CN104328380A - 轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轴承滚柱制造领域，目的是提供一种轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置及方法。一种轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置，包括真空室，位于真空室中的工件支承转台，交替置于工件支承转台外周的若干对铬靶和对数与铬靶的对数相同的若干对碳靶，偏压电源，加热器，与真空室连通的真空装置，工作气体瓶和加热器。该轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置提供一种滚柱高速旋转时的摩擦系数和磨损率较小，振动精度和耐磨性较高，从而提高轴承的性能稳定性。轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀方法使磁控溅射的滚柱满足滚柱高速旋转时的摩擦系数和磨损率较小，振动精度和耐磨性较高，从而提高轴承的性能稳定性的要求。

Description

轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置及方法
技术领域
本发明涉及轴承滚柱制造领域，尤其是一种轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置及方法。
背景技术
轴承是广泛应用的载荷支撑件和运动连接件，常应用于高转动速度、长疲劳寿命和高运行稳定性等苛刻工况条件，其性能可靠性直接影响主机的性能；影响滚动轴承性能可靠性的原因比较复杂，如材料、结构参数、零件制造精度、润滑状况、安装精度等都会对性能可靠性产生影响；用传统方法处理的滚柱 (旋转体) ，存在高速旋转时的摩擦系数和磨损率较大，振动精度和耐磨性较差从而影响性能可靠性的不足，减小滚柱高速旋转时的摩擦系数和磨损率，提高滚柱的振动精度和耐磨性，是提高轴承的性能稳定性重要途径并可以延长轴承使用寿命；非平衡式磁控溅射离子镀作为一种新型的低温、高效表面改性技术，其镀膜具有组织均匀致密、附着性好，且易于实现多元梯度复合镀层的设计与沉积，工艺过程稳定等特点，非常适合用于轴承零件滚柱的最终处理工序；因此，设计一种滚柱高速旋转时的摩擦系数和磨损率较小，振动精度和耐磨性较高，从而提高轴承的性能稳定性的轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置及方法，成为亟待解决的问题。 
发明内容
本发明的目的是为了克服目前用传统方法处理的滚柱 (旋转体) ，存在高速旋转时的摩擦系数和磨损率较大，振动精度和耐磨性较差从而影响性能可靠性的不足，提供一种滚柱高速旋转时的摩擦系数和磨损率较小，振动精度和耐磨性较高，从而提高轴承的性能稳定性的轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置及方法。
本发明的具体技术方案是：
一种轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置，包括真空室，位于真空室中的工件支承转台，交替置于工件支承转台外周的若干对铬靶和对数与铬靶的对数相同的若干对碳靶，偏压电源，加热器，与真空室连通的真空装置，工作气体瓶和加热器。碳是唯一有低摩擦系数、高硬度与高耐磨性的硬质镀层材料，并具有高化学稳定性和抗腐蚀性等特点；单一的碳镀层存在着很大的内应力，降低了镀层的结合强度，导致镀层在基体表面成膜困难，且在使用过程中易发生过早失效等缺点，限制了其在产品中的应用；通过掺入一定量附加元素到碳镀层，可以极大地改善碳镀层的附着性和脆性，进而提高碳镀层的使用性能，扩大其应用范围；铬与钢基体有很好的亲和力，在碳镀层中掺铬，可以提高镀层与基体结合强度和镀层的韧性；同时，铬基镀层的耐磨、耐蚀及耐高温氧化性能好，有较高的硬度和承载能力等。滚柱放在工件支承转台上转动，若干对铬靶若干对碳靶交替置于工件支承转台外周，可以使磁控溅射后的镀膜中铬和碳分布均匀，组织均匀致密。该轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置提供一种滚柱高速旋转时的摩擦系数和磨损率较小，振动精度和耐磨性较高，从而提高轴承的性能稳定性。
