CN102268646A - 耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮及其制造方法 - Google Patents

耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮及其制造方法，该制造方法包括采用不锈钢材质制造出齿轮的主体的过程，还包括在该齿轮的主体表面进行真空电弧离子镀CrN层的过程，该CrN层的厚度为4-19μm、表面硬度为1400-2300HV。该齿轮包括不锈钢材质的主体和设置在该主体表面的Cr过渡层、CrN层，该Cr过渡层的厚度为200-1000nm。本发明可以提高化学机械抛光设备的中心齿轮的耐蚀性及耐磨性，增强其使用寿命，从而降低化学机械抛光工艺的成本。

Description

耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮及其制造方法
技术领域
本发明涉及化学机械抛光设备用的齿轮，尤其涉及耐磨耐腐蚀的不锈钢齿轮。
背景技术
目前化学机械抛光设备，比如：硬盘盘片的抛光设备，通常由中心齿轮及其驱动、外部环齿轮及其驱动、设置在这两齿轮之间的芳纶纤维齿轮片以及设置在该齿轮片上下方的抛光垫及其驱动等机构组成，其中，中心齿轮的直径在30厘米以上，外部环齿的直径则超过1米。在硬盘盘片的抛光工艺过程，工件设置在齿轮片中的工位上，在各驱动的配合下实现抛光。现有的中心齿轮普遍采用未经过表面处理的奥氏体不锈钢，其硬度偏低，为80-250HV，耐磨性差。在化学机械抛光过程中，由于中心齿轮要与抛光液接触，而抛光液是一种强腐蚀性混合液，对不锈钢表面的腐蚀性很强，同时由于芳纶纤维齿轮片对中心齿轮的疲劳磨损，抛光液中的微颗粒对中心齿轮的磨损，以及抛光液对中心齿轮的化学腐蚀的共同作用，中心齿轮磨损很快，当中心齿轮磨损超过1mm或纤维齿轮片频繁卷边，必须更换齿轮位置，每个中心齿轮最大可调整8次位置，整个中心齿轮使用寿命短于1年。此外，从中心齿轮磨损带出的大量颗粒对加工盘片的表面容易造成划伤，严重影响抛光质量。
现有的几种用于奥氏体不锈钢制品的表面处理方法及其对中心齿轮的耐磨耐腐蚀性能的可能影响。
（1）离子植入，通过离子植入一些金属离子，表面比较薄，中心齿轮硬度没有明显提高且在抛光液中容易被腐蚀。 
（2）离子氮化，奥氏体不锈钢离子氮化在一定程度上提高了表面硬度，硬度为800-1300HV，但却在氮化层中析出了氮化物，由于氮化物在奥氏体晶界择优生长，消耗了铬，导致奥氏体基体中的铬含量减少，结果使不锈钢的耐蚀性降低。
（3）对表面进行磁控溅射镀膜处理，包括镀TiN或CrN。陶瓷TiN或CrN具有很高的硬度，硬度为1200-2400HV，以及很强的耐磨性和耐腐蚀性。但是该方法提供的超硬、耐磨、耐腐蚀层薄膜厚度很薄，在中心齿轮上仅能成型1-3μm厚的CrN层；这是因为厚度大于3μm的薄膜内应力大，与基体材料的附着性降低，在使用中容易大面积剥落。由于基体硬度不高，磁控溅射镀膜处理提供的超硬层厚度不可能太厚，因此，使用磁控溅射镀膜处理的齿轮对于寿命的提高有限。
可见，这些现有表面处理的方法对于提高化学机械抛光设备的中心齿轮的耐蚀性及耐磨性的效果比较有限，而中心齿轮的较短寿命和较频繁的更换，也会增加化学机械抛光工艺的成本，因此，提高中心齿轮的耐蚀性及耐磨性成为化学机械抛光工艺中亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，而提出一种耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮及其制造方法，可以提高化学机械抛光设备的中心齿轮的耐蚀性及耐磨性，增强其使用寿命，从而降低化学机械抛光工艺的成本。
本发明针对上述技术问题而提出的技术方案包括，提出一种耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮的制造方法，包括采用不锈钢材质制造出齿轮的主体的过程，还包括在该齿轮的主体表面进行真空电弧离子镀CrN层的过程，该CrN层的厚度为4-19μm、表面硬度为1400-2300HV。
在真空电弧离子镀CrN层之前先真空镀Cr过渡层，该Cr过渡层的厚度为200-1000 nm。
在进行真空镀Cr过渡层和真空电弧离子镀CrN层时，该齿轮的主体安装于真空室内可转动的支架上，靶材为金属Cr，该齿轮的主体的齿面正对Cr靶，该齿轮的主体与脉冲负偏压电源装置连接。
