀表面光洁度，进而减小切削的毛刺和切削误差，并且可以大大延长金属箔切刀使用寿命，提高生产率，提高加工精度。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种减小电容器和电池金属箔切刀切削误差的方法，包括以下步骤：
(1)将金属箔切刀超声波清洗去除油脂，然后脱水和烘干后放入真空室；
(2)开启冷阴极气体离子源，冷阴极气体离子源输入氩气，控制放电电压为500V，引出电压为600V，利用引出的氩离子对真空室中金属箔切刀表面进行离子束抛光处理，处理时间控制在30min；
(3)关掉冷阴极气体离子源，开启电弧离子源，电弧离子源的阴极靶和阳极筒均为石墨，控制电弧放电电压120V，在石墨阴极靶面上产生电弧放电，进而产生碳等离子体；
(4)通过一个引出电极，将碳等离子体中的碳离子引出，进入一个过滤磁场，通过过滤磁场的筛选，再通过一个磁透镜聚焦，形成纯碳离子束流，再通过磁扫描偏转场，在120V负偏压作用下，将纯碳离子束沉积在金属箔切刀上，形成均匀的非晶四面体碳薄膜。
进一步地，步骤(1)中超声波清洗温度为70℃。
进一步地，步骤(2)中氩气流量为50毫升/秒。
进一步地，步骤(3)中石墨的纯度大于99.99％。
进一步地，步骤(4)中通过一个过滤磁场的筛选，再通过一个磁透镜聚焦，形成纯碳离子束流，进而形成的非晶四面体碳薄膜显微硬度在75GPa以上，SP3含量大于75％。
进一步地，步骤(4)中通过磁场扫描技术将纯碳离子束沉积在金属箔切刀上，控制非晶四面体碳薄膜表面粗糙度为0.43纳米，形成均匀分布的非晶四面体碳薄膜，厚度控制在100-200nm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过在电容器和电池金属箔切刀镀非晶四面体碳薄膜，改善了刀片表面光洁度的同时还可以大大减小表面摩擦系数，未涂层刀片表面的摩擦系数，大约为0.6，镀非晶四面体碳涂层后的摩擦系数已下降到0.08，有利于延长使用寿命和减小切削误差。
采用本发明形成的非晶四面体碳涂层薄膜硬度极高，摩擦系数非常小，涂层厚度只需要100纳米即可在原来基础上提高2倍以上的使用寿命，可以做到不改变刀片锋刃度，即可以大幅提高使用寿命，而且更为重要是该涂层可以大大提高刀片表面光洁度，将更为有利地减小切削误差。
本发明采用高速钢刀片进行涂层处理后，做了如下与某电容器生产厂对比实验数据：采用该厂使用的高速钢刀片，沉积100纳米厚非晶四面体碳膜，误差控制在20微米以下，切削最短的为1204米，最长为1308米，相差104米，平均裁切1253米，可以看出，平均使用寿命比高速钢裸刀提高命2.5倍，最低切削长度提高4倍；与钨钢刀比，平均使用寿命差了227米，但最短切削长度，却提高了1.3倍，说明误差一致性控制的很好，稳定性好。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明流程图；
图2为硅片上沉积非晶四面体碳薄膜表面的AFM表征三维视图；
图3(a)为研磨未镀膜刀片表面粗糙度图
图3(b)为研磨刀片经离子束抛光并沉积非晶四面体碳后的表面粗糙度图
图4(a)未研磨未镀膜刀片表面粗糙度图；
图4(b)为未研磨刀片经离子束抛光并沉积非晶四面体碳薄膜表面粗糙度AFM表征二维视图；
图4(c)为未研磨刀片经离子束抛光并沉积非晶四面体碳薄膜表面粗糙度AFM表征三维视图；
图5为未涂层刀片摩擦系数；
图6为非晶四面体碳涂层刀片摩擦系数。
具体实施方式
下面本发明的做进一步详细描述：
参见图1，一种减小电容器和电池金属箔切刀切削误差的方法，包括以下步骤：
(1)超声波清洗，将金属箔切刀放入超声波清洗槽清洗去除油脂，去油时清洗液需加热到70度，然后脱水和烘干后放入真空室；
