CN100410418C - 轴承外圈滚道离子注入与沉积复合处理方法 - Google Patents
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Abstract
轴承外圈滚道离子注入与沉积复合处理方法，它涉及一种轴承表面强化处理方法。针对轴承外圈滚道采用等离子体浸没离子注入与沉积处理存在强化层结合力差及均匀性差问题。本发明是这样完成的：将超声清洗后的轴承外圈(3)组成圆筒放到真空室内抽真空，通入碳氢化合物气体，先对圆筒内腔进行高能C离子注入，工作气压为2.0×10-1～6.0×10-1Pa，偏压幅值为10～30kV，脉冲宽度为20～60μs，脉冲频率为50～350Hz，再对圆筒内腔进行类金刚石碳膜薄膜沉积，工作气压为2～8Pa，偏压幅值为2～4kV，脉冲宽度为10～20μs，脉冲频率为2～8kHz。经本发明处理过的轴承外圈滚道具有较好的耐磨性，纳米硬度值为15～20GPa，磨损寿命在200g载荷下为8万转，稳定阶段的摩擦系数为0.08，可实现批量处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种轴承表面强化处理方法。
背景技术
等离子体浸没离子注入与沉积(Plasma Immersion Ion Implantation andDeposition，PIIID)技术已在国内和国际得到了广泛关注，美国、欧洲、日本、澳大利亚等国家和地区已经把PIIID技术作为精密零件表面强化处理的重要手段之一。目前，利用PIIID技术已经能够实现气体离子注入、气体+金属离子混合注入、化合物沉积等多种强化处理工艺，强化处理后材料表面的显微硬度、耐磨损、抗腐蚀和接触疲劳寿命等性能已得到较大地提高。同时，PIIID技术在平面、圆柱和球类零件强化层的均匀性研究也取得了很大的进展，能够实现这些零件的均匀、批量强化处理。但是，对于轴承外圈滚道等圆筒内表面需要强化处理的零件，利用PIIID技术处理时，圆筒内腔内部的等离子体很容易耗竭，而外部等离子体很难及时补充，从而导致注入与沉积的不均匀性。
为了解决上述难题，悉尼大学采用一维冷等离子体流体模型对圆筒内表面的注入进行了数值模拟，模拟结果表明在圆筒内表面注入过程中，存在着严重的注入能量偏低问题；哈尔滨工业大学通过二维模拟表明：导致内表面注入剂量和注入能量偏低的根本原因在于筒内鞘层的扩展和交叉重叠，采用偏转电场法对内表面进行注入，可以提高注入剂量和注入能量，但是均匀性还是很差；北京物理所提出栅网增强内表面改性新方法，通过在中心阴极与同轴栅网之间产生射频等离子体，轴向等离子体分布均匀性大大地得到改进，射频自偏压产生的溅射效应可以实现内表面的沉积。但是，对于尺寸较小的零件，同轴栅网的制作难度很大，由于接地栅网和工件之间距离小，导致工件上所加的注入电压不能太高；美国西南研究院采用中频辉光放电方法在圆筒内表面沉积类金刚石(Diamond-like film，DLC)膜，但DLC膜与基体之间的结合强度较低。此外，国际上还有人采用磁控溅射和等离子体增强化学气相沉积等方法在内表面沉积一层强化层，但是由于没有高能离子轰击，沉积层结合力均较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种轴承外圈滚道离子注入与沉积复合处理方法，该方法可解决采用等离子体浸没离子注入与沉积技术存在轴承外圈滚道表面形成的强化层结合力差、均匀性难以保证、难以实现批量处理问题。
