CN104726822A - 一种基于CrC镀层的高速精密球轴承及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种基于CrC镀层的高速精密球轴承及其制作方法。该高速精密球轴承的钢球表面和套圈表面为CrC梯度复合镀层，该CrC梯度复合镀层是由Cr底层、Cr-C过渡层和C-Cr工作层组成。在该钢球表面沉积CrC梯度复合镀层的步骤如下：(a)制备CrC梯度复合镀层；(b)清洗钢球，并用冷风吹干；(c)通入氩气，清洗基体，然后匀速转动工件架；(d)负偏压和Cr靶电流降低；(e)对基体沉积CrC梯度复合镀层；(f)关闭Cr靶和C靶，继续通入氩气，直至温度降为常温。本发明提供的技术方案可极大提高精密球轴承的高速性能、减小精密球轴承温升、降低精密球轴承的振动及提高其振动的平稳性、提高其载荷性能及其性能寿命的可靠性。

Description

一种基于CrC镀层的高速精密球轴承及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种高速精密球轴承，特别涉及一种基于CrC镀层的高速精密球轴承及其制作方法。

背景技术

根据现有高速精密球轴承的应用现状(高速性能差、振动大且波动大、温升大等)及存在问题，为此，本发明将最新型的非平衡磁控溅射离子镀技术应用高速精密球轴承，在其关键零件钢球表面及套圈表面进行CrC镀层改性处理，可以提高滚动轴承高速性能、振动性能、温升性能、载荷特性及其性能可靠性等，综合提高轴承的工作性能，提高其主机的性能特性。

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，而提供一种基于CrC镀层的高速精密球轴承及其制作方法，所要解决的技术问题是使其提高精密球轴承的高速性能、减小精密球轴承温升、降低精密球轴承的振动及提高其振动的平稳性、提高其载荷性能及其性能寿命的可靠性。

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基于CrC镀层的高速精密球轴承，其中该高速精密球轴承的钢球表面和套圈表面为CrC梯度复合镀层，该CrC梯度复合镀层是由Cr底层、Cr-C过渡层和C-Cr工作层组成。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种如上述的基于CrC镀层的高速精密球轴承的制作方法，其中在该钢球表面沉积CrC梯度复合镀层的步骤如下：(a)采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备制备CrC梯度复合镀层，其中溅射靶为两个高纯度的C靶和两个高纯度的Cr靶；(b)把钢球放入真空室前，用丙酮和酒精采用超声波各清洗两次钢球，并用冷风吹干所述钢球；(c)沉积时通入氩气，清洗基体，然后把工件架放在所述溅射靶之间匀速转动，所述钢球在所述工件架上匀速转动；只打开两个所述Cr靶，电流为1.5A；(d)将400V的负偏压线性降为75V负偏压，同时将所述Cr靶电流降为1.0A；(e)对基体施加75V负偏压沉积CrC梯度复合镀层；(f)关闭Cr靶和C靶以保护所述CrC梯度复合镀层，继续通入氩气，直至CrC梯度复合镀层的温度降为常温。

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。

前述的基于CrC镀层的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％。

前述的基于CrC镀层的高速精密球轴承的制作方法，其中步骤(b)中每次清洗的时间为10～15min。

前述的基于CrC镀层的高速精密球轴承的制作方法，其中步骤(c)中镀层沉积前本底真空度为4.0×10^-3Pa，所述氩气的纯度为99.9％，所述清洗基体的气压为0.10Pa，且清洗基体时施加400V的负偏压，清洗基体的时间为15分钟。

前述的基于CrC镀层的高速精密球轴承的制作方法，其中步骤(d)中所述将400V的负偏压线性降为75V负偏压的时间为3分钟内。

前述的基于CrC镀层的高速精密球轴承的制作方法，其中步骤(e)中所述CrC梯度复合镀层是由Cr底层、Cr-C过渡层和C-Cr工作层组成。

前述的基于CrC镀层的高速精密球轴承的制作方法，其中所述Cr底层的沉积步骤：只打开Cr靶，电流为1.0A，沉积10分钟，以保证镀层与基体有良好的结合强度；所述Cr-C过渡层的沉积步骤：逐渐线性降低Cr靶的电流为0.05A；同时，打开两个C靶，并将其电流增大到1.2A，以保证镀层结构的平稳过渡；所述C-Cr工作层的沉积步骤：固定Cr靶和C靶电流，制备组织结构均匀的C-Cr工作层。

前述的基于CrC镀层的高速精密球轴承的制作方法，其中在所述C-Cr工作层的沉积步骤中，所述沉积的时间为4～6h，所述沉积的C-Cr工作层的厚度为2～3μm。

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的有益效果：

(1)振动性能：振动值明显减小且稳定；

(2)载荷性能：提高了承载能力；

(3)温升性能：轴承的温升随转速的提高明显减小；

(4)高速性能：提高了高速性能；

(5)断油性能：提高了轴承应急性能。

(6)与同类无镀层轴承的沟曲率系数相比：轻载荷可减少0.02～0.05；中等载荷可减少0.03～0.06；重载荷可减少0.05～0.08。

(7)与同类无镀层轴承的游隙相比可减少3～5μm。

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，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是溅射原理示意图。

[元件符号说明]

1：试样夹具

2：Cr靶材

3：C靶材

4：Cr靶材

5：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基于CrC镀层的高速精密球轴承及其制作方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