作为优选，所述的工件支承转台包括支承座，与支承座上端枢接的主动齿轮，若干个沿圆周均布并与主动齿轮啮合的从动齿轮，个数与从动齿轮的个数相同并各与一个从动齿轮的上端连接的若干个支承柱，与支承座连接且输出轴与主动齿轮传动连接的转动支承柱的电机；若干个支承柱的下端分别与支承座上端枢接。滚柱放在工件支承转台上可以自转，提高磁控溅射效果，提高镀层质量。
作为优选，所述的工件支承转台还包括上端与支承座下端枢接的底座，与底座连接且输出轴与支承座传动连接的转动支承座的电机。滚柱放在工件支承转台上可以自转的同时还可以公转，提高磁控溅射效果，提高镀层质量。
所述的工件支承转台设有防护罩；防护罩包括高度与支承柱上端齐平的侧围，分别与侧围下端和底座下端连接的底圈。防护罩可以提高工件支承转台其他零件的使用寿命。
作为优选，所述的偏压电源的正极与真空室壳体连接；偏压电源的负极与支承座连接。提高磁控溅射效果，提高镀层质量。
作为优选，所述的每对铬靶的两个铬靶的磁场结构相反布置，形成闭合场；每对碳靶的两个碳靶的磁场结构相反布置，形成闭合场。提高磁控溅射效果，提高镀层质量。
作为优选，所述的每对铬靶设有一个供电电源；每对铬靶的两个铬靶各与供电电源的一极连接；每对碳靶设有一个供电电源；每对碳靶的两个碳靶各与供电电源的一极连接。提高磁控溅射效果，提高镀层质量。
作为优选，所述的每对铬靶的两个铬靶的相对侧的距离为120 mm 至140mm；每对碳靶的两个碳靶的相对侧的距离为120 mm 至140mm。提高磁控溅射效果，提高镀层质量。
一种轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀方法，其特征是：（1）将待镀滚柱放在丙酮和乙醇中各超声波清洗10分钟至15分钟；（2）把滚柱放在轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置的工件支承转台的支承柱上，每个支承柱上放一个，开启加热器加热到150℃-200℃；所述的轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置，包括真空室，位于真空室中的工件支承转台，交替置于工件支承转台外周的若干对铬靶和对数与铬靶的对数相同的碳靶，偏压电源，加热器，与真空室连通的真空装置和工作气体瓶；所述的工件支承转台包括支承座，与支承座上端枢接的主动齿轮，若干个沿圆周均布并与主动齿轮啮合的从动齿轮，个数与从动齿轮的个数相同并各与一个从动齿轮的上端连接的若干个支承柱，与支承座连接且输出轴与主动齿轮传动连接的转动支承柱的电机，上端与支承座下端枢接的底座，与底座连接且输出轴与支承座传动连接的转动支承座的电机；若干个支承柱的下端分别与支承座上端枢接；（3）开启真空装置抽取真空使真空室达到沉积镀层前本底真空度小于-4.0×10-3Ｐａ的要求；（4）开启工作气体瓶向真空室通入纯度为99.99%的工作气体氩气，在真空室气压升至-(1.0-1.2)×10-3Pa时，施加400V的负偏压对滚柱进行等离子体清洗10分钟至15分钟，以获得清洁的滚柱表面，并激化滚柱表面活性，提高镀层与滚柱的结合强度；（5）沉积镀层时，对滚柱施加75V的负偏压，开启转动支承座的电机带动支承座转动，开启转动支承柱的电机，经主动齿轮、从动齿轮和支承柱带动放在支承柱上的滚柱转动，使滚柱在自转的同时随支承座公转，从而使靶材离子均匀地沉积于滚柱表面，确保沉积于滚柱的镀层成分和性能均匀一致，保证镀层质量的稳定性；（6）所述的镀层为由铬底层、铬碳过渡层和碳铬工作层组成的厚度为1.0μm至1.4μm的复层镀层， 在溅射沉积过程中，镀层的工艺参数逐步线性缓慢改变，使镀层结构逐渐平稳过渡。