本发明由以下步骤完成：a、超声清洗：将待处理的轴承外圈3放入纯度为99.9％以上的丙酮溶液和纯度为99.9％以上的乙醇溶液中分别进行8～15min的超声清洗；b、真空处理：将由多个轴承外圈排列组成的轴承外圈圆筒放到真空室试样台上，抽真空至真空度为1.0×10-4～1.0×10-2Pa；c、轴承外圈圆筒内腔的高能碳离子注入：在将放入真空室试样台上的轴承外圈圆筒缓慢匀速旋转的同时，通过质量流量计向真空室内通入碳氢化合物气体，采用高幅值脉冲偏压实现轴承外圈圆筒内腔的高能碳离子注入，工作气压为2.0×10-1～6.0×10-1Pa，偏压幅值为10～30kV，脉冲宽度为20～60μs，脉冲频率为50～350Hz；d、轴承外圈圆筒内腔的类金刚石碳膜薄膜沉积；通过质量流量计向真空室内通入碳氢化合物气体，采用低幅值脉冲偏压实现轴承外圈圆筒内腔的类金刚石碳膜薄膜沉积，工作气压为2～8Pa，偏压幅值为2～4kV，脉冲宽度为10～20μs，脉冲频率为2～8kHz。
本发明具有以下有益效果：一、由于类金刚石碳膜(DLC)具有高的硬度和低的摩擦系数，在零件表面合成DLC膜可以提高零件表面的耐磨损性能。但由于DLC膜与基体在成分和物理性能上的差异，在膜层与基体界面处会产生较大的残余应力，所制备的膜层容易脱落。本发明在进行DLC合成之前，对轴承外圈圆筒的内腔先进行了高能碳离子注入，与外部DLC膜形成了梯度结构，减小了外部DLC膜与基体在成分和性能上的差异，从而缓释了残余应力，提高了膜层与基体的结合力。二、本发明与现行的轴承外圈表面处理方法相比较，本发明合成的表面强化膜层与轴承外圈滚道的结合力高，均匀性好，容易实现批量处理。三、通过球盘磨损试验的测试结果证明，经过高能碳离子注入和DLC薄膜沉积复合表面强化处理试样的磨损寿命比单层DLC沉积试样提高近十倍，摩擦系数低于0.1(球盘磨损试验的试验条件：磨件材料为Si3N4，载荷为200g，转速为200r/min)。四、本发明的处理方法简单、容易操作，经本发明处理过的轴承外圈滚道具有较好的耐磨性，可实现批量处理。
附图说明
图1是本发明的卡具的整体结构主视剖面图，图2是图1的左视图，图3是轴承外圈圆筒与卡具装配在一起的主视图(轴承外圈圆筒由三个轴承外圈3组成)。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的轴承外圈滚道离子注入与沉积复合处理方法由以下步骤完成：a、超声清洗：将待处理的轴承外圈3放入纯度为99.9％以上的丙酮溶液和纯度为99.9％以上的乙醇溶液中分别进行8～15min的超声清洗；b、真空处理：将由多个轴承外圈排列组成的轴承外圈圆筒放到真空室试样台上，抽真空至真空度为1.0×10-4～1.0×10-2Pa；c、轴承外圈圆筒内腔的高能碳离子注入：在将放入真空室试样台上的轴承外圈圆筒缓慢匀速旋转的同时，通过质量流量计向真空室内通入碳氢化合物气体，采用高幅值脉冲偏压实现轴承外圈圆筒内腔的高能碳离子注入，工作气压为2.0×10-1～6.0×10-1Pa，偏压幅值为10～30kV，脉冲宽度为20～60μs，脉冲频率为50～350Hz；d、轴承外圈圆筒内腔的类金刚石碳膜薄膜沉积；通过质量流量计向真空室内通入碳氢化合物气体，采用低幅值脉冲偏压实现轴承外圈圆筒内腔的类金刚石碳膜薄膜沉积，工作气压为2～8Pa，偏压幅值为2～4kV，脉冲宽度为10～20μs，脉冲频率为2～8kHz。
将脉冲偏压施加到多个由轴承外圈组成的圆筒上，对多个轴承外圈圆筒同时进行包括高能碳离子注入和DLC薄膜沉积的复合强化处理，进而实现轴承外圈滚道表面强化的批量处理。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在a步骤中，将待处理的轴承外圈3放入纯度为99.9％的丙酮溶液和纯度为99.9％的乙醇溶液中分别进行10min的超声清洗，以去除轴承外圈表面的油脂与水分。
