CN105274480A - 一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法 - Google Patents
一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法，它涉及一种轴承表面镀涂层的方法。本发明的目的是要解决现有在复杂轴承引导面镀TiN涂层采用的镀膜和二次加工两步法，导致生产效率下降，轴承尺寸精度发生变化，无法满足轴承对尺寸精度的要求的问题。方法：一、利用工装进行装配；二、安装轴承，检测真空室真空度；三、抽真空与预加热处理；四、复杂结构轴承溅射清洗；五、多弧离子镀TiN；六、冷却降温，得到引导面镀硬质涂层的复杂结构轴承。复杂结构轴承的引导面使用本发明方法镀硬质涂层后，涂层的结合力为70N～90N。本发明可获得一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种轴承表面镀涂层的方法。
背景技术
G13Cr4Mo4Ni4V钢是目前广泛应用的渗碳强化高温轴承用钢。其特点是整体疲劳性能好，轴承滚道和引导面等需要强化的部位通过渗碳大幅提高其表面强度，达到提高表面承载能力和耐磨性的目的。轴承引导面是约束保持架运动的部位，在轴承运动过程中一般不与保持架接触，但是当轴承在外界干扰下处于异常运动状态时，保持架与引导面可能会发生相互碰撞。高速运动轴承一般采用钢制保持架，引导面和保持架之间的碰撞往往会导致引导面的严重磨损，破坏轴承运动稳定性。对于G13Cr4Mo4Ni4V钢制高速轴承，虽然其引导面采用了渗碳强化处理，但是仍经常出现由于引导面磨损而导致轴承失效的事故。进一步增加G13Cr4Mo4Ni4V钢制高速轴承引导面强度和耐磨性是提高轴承使用寿命和可靠性迫切需求。
TiN涂层是目前广泛使用于刀具和模具的一种硬质涂层。磁控溅射和多弧离子镀是目前最常用的两种工件表面沉积TiN涂层的技术，在沉积过程中所有暴露于真空室中的表面均会镀上TiN涂层，因此适合于大批量的生产过程。但是对于轴承工件而言，仅仅是引导面需要镀TiN涂层，而其它部位不能镀上TiN，因此磁控溅射和多弧离子镀全方位、大面积镀膜的优点在轴承引导面镀TiN方面反而成为了劣势。轴承引导面以外部位，必须采用特殊的工装保护，才能在镀膜过程中避免沉积上TiN。
目前在复杂轴承引导面镀TiN涂层一般采用是镀膜和二次加工两步法，即先镀TiN涂层，然后再通过磨削等精加工手段去除非引导面上的TiN。这一方面导致生产效率下降，另一方面二次磨削还可能导致轴承尺寸精度变化。同时传统的TiN镀膜工艺温度一般在400℃～500℃间，可能会导致轴承尺寸发生变化，无法满足轴承对尺寸精度的要求。
发明内容
本发明的目的是要解决现有在复杂轴承引导面镀TiN涂层采用的镀膜和二次加工两步法，导致生产效率下降，轴承尺寸精度发生变化，无法满足轴承对尺寸精度的要求的问题，而提供一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法。
一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法，是按以下步骤完成的：
一、利用工装Ⅰ将复杂结构轴承引导面以下包括从动环的部分包裹在内，利用工装Ⅱ将复杂结构轴承引导面以上包括篦齿的部分包裹在内，利用工装Ⅲ将复杂结构轴承的滚道包裹在内，且工装Ⅲ的上、下两端分别卡在复杂结构轴承滚道的挡边处，得到工装包裹后的复杂结构轴承；
二、将工装包裹后的复杂结构轴承与真空室的旋转靶台相连接，再将两个多弧靶材安装在旋转靶台两侧，且两个多弧靶材与旋转靶台的距离相等；将两个百叶窗分别放置到多弧靶材与旋转靶台之间，检测真空室的系统漏率，要求真空室的系统漏率低于0.002Pa·L/s；
步骤二中所述的多弧靶材为Ti靶，Ti靶的纯度为99.99％；
步骤二中所述的百叶窗的叶片与多弧靶材的表面夹角为30°～60°；