(2)离子束抛光，开启冷阴极气体离子源，离子源输入氩气，流量为50毫升/秒，放电电压500V，加引出电压600V，利用引出的氩离子对真空室中金属箔切刀表面进行离子束抛光处理，处理时间控制在30min；
(3)关掉气体离子源，开启电弧离子源，电弧源的阴极靶和阳极筒均为高纯石墨，纯度大于99.99％，电弧放电电压120V，在石墨阴极靶面上产生电弧放电，进而产生碳等离子体；
(4)通过一个引出电极，将电弧源中碳等离子体中的碳离子引出，进入一个过滤磁场，通过过滤磁场的筛选，形成纯碳离子束流，在120V负偏压作用下，碳离子束沉积在金属箔切刀上，形成均匀的非晶四面体碳薄膜，可以保证沉积薄膜具有高的显微硬度，在75GPa以上，且SP3含量大于75％，沉积的同时利用磁场扫描技术，使薄膜具有的高均匀性和高光洁度，表面粗糙度可达到0.43纳米。
为了进一步提高刀片表面的光洁度，保证切削误差不增加，沉积100纳米薄膜后，表面光洁度可以控制在100nm左右，刀片锋刃度保持不变。
步骤(1)刀片经超声清洗、脱水和烘干后放入真空室，用于保证刀片具有好的附着力；步骤(2)利用离子束抛光，引出电压选择在600V比较合适，时间30分钟，能量大或时间长可能损伤刀片锋刃度，能量过低或时间短无法保证表面光洁度进一步增加，例如当刀片表面光洁度大于180nm时，离子束抛光可使样品表面光洁度提高30-50nm左右，通过镀膜可以控制在100纳米以下；步骤(3)利用电弧放电产生碳等离子体，具有沉积高效率，高离化率特性，保证沉积速率高；步骤(4)利用磁场过滤技术，可以对碳等离子体过滤，形成较纯的碳离子，再通过一个磁透镜聚焦成离子束，可以保证沉积薄膜具有高的硬度，在75GPa以上，同时采用的磁扫描技术，将离子束均匀地沉积在样品表面，由于形成0.43纳米的薄膜粗糙度，薄膜沉积后，可以大大减小刀片表面粗糙度。
由上述技术方案可见，采用本方法在电容器、电池金属箔切刀表面形成的纳米级涂层，具备比现有刀具涂层摩擦系数小、硬度高的优点，不仅可以大大延长使用寿命，还可以大大提高加工面的光洁度，减小切削误差，提高电容器和电池品质，并可以大大提高生产率，节省刀片消耗量。
下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是实施例的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
实施例
一种减小电容器、电池金属箔切刀切削误差的方法，具体实施步骤为：
(1)超声波清洗：将待镀膜电容器和电池金属箔切刀放入超声波清洗槽清洗去除油脂，去油时清洗液需加热到70度，然后脱水和烘干后放入真空室；
(2)离子束抛光，开启冷阴极气体离子源，离子源输入氩气，流量为50毫升/秒，放电电压500V，加引出电压600V，利用引出的氩离子对真空室中金属箔切刀表面进行离子束抛光处理，处理时间控制在30min；
(3)关掉气体离子源，开启电弧离子源，电弧源的阴极靶和阳极筒均为高纯石墨，纯度大于99.99％，电弧电压120V，在石墨阴极靶面上产生电弧放电，进而产生碳等离子体；
(4)通过一个引出电极，将电弧源中碳等离子体中的碳离子引出，进入一个过滤磁场，通过过滤磁场的筛选，形成纯碳离子束流，在120V负偏压作用下，碳离子束沉积在金属箔切刀上，形成均匀的非晶四面体碳薄膜。沉积薄膜具有高的硬度，在75GPa以上，同时利用磁场扫描技术，使薄膜具有的高均匀性和高光洁度，表面粗糙度可达到0.43纳米。
一般氮化物涂层厚度在3-5微米，粗糙度一般1微米左右，而市场上一般研磨刀片表面粗糙度一般为200微米以下。由此可看出，氮化物涂层会破坏刀片表面的光洁度。
为了测试上述工艺的性能，采用抛光硅片做为测试实验的样品，抛光硅片的表面光洁度高，测试比较准确，采用上述工艺，在硅片上沉积非晶四面体碳薄膜，利用AFM测试的沉积后的样品表面，粗糙度为0.424nm，利用AFM测试的非晶四面体碳涂层表面形貌如图2中所示。因此，可以证明根据本发明的工艺制备的非晶四面体碳涂层表面会有效改善和减小刀片粗糙度。
