CN104674177A

CN104674177A - 一种新型的超高速精密球轴承的制作方法

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Publication number: CN104674177A
Application number: CN201510070111.4A
Authority: CN
Inventors: 贾贵西; 常家东; 王雅红; 田丽萍
Original assignee: Luoyang Institute of Science and Technology
Current assignee: Luoyang Institute of Science and Technology
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2015-02-09
Publication date: 2015-06-03

Abstract

本发明是有关于一种新型的超高速精密球轴承的制作方法，其包括以下步骤：(a)制备Cr-N-C梯度复合镀层；(b)清洗钢球试样并冷风吹干；(c)将钢球放入腔体内抽高真空；(d)通入Ar₂，提升气压后施加负偏压，打开Cr靶并提升电流，对基体进行清洗；之后打开旋转工件夹，使钢球匀速转动；(e)降低负偏压和铬靶电流；(f)对基体施加负偏压沉积Cr-N-C梯度复合镀层，所述Cr-N-C梯度复合镀层是由Cr底层、Cr-N过渡层和Cr-N-C工作层组成；(g)关闭Cr靶、C靶及氮气，继续通入氩气。本发明提供的技术方案可极大减小精密高速球轴承温升、降低轴承的振动及提高其振动的平稳性，进而提高精密球轴承的高速性能及其性能寿命的可靠性，同时也提高了其负载能力。

Description

一种新型的超高速精密球轴承的制作方法

技术领域

本发明涉及轴承领域，特别是涉及一种新型的超高速精密球轴承的制作方法。

背景技术

根据现有高速精密球轴承的应用现状，存在一系列需要改进方面，比如高速性能差、温升大、振动大等。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的高速精密球轴承存在的缺陷，而提供一种新型的超高速精密球轴承的制作方法，所要解决的技术问题是使其减小轴承温升性能、提高其负载能力、减小振动，进而可以极大提高轴承的高速性能及其性能可靠性等，使其主机的性能特性得以极大提高，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种新型的超高速精密球轴承的制作方法，其包括以下步骤：(a)采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备制备Cr-N-C梯度复合镀层，把两个C靶和两个Cr靶分别间隔对称放置；(b)在钢球试样放入真空室前先用丙酮和酒精分别做超声波清洗两次，并冷风吹干；(c)将待镀的钢球或套圈放入腔体内，并使钢球与溅射靶材之间的距离为85～110mm，套圈与溅射靶材之间的距离为80mm，然后进行抽高真空；(d)通入工作气体Ar₂，待气压升至约0.10Pa时，施加400V的负偏压，打开两个Cr靶，并把在1分钟内把其电流升为1.5A，对基体进行离子清洗；从此步工艺开始，打开旋转工件夹，转速为6～8转/分钟，使钢球或套圈在溅射靶之间匀速转动；(e)在2分钟内线性将400V的负偏压降为65V负偏压，同时将1.5A的铬靶电流降为1.0A；(f)对基体施加65V负偏压沉积Cr-N-C梯度复合镀层，所述Cr-N-C梯度复合镀层是由Cr底层、Cr-N过渡层和Cr-N-C工作层组成，所述沉积Cr-N-C梯度复合镀层的具体步骤如下：(f1)沉积Cr底层；(f2)沉积Cr-N过渡层；(f3)将Cr靶的电流逐渐线性降低；同时打开两个C靶，并将所述C靶的电流增大；(f4)沉积Cr-N-C工作层；(g)关闭Cr靶、C靶及氮气，继续通入工作气体氩气，以保护新制备的镀层不被氧化，直至镀层温度降为接近常温。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的新型的超高速精密球轴承的制作方法，其中步骤(a)中所述C靶的纯度为99.9％，所述Cr靶的纯度为99.9％；步骤(d)中所述Ar₂的纯度为99.99％。

前述的新型的超高速精密球轴承的制作方法，其中步骤(b)中所述超声波清洗的时间为10～15分钟，步骤(d)中所述清洗的时间为15分钟。

前述的新型的超高速精密球轴承的制作方法，其中步骤(c)中所述真空是不低于4.0×10^-3Pa。

前述的新型的超高速精密球轴承的制作方法，其中步骤(f)中所述(f1)沉积Cr底层的详细步骤为：只打开Cr靶，电流为1.0A，套圈沉积10分钟，钢球沉积20分钟，保证镀层与基体有良好的结合强度。