参阅图1，图1是溅射原理示意图。

本发明的基于CrC镀层的高速精密球轴承的钢球表面和套圈表面为CrC梯度复合镀层，该CrC梯度复合镀层是由Cr底层、Cr-C过渡层和C-Cr工作层组成。

本发明的基于CrC镀层的高速精密球轴承的制作方法如下所示：

1、镀层制备工艺

(a)采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备制备CrC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。

(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)镀层沉积前本底真空度为4.0×10-3Pa左右，沉积时通入工作气体Ar2(纯度为99.99％)，待气压升至0.10Pa时，施加400V的负偏压，对基体进行离子清洗15分钟，以获得清洁表面，提高膜与基体的附着强度，此步具体工艺如下：工件夹在溅射靶之间匀速转动，钢球在在工件架上匀速转动；只打开两个Cr靶，电流为1.5A。

(d)在3分钟内线性将400V的负偏压降为75V负偏压，同时将1.5A的铬靶电流降为1.0A。

(e)对基体施加75V负偏压沉积CrC梯度复合镀层，CrC复层镀层由Cr底层、Cr-C过渡层和C-Cr工作层组成此步具体工艺如下：

(e1)沉积Cr底层：只打开Cr靶，电流为1.0A，沉积10分钟，保证镀层与基体有良好的结合强度。

(e2)沉积Cr-C过渡层：逐渐线性降低Cr靶的电流为0.05A；同时，打开两个C靶，并将其电流增大到1.2A，保证镀层结构的平稳过渡。

(e3)沉积C-Cr工作层工作层：固定Cr靶和C靶电流，制备组织结构均匀的工作层，一共沉积4～6h，厚度约为2～3μm。

(f)关闭Cr靶和C靶，保护新制备的镀层，继续通入工作气体氩气，直至镀层温度降为常温。

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相比：轻载荷可减少0.02～0.05；中等载荷可减少0.03～0.06；重载荷可减少0.05～0.08。

(2)游隙设计：与同类无镀层轴承的游隙相比可减少3～5μm。

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的。此种新型轴承可极大提高精密球轴承的高速性能、减小精密球轴承温升、降低精密球轴承的振动及提高其振动的平稳性、提高其载荷性能及其性能寿命的可靠性。

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 (9)

1.一种基于CrC镀层的高速精密球轴承，其特征在于：该高速精密球轴承的钢球表面和套圈表面为CrC梯度复合镀层，该CrC梯度复合镀层是由Cr底层、Cr-C过渡层和C-Cr工作层组成。

2.一种如权利要求1所述的基于CrC镀层的高速精密球轴承的制作方法，其特征在于：在该钢球表面沉积CrC梯度复合镀层的步骤如下：

(a)采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备制备CrC梯度复合镀层，其中溅射靶为两个高纯度的C靶和两个高纯度的Cr靶；

(b)把钢球放入真空室前，用丙酮和酒精采用超声波各清洗两次钢球，并用冷风吹干所述钢球；

(c)沉积时通入氩气，清洗基体，然后把工件架放在所述溅射靶之间匀速转动，所述钢球在所述工件架上匀速转动；只打开两个所述Cr靶，电流为1.5A；

(d)将400V的负偏压线性降为75V负偏压，同时将所述Cr靶电流降为1.0A；

(e)对基体施加75V负偏压沉积CrC梯度复合镀层；

(f)关闭Cr靶和C靶以保护所述CrC梯度复合镀层，继续通入氩气，直至CrC梯度复合镀层的温度降为常温。

3.根据权利要求2所述的基于CrC镀层的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％。

4.根据权利要求2所述的基于CrC镀层的高速精密球轴承的制作方法，其特征在于：步骤(b)中每次清洗的时间为10～15min。

5.根据权利要求2所述的基于CrC镀层的高速精密球轴承的制作方法，其特征在于：步骤(c)中镀层沉积前本底真空度为4.0×10^-3Pa，所述氩气的纯度为99.9％，所述清洗基体的气压为0.10Pa，且清洗基体时施加400V的负偏压，清洗基体的时间为15分钟。

6.根据权利要求2所述的基于CrC镀层的高速精密球轴承的制作方法，其特征在于：步骤(d)中所述将400V的负偏压线性降为75V负偏压的时间为3分钟内。

7.根据权利要求2所述的基于CrC镀层的高速精密球轴承的制作方法，其特征在于：步骤(e)中所述CrC梯度复合镀层是由Cr底层、Cr-C过渡层和C-Cr工作层组成。

8.根据权利要求7所述的基于CrC镀层的高速精密球轴承的制作方法，其特征在于：

所述Cr底层的沉积步骤：只打开Cr靶，电流为1.0A，沉积10分钟，以保证镀层与基体有良好的结合强度；

所述Cr-C过渡层的沉积步骤：逐渐线性降低Cr靶的电流为0.05A；同时，打开两个C靶，并将其电流增大到1.2A，以保证镀层结构的平稳过渡；

所述C-Cr工作层的沉积步骤：固定Cr靶和C靶电流，制备组织结构均匀的C-Cr工作层。

9.根据权利要求8所述的基于CrC镀层的高速精密球轴承的制作方法，其特征在于：在所述C-Cr工作层的沉积步骤中，所述沉积的时间为4～6h，所述沉积的C-Cr工作层的厚度为2～3μm。