具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在b步骤中，使用卡具将每三个轴承外圈3并列放在一起组成一个轴承外圈圆筒放到真空室内的试样台上，抽真空至真空度为2.0×10-3Pa。将每三个轴承外圈3组成一个轴承外圈圆筒以保证轴承外圈圆筒内部等离子体密度的均匀性。此外，采用上述技术参数，以清除真空室内的杂质。
具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在b步骤中，使用卡具将每三个轴承外圈3并列放在一起组成一个轴承外圈圆筒放到真空室内的试样台上，抽真空至真空度为1.0×10-4Pa。将每三个轴承外圈3组成一个轴承外圈圆筒以保证轴承外圈圆筒内部等离子体密度的均匀性。此外，采用上述技术参数，以清除真空室内的杂质。
具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在b步骤中，使用卡具将每三个轴承外圈3并列放在一起组成一个轴承外圈圆筒放到真空室内的试样台上，抽真空至真空度为1.0×10-2Pa。将每三个轴承外圈3组成一个轴承外圈圆筒以保证轴承外圈圆筒内部等离子体密度的均匀性。此外，采用上述技术参数，以清除真空室内的杂质。
在具体实施方式三、四和五中均使用了卡具将每三个轴承外圈3并列放在一起组成一个轴承外圈圆筒，卡具的两端口可以作为气体流动及等离子体的出口，它不仅保证了轴承外圈圆筒内部等离子体密度的均匀性，还保证了轴承外圈圆筒内表面强化层轴向的均匀性。
具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五的不同点是：本实施方式在b步骤中所使用的卡具由两个卡环1和两个连接件2组成；每个卡环1的内腔1-1设有一个内圆台1-2，两个卡环1相对并列放置，每个卡环1沿圆周方向对称布置有两个连接孔1-3，两个卡环1通过装在连接孔1-3上的连接件2相连接。采用上述结构的卡具，具有结构简单、加工容易、使用方便的优点。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在c步骤中，向真空室内通入的碳氢化合物气体是C2H2气体，C2H2气体的工作气压为6.0×10-1Pa，偏压幅值为20kV，脉冲宽度为60μs，脉冲频率为200Hz。采用上述技术参数，可保证轴承外圈圆筒内腔的高能碳离子注入。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在c步骤中，向真空室内通入的碳氢化合物气体是C2H2气体，C2H2气体的工作气压为2.0×10-1Pa，偏压幅值为10kV，脉冲宽度为20μs，脉冲频率为50Hz。采用上述技术参数，可保证轴承外圈圆筒内腔的高能碳离子注入。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在c步骤中，向真空室内通入的碳氢化合物气体是C2H2气体，C2H2气体的工作气压为4.0×10-1Pa，偏压幅值为30kV，脉冲宽度为40μs，脉冲频率为350Hz。采用上述技术参数，可保证轴承外圈圆筒内腔的高能碳离子注入。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在c步骤中，向真空室内通入的碳氢化合物气体是CH4气体，CH4气体的工作气压为6.0×10-1Pa，偏压幅值为20kV，脉冲宽度为60μs，脉冲频率为200Hz。采用上述技术参数，可保证轴承外圈圆筒内腔的高能碳离子注入。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在c步骤中，向真空室内通入的碳氢化合物气体是CH4气体，CH4气体的工作气压为2.0×10-1Pa，偏压幅值为10kV，脉冲宽度为20μs，脉冲频率为50Hz。