前述的新型的超高速精密球轴承的制作方法，其中步骤(f)中所述(f2)沉积Cr-N过渡层的详细步骤为：通入涂层元素N₂，其流量有OEM流量计自动控制；套圈沉积时间15分钟；钢球沉积时间30分钟。

前述的新型的超高速精密球轴承的制作方法，其中步骤(f)中所述(f3)所述Cr靶的电流逐渐线性降低为0.15A，所需时间为3分钟；所述C靶的电流增大到1.0A。

前述的新型的超高速精密球轴承的制作方法，其中步骤(f)中所述(f4)沉积Cr-N-C工作层的详细步骤为：固定Cr靶和C靶电流，制备组织结构均匀的工作层，套圈沉积3-6小时，钢球沉积10小时，厚度约为2～3μm。

借由上述技术方案，本发明至少具有下列优点和有益效果：

与现有技术的无镀层球轴承相比，本发明的精密球轴承性能明显提高，主要包括以下几个方面：

(1)良好的温升性能：该涂层良好的自润滑性能，使轴承的温升明显减小。

(2)提高了载荷能力：由于(1)的作用，在设计轴承结构参数时，能够减小“沟曲率系数”和“游隙”，再加上该涂层的高硬度，使该新型轴承的承载能力显著提高。

(3)振动值明显减小：由于(1)和(2)使此新型轴承的振动值明显减小。

(4)优良的高速性能：由于上述(1)、(2)和(3)使此新型轴承的速度性能显著提高。

(5)良好的断油性能：该涂层良好的自润滑性能，提高了高速轴承的应急能力。

(6)在以上5条作用下，该轴承能够极大提高主机的工作性能及其性能可靠性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明新型的超高速精密球轴承在闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备的溅射原理示意图。

【主要元件符号说明】

1：试样夹具 2：Cr靶材

3：N₂通道 4：C靶材

5：Cr靶材 6：C靶材

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种新型的超高速精密球轴承其具体实施方式、结构、特征、制作方法及其功效，详细说明如后。

本发明将应用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术(是物理气相沉积技术的一种)，用此技术沉积的功能涂层，具有低温特性和高精度表面质量，非常适宜作为轴承零件最后一道超精加工工序，在高速精密球轴承的关键零件(钢球和套圈)表面进行Cr-N-C涂层改性处理，Cr-N-C涂层具有优良的自润滑性能和高硬度等特性，因而可以减小轴承温升性能、提高其负载能力、减小振动，进而可以极大提高轴承的高速性能及其性能可靠性等，使其主机的性能特性得以极大提高。

图1是本发明新型的超高速精密球轴承在闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备的溅射原理示意图。请参阅图1，本发明一种新型的超高速精密球轴承的制作方法如下所示：

1、涂层制备工艺

(a)采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备制备Cr-N-C梯度复合镀层，图1所示为设备溅射原理示意图。溅射靶为两个高纯度(99.9％)C靶和两个高纯度(99.9％)Cr靶，间隔对称放置。

(b)钢球试样放入真空室前用丙酮和酒精各超声波清洗10～15min两次，并冷风吹干。

(c)将待镀试样(钢球或套圈)放入腔体内，并使钢球与溅射靶材之间的距离为85～110mm，套圈与溅射靶材之间的距离为80mm左右，然后，进行抽高真空，真空度不低于为4.0×10-3Pa左右。

(d)通入工作气体Ar2(纯度为99.99％)，待气压升至约0.10Pa时，施加400V的负偏压，打开两个Cr靶，并把在1分钟内把其电流升为1.5A，对基体进行离子清洗15分钟。

从此步工艺开始，打开旋转工件夹，转速为6～8转/分钟，使钢球或套圈在溅射靶之间匀速转动。

(e)在2分钟内线性将400V的负偏压降为65V负偏压，同时将1.5A的铬靶电流降为1.0A。

(f)对基体施加65V负偏压沉积Cr-N-C梯度复合镀层，Cr-N-C复层镀层由Cr底层、Cr-N过渡层和Cr-N-C工作层组成，此步具体工艺如下：

(f1)沉积Cr底层：只打开Cr靶，电流为1.0A，套圈沉积10分钟，钢球沉积20分钟，保证镀层与基体有良好的结合强度。

(f2)沉积Cr-N过渡层：通入涂层元素N2，其流量有OEM流量计自动控制；套圈沉积时间15分钟；钢球沉积时间30分钟；

(f3)用时3分钟，将Cr靶的电流逐渐线性降低为0.15A；同时，打开两个C靶，并将其电流增大到1.0A。

(f4)沉积Cr-N-C工作层：固定Cr靶和C靶电流，制备组织结构均匀的工作层，套圈沉积4小时，钢球沉积10小时，厚度约为2～3μm(根据工况条件不同，可适当延长或缩短涂层时间，以增加或减小涂层的厚度)。