三、抽真空与预加热处理：将背底真空抽至小于1×10-2Pa，再打开加热装置，使复杂结构轴承的温度升至150℃～250℃，再将背底真空抽至小于2×10-3Pa；
四、复杂结构轴承溅射清洗：向真空室内通入氩气，使真空室的气压升至40Pa～100Pa，再在复杂结构轴承上施加500V～1000V的负偏压，以复杂结构轴承为负极，真空室为正极产生辉光放电，在旋转靶台匀速旋转的同时，溅射清洗60min～120min；再将真空室内的气压降至0.1Pa～1Pa，点燃多弧靶材，在旋转靶台匀速旋转的同时，在弧流为60A～70A下清洗5min～20min；
五、多弧离子镀TiN：关闭氩气，向真空室内通入纯度为99.999％的氮气，使真空室内的气压升至0.2Pa～2.0Pa，再点燃多弧靶材，在旋转靶台匀速旋转的同时，在弧流为60A～90A、基体偏压为负50V～100V和复杂结构轴承温度为150℃～250℃下镀膜40min～600min；
六、冷却降温：关闭多弧电源，真空室内保持抽真空状态，关闭加热装置，使复杂结构轴承自然冷却，当复杂结构轴承的温度降至低于50℃后，打开真空室，得到引导面镀硬质涂层的复杂结构轴承。
本发明的优点：
一、使用本发明方法在复杂结构轴承的引导面上完成沉积TiN后不需要二次加工，提高了效率；
二、本发明通过在加热前预抽至高真空状态和取样前在高真空状态冷却至50℃的工艺处理，有效避免了轴承的氧化；
三、本发明在150℃～250℃下下镀TiN，有效避免了复杂结构轴承的变形；
四、本发明在镀膜前进行长时间的离子溅射清洗，去除渗碳表面污染层，提高了低温沉积TiN涂层的结合力；
五、本发明生产效率高，适合大规模生产，复杂结构轴承的引导面使用本发明方法镀硬质涂层后，轴承的尺寸精度未发生变化；
六、复杂结构轴承的引导面使用本发明方法镀硬质涂层后，涂层的结合力为70N～90N；
七、本发明使用的工装Ⅰ、工装Ⅱ和工装Ⅲ均采用两瓣式工装设计，利用油沟等结构定位，使引导面与工装接合部位实现无缝隙配合。
八、大的Ti液滴是多弧离子镀TiN涂层的一种组织缺陷，Ti液滴的存在会导致镀层粗糙度增加、硬度下降；为了消除Ti液滴可以采用磁场过滤弧结构，但是该结构多弧靶结构复杂、尺寸大、成本高、可靠性和稳定性较低，并且会大幅降低TiN沉积速率；本发明使用的百叶窗结构也是一种常见的Ti液滴过滤技术，虽然其过滤效果不如磁过滤结构，但是其具有结构简单、成本低、稳定性和可靠性高的优点，非常适合于工业生产；本发明使用的百叶窗结构，其优点是结构简单、成本极低，每一片叶片可以独立调整；其中叶片通过螺钉与上、下框体连接，调整叶片角度时松开螺钉，完成叶片角度调整后将螺钉拧紧、固定。
本发明可获得一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法。
附图说明
图1为实施例一中利用工装装配复杂结构轴承的示意图，图1中1为工装Ⅰ，2为工装Ⅱ，3为工装Ⅲ，4为复杂结构轴承；
图2为图1中Ⅰ处的放大图；
图3为图1中Ⅱ处的放大图；
图4为图1中Ⅲ处的放大图；
图5为实施例一中工装Ⅰ、工装Ⅱ和工装Ⅲ的两瓣结构连接处采用的迷宫结构设计的结构示意图；
图6为实施例一中工装Ⅰ的结构示意图；
图7为图6沿A-A的剖面图；
图8为实施例一中工装Ⅱ的结构示意图；
图9为图8沿B-B的剖面图；
图10为实施例一中工装Ⅲ的结构示意图；
图11为图10沿C-C的剖面图；
图12为图10沿E-E的剖面图；
图13为实施例一中百叶窗的结构示意图，图13中1为上框体，2为下框体，3为百叶窗叶片；
图14为图13沿D-D的剖面图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法是按以下步骤完成的：
一、利用工装Ⅰ将复杂结构轴承引导面以下包括从动环的部分包裹在内，利用工装Ⅱ将复杂结构轴承引导面以上包括篦齿的部分包裹在内，利用工装Ⅲ将复杂结构轴承的滚道包裹在内，且工装Ⅲ的上、下两端分别卡在复杂结构轴承滚道的挡边处，得到工装包裹后的复杂结构轴承；