此外，由本发明所述工艺对湖南益阳爱华集团使用的刀片测试结果如下：
图3(a)显示的是研磨未镀膜的刀片粗糙度为163nm，图3(b)显示的是经离子束抛光，并沉积薄膜40分钟后粗糙度为130nm；图4(a)显示的是未研磨未镀膜的刀片粗糙度为254nm，图4(b)和图4(c)分别为经离子束抛光，并沉积薄膜40分钟后刀片表面粗糙度用AFM表征的二维视图和三维视图，可以看到镀膜后的刀片表面粗糙度为175nm。
通过沉积非晶四面体碳薄膜，改善了刀片表面光洁度的同时还可以大大减小表面摩擦系数，有利于延长使用寿命和减小切削误差。如图5和图6所示，图5是未涂层刀片表面的摩擦系数，大约为0.6，图6为镀非晶四面体碳涂层后的摩擦系数，已下降到0.08。
采用上述工艺形成的非晶四面体碳涂层薄膜硬度极高，摩擦系数非常小，涂层厚度只需要100纳米即可在原来基础上提高2倍以上的使用寿命，可以做到不改变刀片锋刃度，即可以大幅提高使用寿命，而且更为重要是该涂层可以大大提高刀片表面光洁度，将更为有利地减小切削误差，我们采用高速钢刀片，进行涂层处理后，做了如下与某电容器生产厂对比实验数据：采用该厂使用的前述高速钢刀片，沉积100纳米厚非晶四面体碳膜，误差控制在20微米以下，切削最短的为1204米，最长为1308米，相差104米，平均裁切1253米，可以看出，平均使用寿命比高速钢裸刀提高命2.5倍，最低切削长度提高4倍；与钨钢刀比，平均使用寿命差了227米，但最短切削长度，却提高了1.3倍，说明误差一致性控制的很好，稳定性好。
由此可以看出，镀非晶四面体碳高速钢涂层的刀片，不仅比不镀膜刀片使用寿命有明显的提高，而且相比钨钢刀稳定性更好，寿命也基本相同。
以上所述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种减小电容器和电池金属箔切刀切削误差的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将金属箔切刀超声波清洗去除油脂，然后脱水和烘干后放入真空室；
(2)开启冷阴极气体离子源，冷阴极气体离子源输入氩气，控制放电电压为500V，引出电压为600V，利用引出的氩离子对真空室中金属箔切刀表面进行离子束抛光处理，处理时间控制在30min；
(3)关掉冷阴极气体离子源，开启电弧离子源，电弧离子源的阴极靶和阳极筒均为石墨，控制电弧放电电压120V，在石墨阴极靶面上产生电弧放电，进而产生碳等离子体；
(4)通过一个引出电极，将碳等离子体中的碳离子引出，进入一个过滤磁场，通过过滤磁场的筛选，再通过一个磁透镜聚焦，形成纯碳离子束流，再通过磁扫描偏转场，在120V负偏压作用下，将纯碳离子束沉积在金属箔切刀上，形成均匀的非晶四面体碳薄膜；
其中，通过一个过滤磁场的筛选，再通过一个磁透镜聚焦，形成纯碳离子束流，进而形成的非晶四面体碳薄膜显微硬度在75GPa以上，SP3含量大于75％，通过磁场扫描技术将纯碳离子束沉积在金属箔切刀上，控制非晶四面体碳薄膜表面粗糙度为0.43纳米，形成均匀分布的非晶四面体碳薄膜，厚度控制在100-200nm。
2.根据权利要求1所述的一种减小电容器和电池金属箔切刀切削误差的方法，其特征在于，步骤(1)中超声波清洗温度为70℃。
3.根据权利要求1所述的一种减小电容器和电池金属箔切刀切削误差的方法，其特征在于，步骤(2)中氩气流量为50毫升/秒。
4.根据权利要求1所述的一种减小电容器和电池金属箔切刀切削误差的方法，其特征在于，步骤(3)中石墨的纯度大于99.99％。
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