(g)关闭Cr靶、C靶及氮气，继续通入工作气体氩气，以保护新制备的镀层不被氧化，直至镀层温度降为接近常温。

2、轴承结构参数设计

(1)沟曲率系数的设计：与同类无镀层轴承的沟曲率系数可减少0.02～0.04。

(2)游隙设计：与同类无镀层轴承的游隙相比可减少2～4μm。

综上所述，本发明是根据高速精密球轴承的工作性能特点及失效机理，借助最新表面工程技术创造性的研制出来。此种新型轴承可极大减小精密高速球轴承温升、降低轴承的振动及提高其振动的平稳性，进而提高精密球轴承的高速性能及其性能寿命的可靠性，同时也提高了其负载能力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种新型的超高速精密球轴承的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备制备Cr-N-C梯度复合镀层，把两个C靶和两个Cr靶分别间隔对称放置；

(b)在钢球试样放入真空室前先用丙酮和酒精分别做超声波清洗两次，并冷风吹干；

(c)将待镀的钢球或套圈放入腔体内，并使钢球与溅射靶材之间的距离为85～110mm，套圈与溅射靶材之间的距离为80mm，然后进行抽高真空；

(d)通入工作气体Ar₂，待气压升至约0.10Pa时，施加400V的负偏压，打开两个Cr靶，并把在1分钟内把其电流升为1.5A，对基体进行离子清洗；

从此步工艺开始，打开旋转工件夹，转速为6～8转/分钟，使钢球或套圈在溅射靶之间匀速转动；

(e)在2分钟内线性将400V的负偏压降为65V负偏压，同时将1.5A的铬靶电流降为1.0A；

(f)对基体施加65V负偏压沉积Cr-N-C梯度复合镀层，所述Cr-N-C梯度复合镀层是由Cr底层、Cr-N过渡层和Cr-N-C工作层组成，所述沉积Cr-N-C梯度复合镀层的具体步骤如下：

(f1)沉积Cr底层；

(f2)沉积Cr-N过渡层；

(f3)将Cr靶的电流逐渐线性降低；同时打开两个C靶，并将所述C靶的电流增大；

(f4)沉积Cr-N-C工作层；

2.根据权利要求1所述的新型的超高速精密球轴承的制作方法，其特征在于：步骤(a)中所述C靶的纯度为99.9％，所述Cr靶的纯度为99.9％；步骤(d)中所述Ar₂的纯度为99.99％。

3.根据权利要求1所述的新型的超高速精密球轴承的制作方法，其特征在于：步骤(b)中所述超声波清洗的时间为10～15分钟，步骤(d)中所述清洗的时间为15分钟。

4.根据权利要求1所述的新型的超高速精密球轴承的制作方法，其特征在于：步骤(c)中所述真空是不低于4.0×10^-3Pa。

5.根据权利要求1所述的新型的超高速精密球轴承的制作方法，其特征在于，步骤(f)中所述(f1)沉积Cr底层的详细步骤为：只打开Cr靶，电流为1.0A，套圈沉积10分钟，钢球沉积20分钟，保证镀层与基体有良好的结合强度。

6.根据权利要求1所述的新型的超高速精密球轴承的制作方法，其特征在于，步骤(f)中所述(f2)沉积Cr-N过渡层的详细步骤为：通入涂层元素N₂，其流量有OEM流量计自动控制；套圈沉积时间15分钟；钢球沉积时间30分钟。

7.根据权利要求1所述的新型的超高速精密球轴承的制作方法，其特征在于：步骤(f)中所述(f3)所述Cr靶的电流逐渐线性降低为0.15A，所需时间为3分钟；所述C靶的电流增大到1.0A。

8.根据权利要求1所述的新型的超高速精密球轴承的制作方法，其特征在于，步骤(f)中所述(f4)沉积Cr-N-C工作层的详细步骤为：固定Cr靶和C靶电流，制备组织结构均匀的工作层，套圈沉积3-6小时，钢球沉积10小时，厚度约为2～3μm。