二、将工装包裹后的复杂结构轴承与真空室的旋转靶台相连接，再将两个多弧靶材安装在旋转靶台两侧，且两个多弧靶材与旋转靶台的距离相等；将两个百叶窗分别放置到多弧靶材与旋转靶台之间，检测真空室的系统漏率，要求真空室的系统漏率低于0.002Pa·L/s；
步骤二中所述的多弧靶材为Ti靶，Ti靶的纯度为99.99％；
步骤二中所述的百叶窗的叶片与多弧靶材的表面夹角为30°～60°；
三、抽真空与预加热处理：将背底真空抽至小于1×10-2Pa，再打开加热装置，使复杂结构轴承的温度升至150℃～250℃，再将背底真空抽至小于2×10-3Pa；
四、复杂结构轴承溅射清洗：向真空室内通入氩气，使真空室的气压升至40Pa～100Pa，再在复杂结构轴承上施加500V～1000V的负偏压，以复杂结构轴承为负极，真空室为正极产生辉光放电，在旋转靶台匀速旋转的同时，溅射清洗60min～120min；再将真空室内的气压降至0.1Pa～1Pa，点燃多弧靶材，在旋转靶台匀速旋转的同时，在弧流为60A～70A下清洗5min～20min；
五、多弧离子镀TiN：关闭氩气，向真空室内通入纯度为99.999％的氮气，使真空室内的气压升至0.2Pa～2.0Pa，再点燃多弧靶材，在旋转靶台匀速旋转的同时，在弧流为60A～90A、基体偏压为负50V～100V和复杂结构轴承温度为150℃～250℃下镀膜40min～600min；
六、冷却降温：关闭多弧电源，真空室内保持抽真空状态，关闭加热装置，使复杂结构轴承自然冷却，当复杂结构轴承的温度降至低于50℃后，打开真空室，得到引导面镀硬质涂层的复杂结构轴承。
本实施方式的优点：
一、使用本实施方式方法在复杂结构轴承的引导面上完成沉积TiN后不需要二次加工，提高了效率；
二、本实施方式通过在加热前预抽至高真空状态和取样前在高真空状态冷却至50℃的工艺处理，有效避免了轴承的氧化；
三、本实施方式在150℃～250℃下下镀TiN，有效避免了复杂结构轴承的变形；
四、本实施方式在镀膜前进行长时间的离子溅射清洗，去除渗碳表面污染层，提高了低温沉积TiN涂层的结合力；
五、本实施方式生产效率高，适合大规模生产，复杂结构轴承的引导面使用本实施方式方法镀硬质涂层后，轴承的尺寸精度未发生变化；
六、复杂结构轴承的引导面使用本实施方式方法镀硬质涂层后，涂层的结合力为70N～90N；
七、本实施方式使用的工装Ⅰ、工装Ⅱ和工装Ⅲ均采用两瓣式工装设计，利用油沟等结构定位，使引导面与工装接合部位实现无缝隙配合。
八、大的Ti液滴是多弧离子镀TiN涂层的一种组织缺陷，Ti液滴的存在会导致镀层粗糙度增加、硬度下降；为了消除Ti液滴可以采用磁场过滤弧结构，但是该结构多弧靶结构复杂、尺寸大、成本高、可靠性和稳定性较低，并且会大幅降低TiN沉积速率；本实施方式使用的百叶窗结构也是一种常见的Ti液滴过滤技术，虽然其过滤效果不如磁过滤结构，但是其具有结构简单、成本低、稳定性和可靠性高的优点，非常适合于工业生产；本实施方式使用的百叶窗结构，其优点是结构简单、成本极低，每一片叶片可以独立调整；其中叶片通过螺钉与上、下框体连接，调整叶片角度时松开螺钉，完成叶片角度调整后将螺钉拧紧、固定。
本实施方式可获得一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：所述的工装Ⅰ与复杂结构轴承引导面交接处无缝隙；所述的工装Ⅱ与复杂结构轴承引导面交接处无缝隙；所述的工装Ⅲ与复杂结构轴承引导面交接处无缝隙。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：所述的工装Ⅰ为两瓣结构，两瓣结构连接处采用迷宫结构设计。其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：所述的工装Ⅱ为两瓣结构，两瓣结构连接处采用迷宫结构设计。