采用上述技术参数，可保证轴承外圈圆筒内腔的高能碳离子注入。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在c步骤中，向真空室内通入的碳氢化合物气体是CH4气体，CH4气体的工作气压为4.0×10-1Pa，偏压幅值为30kV，脉冲宽度为40μs，脉冲频率为350Hz。采用上述技术参数，可保证轴承外圈圆筒内腔的高能碳离子注入。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在d步骤中，向真空室内通入的碳氢化合物气体是C2H2气体，调整工作气压为2Pa，偏压幅值为3kV，脉冲宽度为20μs，脉冲频率为6kHz。采用上述技术参数，可保证轴承外圈圆筒内表面获得均匀、高结合力的表面强化层。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在d步骤中，向真空室内通入的碳氢化合物气体是C2H2气体，调整工作气压为8Pa，偏压幅值为4kV，脉冲宽度为15μs，脉冲频率为8kHz。采用上述技术参数，可保证轴承外圈圆筒内表面获得均匀、高结合力的表面强化层。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在d步骤中，向真空室内通入的碳氢化合物气体是C2H2气体，调整工作气压为5Pa，偏压幅值为2kV，脉冲宽度为10μs，脉冲频率为2kHz。采用上述技术参数，可保证轴承外圈圆筒内表面获得均匀、高结合力的表面强化层。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在d步骤中，向真空室内通入的碳氢化合物气体是CH4气体，调整工作气压为2Pa，偏压幅值为3kV，脉冲宽度为20μs，脉冲频率为6kHz。采用上述技术参数，可保证轴承外圈圆筒内表面获得均匀、高结合力的表面强化层。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在d步骤中，向真空室内通入的碳氢化合物气体是CH4气体，调整工作气压为8Pa，偏压幅值为4kV，脉冲宽度为15μs，脉冲频率为8kHz。采用上述技术参数，可保证轴承外圈圆筒内表面获得均匀、高结合力的表面强化层。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在d步骤中，向真空室内通入的碳氢化合物气体是CH4气体，调整工作气压为5Pa，偏压幅值为2kV，脉冲宽度为10μs，脉冲频率为2kHz。采用上述技术参数，可保证轴承外圈圆筒内表面获得均匀、高结合力的表面强化层。
具体实施方式十九：本实施方式的轴承外圈滚道离子注入与沉积复合处理方法由以下步骤完成：a、超声清洗：将待处理的轴承外圈3(轴承外圈选自哈尔滨轴承厂生产的61903深沟球轴承)放在纯度为99.99％的丙酮溶液和纯度为99.99％的乙醇溶液中分别进行10min的超声清洗，以去除轴承外圈3表面的油脂与水分；b、真空处理：将每三个轴承外圈3由卡具组成一个轴承外圈圆筒，将六个轴承外圈圆筒放置在真空室内的试样台上，抽真空至真空度达到2.0×10-3；c、轴承外圈圆筒内腔的高能碳离子注入：在将放入真空室试样台上的轴承外圈圆筒缓慢匀速旋转的同时，通过质量流量计向真空室内通入C2H2气体，采用高幅值脉冲偏压实现轴承外圈圆筒内腔的高能碳离子注入，C2H2气体流量为40sccm，工作气压为6×10-1Pa，偏压幅值为20kV，脉冲宽度为60μs，脉冲频率为200Hz；d、轴承外圈圆筒内腔的类金刚石碳膜薄膜沉积；通过质量流量计向真空室内通入C2H2气体，采用低幅值脉冲偏压实现轴承外圈圆筒内腔的类金刚石碳膜薄膜沉积，C2H2气体流量为80sccm，工作气压为2Pa，偏压幅值为3kV，脉冲宽度为20μs，脉冲频率为6kHz，整个处理过程中，所有轴承外圈圆筒缓慢匀速旋转。