该真空电弧离子镀Cr过渡层的过程具体包括：将真空室内背底真空抽至10-3 Pa以下，并打开加热器使该齿轮的主体温度升至300 ℃，烘烤5 min；通入一定流量的Ar，使真空室压力控制在2-3 Pa，打开脉冲负偏压电源，占空比为30%，频率为30 kHz，电压由100V逐渐加到1500V，产生Ar离子，对该齿轮的主体表面进行轰击，累计时间为30min，以清洁与活化该齿轮的主体表面；减小脉冲负偏压电源至100V，并关闭Ar，使真空恢复至10-3 Pa以下；通入一定流量的Ar，使真空室压力控制在(3-5)×10－1 Pa，打开离子源电源，工作电压为20-80 V，工作电流为40-100 A，同时，逐渐增加脉冲负偏压电源至200V，时间为5-15min，在该齿轮的主体表面镀上一层厚度为200-1000 nm金属Cr，以提高结合力。
该真空电弧离子镀CrN层的过程具体包括：打开N2阀门，同时调节Ar和N2流量，使N2比例为10-40%，真空室压力控制在(3-5)×10－1 Pa，在该齿轮的主体表面反应沉积CrN，时间为6-12小时，厚度为4-19μm；关闭离子源电源、脉冲负偏压电源、加热器电源以及Ar与N2阀门，让该齿轮温度下降至35 ℃以下。
在真空电弧离子镀CrN层之后，还包括对齿轮的表面进行抛光处理的过程。
该抛光过程采用至少两齿轮相互对磨，并使含有金刚石颗粒的溶液流到齿轮的齿面。
本发明针对上述技术问题而提出的技术方案还包括，提出一种耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮，包括不锈钢材质的主体，还包括设置在该主体表面的Cr过渡层以及设置在该过渡层上的CrN层，该Cr过渡层的厚度为200-1000 nm，该CrN层的厚度为4-19μm、表面硬度为1400-2300HV。优选地，该CrN层的厚度为8-16μm、表面硬度不小于1800HV。
该主体是304或316奥氏体不锈钢材质的。
该Cr过渡层采用真空镀工艺成型；该CrN层采用真空电弧离子镀工艺成型。
与现有技术相比，本发明的耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮及其制造方法，可以提高化学机械抛光设备的中心齿轮的耐蚀性及耐磨性，增强其使用寿命，从而降低化学机械抛光工艺的成本。
附图说明
图1是本发明的耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮的制造方法的流程示意。
图2是本发明的耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮表面的剖面结构示意。
图3是本发明的CrN层的厚度与齿轮表面硬度以及使用寿命的关系示意。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明予以进一步地详尽阐述。
参见图1，本发明的耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮的制造方法，大致包括：步骤101：成型齿轮的主体；步骤102：采用真空镀Cr过渡层；步骤103：采用真空电弧离子镀CrN层；以及步骤104：对齿轮的表面进行抛光处理。
参见图2，采用上述方法制得的耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮，其大致结构为：不锈钢材质的主体1，设置在该主体1表面的Cr过渡层2以及设置在该过渡层2上的CrN层3。
以下，对本发明的耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮的制造方法进行更详尽的描述。
1．对304或316奥氏体不锈钢齿轮进行超声清洗：将齿轮装在工件夹上，放置在含有碱性清洗剂的溶液的超声槽内，进行超声除油除蜡处理，其中溶液温度为20-80 ℃，超声频率为40-120 kHz，清洗时间为5-30min，然后使用纯净水进行超声清洗，清洗时间为5-20min，最后采用80 ± 5 ℃的清洁热空气，烘干时间为10min。
2．将清洗后的齿轮安装于真空电弧离子镀设备的真空室内可转动的支架上，齿轮的齿面正对Cr靶，并将齿轮与脉冲负偏压电源装置相连。