其他步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：所述的工装Ⅲ为两瓣结构，两瓣结构连接处采用迷宫结构设计。其他步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：所述的复杂结构轴承的材质为G13Cr4Mo4Ni4V钢。其他步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：所述的工装Ⅰ、工装Ⅱ和工装Ⅲ均与复杂结构轴承的材质相同。其他步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤二中所述的百叶窗与多弧靶材的距离为50mm～200mm。其他步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤二中所述的旋转靶台与百叶窗的距离为100mm～200mm。其他步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤六中所述的复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的厚度为1μm～6μm。其他步骤与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法，是按以下步骤完成的：
一、利用工装Ⅰ将复杂结构轴承引导面以下包括从动环的部分包裹在内，利用工装Ⅱ将复杂结构轴承引导面以上包括篦齿的部分包裹在内，利用工装Ⅲ将复杂结构轴承的滚道包裹在内，且工装Ⅲ的上、下两端分别卡在复杂结构轴承滚道的挡边处，得到工装包裹后的复杂结构轴承；
二、将工装包裹后的复杂结构轴承与真空室的旋转靶台相连接，再将两个多弧靶材安装在旋转靶台两侧，且两个多弧靶材与旋转靶台的距离相等；将两个百叶窗分别放置到多弧靶材与旋转靶台之间，检测真空室的系统漏率，要求真空室的系统漏率低于0.002Pa·L/s；
步骤二中所述的百叶窗与多弧靶材的距离为130mm；
步骤二中所述的旋转靶台与百叶窗的距离为150mm；
步骤二中所述的多弧靶材为Ti靶，Ti靶的纯度为99.99％；
步骤二中所述的百叶窗的叶片与多弧靶材的表面夹角为35°；
三、抽真空与预加热处理：将背底真空抽至8×10-3Pa，再打开加热装置，使复杂结构轴承的温度升至250℃，再将背底真空抽至1.8×10-3Pa；
四、复杂结构轴承溅射清洗：向真空室内通入氩气，使真空室的气压升至40Pa，再在复杂结构轴承上施加800V的负偏压，以复杂结构轴承为负极，真空室为正极产生辉光放电，在旋转靶台匀速旋转的同时，溅射清洗120min；再将真空室内的气压降至0.45Pa，点燃多弧靶材，在旋转靶台匀速旋转的同时，在弧流为70A下清洗20min；
五、多弧离子镀TiN：关闭氩气，向真空室内通入纯度为99.999％的氮气，使真空室内的气压升至0.5Pa，再点燃多弧靶材，在旋转靶台匀速旋转的同时，在弧流为70A、基体偏压为负100V和复杂结构轴承温度为250℃下镀膜180min；
六、冷却降温：关闭多弧电源，真空室内保持抽真空状态，关闭加热装置，使复杂结构轴承自然冷却，当复杂结构轴承的温度降至30℃后，打开真空室，得到引导面镀硬质涂层的复杂结构轴承。
实施例一中所述的工装Ⅰ与复杂结构轴承引导面交接处无缝隙；所述的工装Ⅱ与复杂结构轴承引导面交接处无缝隙；所述的工装Ⅲ与复杂结构轴承引导面交接处无缝隙；
实施例一中所述的工装Ⅰ为两瓣结构，两瓣结构连接处采用迷宫结构设计；
实施例一中所述的工装Ⅱ为两瓣结构，两瓣结构连接处采用迷宫结构设计；
实施例一中所述的工装Ⅲ为两瓣结构，两瓣结构连接处采用迷宫结构设计；
实施例一中所述的复杂结构轴承的材质为G13Cr4Mo4Ni4V钢；