在进行等离子体表面处理过程中，轴承外圈圆筒缓慢转动，可以保证强化层沿圆周方向的均匀性。由于组成轴承外圈圆筒的轴承外圈数目太多会使轴承外圈圆筒长度过长，影响内部等离子体的产生，同时，将组成轴承外圈圆筒的轴承外圈数目限制在三个以下以保证轴承外圈圆筒内部等离子体密度的均匀性。
经过本实施方式处理后的轴承外圈滚道的纳米硬度值为15～20GPa，磨损寿命在200g载荷下为8万转，稳定阶段的摩擦系数为0.08。
Claims (8)
1. 一种轴承外圈滚道离子注入与沉积复合处理方法，其特征在于它由以下步骤完成：a、超声清洗：将待处理的轴承外圈(3)放入纯度为99.9％以上的丙酮溶液和纯度为99.9％以上的乙醇溶液中分别进行8～15min的超声清洗；b、真空处理：将由多个轴承外圈排列组成的轴承外圈圆筒放到真空室试样台上，抽真空至真空度为1.0×10-4～1.0×10-2Pa；c、轴承外圈圆筒内腔的高能碳离子注入：在将放入真空室试样台上的轴承外圈圆筒缓慢匀速旋转的同时，通过质量流量计向真空室内通入碳氢化合物气体，采用高幅值脉冲偏压实现轴承外圈圆筒内腔的高能碳离子注入，工作气压为2.0×10-1～6.0×10-1Pa，偏压幅值为10～30kV，脉冲宽度为20～60μs，脉冲频率为50～350Hz；d、轴承外圈圆筒内腔的类金刚石碳膜薄膜沉积；通过质量流量计向真空室内通入碳氢化合物气体，采用低幅值脉冲偏压实现轴承外圈圆筒内腔的类金刚石碳膜薄膜沉积，工作气压为2～8Pa，偏压幅值为2～4kV，脉冲宽度为10～20μs，脉冲频率为2～8kHz。
2. 根据权利要求1所述的轴承外圈滚道离子注入与沉积复合处理方法，其特征在于a步骤中，将待处理的轴承外圈(3)放入纯度为99.9％的丙酮溶液和纯度为99.9％的乙醇溶液中分别进行10min的超声清洗。
3. 根据权利要求1所述的轴承外圈滚道离子注入与沉积复合处理方法，其特征在于b步骤中，使用卡具将每三个轴承外圈(3)并列放在一起组成一个轴承外圈圆筒，将轴承外圈圆筒放到真空室内的试样台上，抽真空至真空度为2.0×10-3Pa。
4. 根据权利要求3所述的轴承外圈滚道离子注入与沉积复合处理方法，其特征在于b步骤中所使用的卡具由两个卡环(1)和两个连接件(2)组成；每个卡环(1)的内腔(1-1)设有一个内圆台(1-2)，两个卡环(1)相对并列放置，每个卡环(1)沿圆周方向对称布置有两个连接孔(1-3)，两个卡环(1)通过装在连接孔(1-1)上的连接件(2)相连接。
5. 根据权利要求1所述的轴承外圈滚道离子注入与沉积复合处理方法，其特征在于c步骤中，向真空室内通入碳氢化合物气体的工作气压为6.0×10-1Pa，偏压幅值为20kV，脉冲宽度为60μs，脉冲频率为200Hz。
6. 根据权利要求1或5所述的轴承外圈滚道离子注入与沉积复合处理方法，其特征在于c步骤中，所通入的碳氢化合物气体为C2H2气体或CH4气体。
7. 根据权利要求1所述的轴承外圈滚道离子注入与沉积复合处理方法，其特征在于d步骤中，向真空室内通入碳氢化合物气体的工作气压为2Pa，偏压幅值为3kV，脉冲宽度为20μs，脉冲频率为6kHz。
8. 根据权利要求1或7所述的轴承外圈滚道离子注入与沉积复合处理方法，其特征在于d步骤中，所通入的碳氢化合物气体为C2H2气体或CH4气体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20080813 |