3．将本底真空抽至10-3 Pa以下，并打开加热器使齿轮工件温度升至300 ℃，烘烤5 min。
4．通入一定流量的Ar，使真空室压力控制在2-3 Pa，打开脉冲负偏压电源，占空比为30%，频率为30 kHz，电压由100V逐渐加到1500V，产生Ar离子，对齿轮表面进行轰击，累计时间为30min，清洁齿轮表面，同时活化表面。
5．减小脉冲负偏压电源至100V，并关闭Ar，使真空恢复至10-3 Pa以下。
6．通入一定流量的Ar，使真空室压力控制在(3-5)×10－1 Pa，打开离子源电源，工作电压为20-80 V，工作电流为40-100 A，同时，逐渐增加脉冲负偏压电源至200V，时间为5-15min，在齿轮表面镀上一层厚度为200-1000 nm金属Cr，以提高结合力。
7．打开N2阀门，同时调节Ar和N2流量，使N2比例为10-40%，真空室压力控制在(3-5)×10－1 Pa，在齿轮表面反应沉积CrN，时间为6-12小时，厚度为4-19μm。
8．关闭离子源电源、脉冲负偏压电源、加热器电源、Ar和N2阀门，让齿轮温度下降至35℃以下，停机，取出工件。
9．采用齿轮对磨方式对镀膜后中心齿轮表面进行抛光，直至去除表面大颗粒，表面光滑为止。具体方法：采用一个能承受较大轴向力的轴承，将轴垂直固定在一个矩形槽体内，齿轮水平放置于轴上，两个或两个以上的齿轮啮合，在其中一个齿轮旁设置一与其啮合的小齿轮，该小齿轮可由电机驱动，在槽体上方外加一管道使金刚石颗粒溶液流到齿轮齿面上，小齿轮为主动齿轮，由电机驱动，可以带动各齿轮转动，从而通过各齿轮的对磨，在齿轮运动过程中实现各齿轮的表面机械抛光。
10．对抛光后的齿轮进行清洗，其步骤是：将齿轮装在工件夹上，放置在含有碱性清洗剂的溶液的超声槽内，溶液温度为20-80 ℃，超声频率为40-170 kHz，清洗时间为5-30min，然后使用纯净水进行超声清洗，清洗时间为5-20min，最后采用80 ± 5 ℃的清洁热空气，烘干时间为10min。
11．参见图3所示的CrN层的厚度与齿轮表面硬度以及使用寿命的关系示意。
当齿轮表面CrN镀层厚度为4um，表面硬度1450HV，将镀膜后经过抛光清洗的齿轮，也就是在大型CMP（化学机械抛光）抛光机中的中心齿轮，换入大型CMP抛光机中试用，中心齿轮每个位置使用寿命为50天（以每一道磨损痕迹使用时间），相比未镀膜的中心齿轮使用寿命30天提高了66.67%。
当齿轮表面 CrN镀层厚度为6um，表面硬度1600HV，将镀膜后经过抛光清洗的中心齿轮换入大型CMP抛光机中试用，中心齿轮使用寿命为56天，相比未镀膜的中心齿轮使用寿命提高了86.67%。
当齿轮表面CrN镀层厚度为8um，表面硬度2000HV，将镀膜后经过抛光清洗的中心齿轮换入大型CMP抛光机中试用，中心齿轮使用寿命为59天，相比未镀膜的中心齿轮使用寿命提高了96.67%。
当齿轮表面CrN镀层厚度为12um，表面硬度2256HV，将镀膜后经过抛光清洗的中心齿轮换入大型CMP抛光机中试用，中心齿轮使用寿命为75天，相比未镀膜的中心齿轮使用寿命提高了150.00%。
当齿轮表面CrN镀层厚度为16um，表面硬度2100HV，将镀膜后经过抛光清洗的中心齿轮换入大型CMP抛光机中试用，中心齿轮使用寿命为64天，相比未镀膜的中心齿轮使用寿命提高了113.33%。
当齿轮表面CrN镀层厚度为19um，表面硬度2080HV，将镀膜后经过抛光清洗的中心齿轮换入大型CMP抛光机中试用，中心齿轮使用寿命为61天时，相比未镀膜的中心齿轮使用寿命提高了103.33%。在CrN镀层厚度为19um情况下，镀层具有较大的应力，中心齿轮表面可能看到镀层脱落的碎片，影响工件效果。
可见，在该CrN层的厚度为8-16μm时，齿轮的表面硬度不小于1800HV，并且不易出现镀层脱落的情形。
与现有技术相比，本发明的耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮及其制造方法，在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。由于离子能量高，使得膜层与工件表面的结合力强，更加持久和耐磨，同时，离子的绕射性能好，能够镀象齿轮这样表面形状复杂的工件，此外，膜层沉积速率快，且生长应力不大，适宜制备厚度大于3μm的薄膜。而为了克服使用真空电弧离子镀方法制备的薄膜表面比较粗糙的情况，避免齿轮在使用过程中会有硬的颗粒脱落，混入抛光环境中容易造成工件表面划伤，本发明在真空电弧离子镀膜之后，可以进一步结合机械抛光技术，从而能够最终制备出表面光滑、超硬、耐磨、耐腐蚀的不锈钢齿轮，可以增强其在抛光设备中用做中心齿轮时的使用寿命，从而降低化学机械抛光工艺的成本。