碳是唯一有低摩擦系数、高硬度与高耐磨性的硬质镀层材料，并具有高化学稳定性和抗腐蚀性等特点；单一的碳镀层存在着很大的内应力，降低了镀层的结合强度，导致镀层在基体表面成膜困难，且在使用过程中易发生过早失效等缺点，限制了其在产品中的应用；通过掺入一定量附加元素到碳镀层，可以极大地改善碳镀层的附着性和脆性，进而提高碳镀层的使用性能，扩大其应用范围；铬与钢基体有很好的亲和力，在碳镀层中掺铬，可以提高镀层与基体结合强度和镀层的韧性；同时，铬基镀层的耐磨、耐蚀及耐高温氧化性能好，有较高的硬度和承载能力等。轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀方法使磁控溅射的滚柱满足滚柱高速旋转时的摩擦系数和磨损率较小，振动精度和耐磨性较高，从而提高轴承的性能稳定性的要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置提供一种滚柱高速旋转时的摩擦系数和磨损率较小，振动精度和耐磨性较高，从而提高轴承的性能稳定性。滚柱放在工件支承转台上可以自转的同时还可以公转，提高磁控溅射效果，提高镀层质量。防护罩可以提高工件支承转台其他零件的使用寿命。所述的偏压电源的正极与真空室壳体连接；偏压电源的负极与支承座连接，每对铬靶的两个铬靶的磁场结构相反布置，形成闭合场，每对碳靶的两个碳靶的磁场结构相反布置，形成闭合场，每对碳靶设有一个供电电源，两个铬靶的相对侧的距离为120 mm 至140mm，每对碳靶的两个碳靶的相对侧的距离为120 mm 至140mm，可以提高磁控溅射效果，提高镀层质量。轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀方法使磁控溅射的滚柱满足滚柱高速旋转时的摩擦系数和磨损率较小，振动精度和耐磨性较高，从而提高轴承的性能稳定性的要求。 
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是图1中工件支承转台的结构示意图。
图中：真空室-1、铬靶-2、碳靶-3、工件支承转台-4、支承座-41、主动齿轮-42、从动齿轮-43、支承柱-44、转动支承柱的电机-45、底座-46、转动支承座的电机-47、侧围-48、底圈-49、偏压电源-5、真空装置-6、工作气体瓶-7、加热器-8。
具体实施方式
下面结合附图所示对本发明进行进一步描述。
如附图1、附图2所示：一种轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置，包括真空室1，位于真空室1中的工件支承转台4，交替置于工件支承转台4外周的四对铬靶2和对数与铬靶2的对数相同的四对碳靶3，偏压电源5，与真空室1连通的真空装置6，工作气体瓶7和加热器8。铬靶2和碳靶3的纯度均为99.99%。加热器8有位于真空室1底部的两个；加热器8为电加热器。
所述的工件支承转台4包括支承座41，与支承座41上端通过平面轴承枢接的主动齿轮42，八个沿圆周均布并与主动齿轮42啮合的从动齿轮43，个数与从动齿轮43的个数相同并各与一个从动齿轮43的上端连接的八个支承柱44，与支承座41螺钉连接且输出轴与主动齿轮42键连接的转动支承柱的电机45，上端与支承座41下端通过平面轴承枢接的底座46，与底座46螺钉连接且输出轴与支承座41键连接的转动支承座的电机47；八个支承柱44的下端分别与支承座41上端通过轴承枢接。
所述的工件支承转台4设有防护罩；防护罩包括高度与支承柱44上端齐平的侧围48，分别与侧围48下端和底座46下端螺钉连接的底圈49。
所述的偏压电源5的正极与真空室1壳体连接；偏压电源5的负极与支承座41连接。
所述的每对铬靶2的两个铬靶2的磁场结构相反布置，形成闭合场；每对碳靶3的两个碳靶3的磁场结构相反布置，形成闭合场。
所述的每对铬靶2设有一个供电电源；每对铬靶2的两个铬靶2各与供电电源的一极连接；每对碳靶3设有一个供电电源；每对碳靶3的两个碳靶3各与供电电源的一极连接。
所述的每对铬靶2的两个铬靶2的相对侧的距离为130mm；每对碳靶3的两个碳靶3的相对侧的距离为130mm；