上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮的制造方法，包括采用不锈钢材质制造出齿轮的主体的过程，其特征在于，还包括在该齿轮的主体表面进行真空电弧离子镀CrN层的过程，该CrN层的厚度为4-19μm、表面硬度为1400-2300HV。
2.依据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在真空电弧离子镀CrN层之前先真空镀Cr过渡层，该Cr过渡层的厚度为200-1000 nm。
3.依据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，在进行真空镀Cr过渡层和真空电弧离子镀CrN层时，该齿轮的主体安装于真空室内可转动的支架上，靶材为金属Cr，该齿轮的主体的齿面正对Cr靶，该齿轮的主体与脉冲负偏压电源装置连接。
4.依据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，该真空镀Cr过渡层的过程具体包括：
将真空室内背底真空抽至10-3 Pa以下，并打开加热器使该齿轮的主体温度升至300 ℃，烘烤5 min；
通入一定流量的Ar，使真空室压力控制在2-3 Pa，打开脉冲负偏压电源，占空比为30%，频率为30 kHz，电压由100V逐渐加到1500V，产生Ar离子，对该齿轮的主体表面进行轰击，累计时间为30min，以清洁与活化该齿轮的主体表面；
减小脉冲负偏压电源至100V，并关闭Ar，使真空恢复至10-3 Pa以下；
通入一定流量的Ar，使真空室压力控制在(3-5)×10－1 Pa，打开离子源电源，工作电压为20-80 V，工作电流为40-100 A，同时，逐渐增加脉冲负偏压电源至200V，时间为5-15min，在该齿轮的主体表面镀上一层厚度为200-1000 nm金属Cr，以提高结合力。
5.依据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，该真空电弧离子镀CrN层的过程具体包括：
打开N2阀门，同时调节Ar和N2流量，使N2比例为10-40%，真空室压力控制在(3-5)×10－1 Pa，在该齿轮的主体表面反应沉积CrN，时间为6-12小时，厚度为4-19μm；
关闭离子源电源、脉冲负偏压电源、加热器电源以及Ar与N2阀门，让该齿轮温度下降至35 ℃以下。
6.依据权利要求1至5任一所述的制造方法，其特征在于，在真空电弧离子镀CrN层之后，还包括对齿轮的表面进行抛光处理的过程。
7.依据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，该抛光过程采用至少两齿轮相互对磨，并使含有金刚石颗粒的溶液流到齿轮的齿面。
8.一种耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮，包括不锈钢材质的主体，其特征在于，还包括设置在该主体表面的Cr过渡层以及设置在该过渡层上的CrN层，该Cr过渡层的厚度为200-1000 nm，该CrN层的厚度为4-19μm、表面硬度为1400-2300HV。
9.依据权利要求8所述的耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮，其特征在于，该CrN层的厚度为8-16μm、表面硬度不小于1800HV。
10.依据权利要求8所述的耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮，其特征在于，该主体是304或316奥氏体不锈钢材质的；该Cr过渡层采用真空镀工艺成型；该CrN层是采用真空电弧离子镀工艺成型。
11.一种化学机械抛光设备，包括一中心齿轮，其特征在于，该中心齿轮是如权利要求8至10任一所述的耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮。
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