一种轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀方法，（1）将待镀滚柱放在丙酮和乙醇中各超声波清洗10分钟至15分钟；（2）把滚柱放在轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置的工件支承转台4的支承柱44上，每个支承柱44上放一个，开启加热器8加热到180℃；所述的轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置，包括真空室1，位于真空室1中的工件支承转台4，交替置于工件支承转台4外周的若干对铬靶2和对数与铬靶2的对数相同的碳靶3，偏压电源5，加热器8，与真空室1连通的真空装置6和工作气体瓶7；所述的工件支承转台4包括支承座41，与支承座41上端通过平面轴承枢接的主动齿轮42，八个沿圆周均布并与主动齿轮42啮合的从动齿轮43，个数与从动齿轮43的个数相同并各与一个从动齿轮43的上端连接的八个支承柱44，与支承座41螺钉连接且输出轴与主动齿轮42键连接的转动支承柱的电机45，上端与支承座41下端通过平面轴承枢接的底座46，与底座46螺钉连接且输出轴与支承座41键连接的转动支承座的电机47；八个支承柱44的下端分别与支承座41上端通过轴承枢接；（3）开启真空装置6抽取真空使真空室1达到沉积镀层前本底真空度小于-4.0×10-3Ｐａ的要求；（4）开启工作气体瓶7向真空室1通入纯度为99.99%的工作气体氩气，在真空室1气压升至-(1.0-1.2)×10-3Pa时，施加400V的负偏压对滚柱进行等离子体清洗10分钟至15分钟，以获得清洁的滚柱表面，并激化滚柱表面活性，提高镀层与滚柱的结合强度；（5）沉积镀层时，对滚柱施加75V的负偏压，开启转动支承座的电机47带动支承座41转动，开启转动支承柱的电机45，经主动齿轮42、从动齿轮43和支承柱44带动放在支承柱44上的滚柱转动，使滚柱在自转的同时随支承座41公转，从而使靶材离子均匀地沉积于滚柱表面，确保沉积于滚柱的镀层成分和性能均匀一致，保证镀层质量的稳定性；（6）所述的镀层为由铬底层、铬碳过渡层和碳铬工作层组成的厚度为1.0μm至1.4μm的复层镀层， 在溅射沉积过程中，镀层的工艺参数逐步线性缓慢改变，使镀层结构逐渐平稳过渡。
本发明的有益效果是：该轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置提供一种滚柱高速旋转时的摩擦系数和磨损率较小，振动精度和耐磨性较高，从而提高轴承的性能稳定性。滚柱放在工件支承转台上可以自转的同时还可以公转，提高磁控溅射效果，提高镀层质量。防护罩可以提高工件支承转台其他零件的使用寿命。所述的偏压电源的正极与真空室壳体连接；偏压电源的负极与支承座连接，每对铬靶的两个铬靶的磁场结构相反布置，形成闭合场，每对碳靶的两个碳靶的磁场结构相反布置，形成闭合场，每对碳靶设有一个供电电源，两个铬靶的相对侧的距离为130mm，每对碳靶的两个碳靶的相对侧的距离为130mm，可以提高磁控溅射效果，提高镀层质量。轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀方法使磁控溅射的滚柱满足滚柱高速旋转时的摩擦系数和磨损率较小，振动精度和耐磨性较高，从而提高轴承的性能稳定性的要求。 
本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。

Claims (9)

1.一种轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置，其特征是：包括真空室，位于真空室中的工件支承转台，交替置于工件支承转台外周的若干对铬靶和对数与铬靶的对数相同的若干对碳靶，偏压电源，加热器，与真空室连通的真空装置，工作气体瓶和加热器。
2.根据权利要求1所述的轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置，其特征是： 所述的工件支承转台包括支承座，与支承座上端枢接的主动齿轮，若干个沿圆周均布并与主动齿轮啮合的从动齿轮，个数与从动齿轮的个数相同并各与一个从动齿轮的上端连接的若干个支承柱，与支承座连接且输出轴与主动齿轮传动连接的转动支承柱的电机；若干个支承柱的下端分别与支承座上端枢接。
3.根据权利要求2所述的轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置，其特征是：所述的工件支承转台还包括上端与支承座下端枢接的底座，与底座连接且输出轴与支承座传动连接的转动支承座的电机。
4.根据权利要求3所述的轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置，其特征是：所述的工件支承转台设有防护罩；防护罩包括高度与支承柱上端齐平的侧围，分别与侧围下端和底座下端连接的底圈。
5.根据权利要求2或3或4所述的轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置，其特征是：所述的偏压电源的正极与真空室壳体连接；偏压电源的负极与支承座连接。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置，其特征是：所述的每对铬靶的两个铬靶的磁场结构相反布置，形成闭合场；每对碳靶的两个碳靶的磁场结构相反布置，形成闭合场。
7.根据权利要求6所述的轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置，其特征是：所述的每对铬靶设有一个供电电源；每对铬靶的两个铬靶各与供电电源的一极连接；每对碳靶设有一个供电电源；每对碳靶的两个碳靶各与供电电源的一极连接。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置，其特征是：所述的每对铬靶的两个铬靶的相对侧的距离为120 mm 至140mm；每对碳靶的两个碳靶的相对侧的距离为120 mm 至140mm。
9.一种轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀方法，其特征是：（1）将待镀滚柱放在丙酮和乙醇中各超声波清洗10分钟至15分钟；（2）把滚柱放在轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置的工件支承转台的支承柱上，每个支承柱上放一个，开启加热器加热到150℃-200℃；所述的轴承滚柱非平衡磁控溅射离子镀装置，包括真空室，位于真空室中的工件支承转台，交替置于工件支承转台外周的若干对铬靶和对数与铬靶的对数相同的碳靶，偏压电源，加热器，与真空室连通的真空装置和工作气体瓶；所述的工件支承转台包括支承座，与支承座上端枢接的主动齿轮，若干个沿圆周均布并与主动齿轮啮合的从动齿轮，个数与从动齿轮的个数相同并各与一个从动齿轮的上端连接的若干个支承柱，与支承座连接且输出轴与主动齿轮传动连接的转动支承柱的电机，上端与支承座下端枢接的底座，与底座连接且输出轴与支承座传动连接的转动支承座的电机；若干个支承柱的下端分别与支承座上端枢接；（3）开启真空装置抽取真空使真空室达到沉积镀层前本底真空度小于-4.0×10-3Ｐａ的要求；（4）开启工作气体瓶向真空室通入纯度为99.99%的工作气体氩气，在真空室气压升至-(1.0-1.2)×10-3Pa时，施加400V的负偏压对滚柱进行等离子体清洗10分钟至15分钟，以获得清洁的滚柱表面，并激化滚柱表面活性，提高镀层与滚柱的结合强度；（5）沉积镀层时，对滚柱施加75V的负偏压，开启转动支承座的电机带动支承座转动，开启转动支承柱的电机，经主动齿轮、从动齿轮和支承柱带动放在支承柱上的滚柱转动，使滚柱在自转的同时随支承座公转，从而使靶材离子均匀地沉积于滚柱表面，确保沉积于滚柱的镀层成分和性能均匀一致，保证镀层质量的稳定性；（6）所述的镀层为由铬底层、铬碳过渡层和碳铬工作层组成的厚度为1.0μm至1.4μm的复层镀层， 在溅射沉积过程中，镀层的工艺参数逐步线性缓慢改变，使镀层结构逐渐平稳过渡。 
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