实施例一中所述的工装Ⅰ、工装Ⅱ和工装Ⅲ均与复杂结构轴承的材质相同；
实施例一中步骤六中所述的复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的厚度为2μm～3μm。
复杂结构轴承的引导面使用本实施例一的方法镀硬质涂层后，涂层的结合力为90N。
图1为实施例一中利用工装装配复杂结构轴承的示意图，图1中1为工装Ⅰ，2为工装Ⅱ，3为工装Ⅲ，4为复杂结构轴承；
图2为图1中Ⅰ处的放大图；
图3为图1中Ⅱ处的放大图；
图4为图1中Ⅲ处的放大图；
图5为实施例一中工装Ⅰ、工装Ⅱ和工装Ⅲ的两瓣结构连接处采用的迷宫结构设计的结构示意图；
图6为实施例一中工装Ⅰ的结构示意图；
图7为图6沿A-A的剖面图；
图8为实施例一中工装Ⅱ的结构示意图；
图9为图8沿B-B的剖面图；
图10为实施例一中工装Ⅲ的结构示意图；
图11为图10沿C-C的剖面图；
图12为图10沿E-E的剖面图；
图13为实施例一中百叶窗的结构示意图，图13中1为上框体，2为下框体，3为百叶窗叶片；
图14为图13沿D-D的剖面图。
Claims (10)
1.一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法，其特征在于一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法是按以下步骤完成的：
一、利用工装Ⅰ将复杂结构轴承引导面以下包括从动环的部分包裹在内，利用工装Ⅱ将复杂结构轴承引导面以上包括篦齿的部分包裹在内，利用工装Ⅲ将复杂结构轴承的滚道包裹在内，且工装Ⅲ的上、下两端分别卡在复杂结构轴承滚道的挡边处，得到工装包裹后的复杂结构轴承；
二、将工装包裹后的复杂结构轴承与真空室的旋转靶台相连接，再将两个多弧靶材安装在旋转靶台两侧，且两个多弧靶材与旋转靶台的距离相等；将两个百叶窗分别放置到多弧靶材与旋转靶台之间，检测真空室的系统漏率，要求真空室的系统漏率低于0.002Pa·L/s；
步骤二中所述的多弧靶材为Ti靶，Ti靶的纯度为99.99％；
步骤二中所述的百叶窗的叶片与多弧靶材的表面夹角为30°～60°；
三、抽真空与预加热处理：将背底真空抽至小于1×10-2Pa，再打开加热装置，使复杂结构轴承的温度升至150℃～250℃，再将背底真空抽至小于2×10-3Pa；
四、复杂结构轴承溅射清洗：向真空室内通入氩气，使真空室的气压升至40Pa～100Pa，再在复杂结构轴承上施加500V～1000V的负偏压，以复杂结构轴承为负极，真空室为正极产生辉光放电，在旋转靶台匀速旋转的同时，溅射清洗60min～120min；再将真空室内的气压降至0.1Pa～1Pa，点燃多弧靶材，在旋转靶台匀速旋转的同时，在弧流为60A～70A下清洗5min～20min；
五、多弧离子镀TiN：关闭氩气，向真空室内通入纯度为99.999％的氮气，使真空室内的气压升至0.2Pa～2.0Pa，再点燃多弧靶材，在旋转靶台匀速旋转的同时，在弧流为60A～90A、基体偏压为负50V～100V和复杂结构轴承温度为150℃～250℃下镀膜40min～600min；
六、冷却降温：关闭多弧电源，真空室内保持抽真空状态，关闭加热装置，使复杂结构轴承自然冷却，当复杂结构轴承的温度降至低于50℃后，打开真空室，得到引导面镀硬质涂层的复杂结构轴承。
2.根据权利要求1所述的一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法，其特征在于所述的工装Ⅰ与复杂结构轴承引导面交接处无缝隙；所述的工装Ⅱ与复杂结构轴承引导面交接处无缝隙；所述的工装Ⅲ与复杂结构轴承引导面交接处无缝隙。
3.根据权利要求1所述的一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法，其特征在于所述的工装Ⅰ为两瓣结构，两瓣结构连接处采用迷宫结构设计。
4.根据权利要求1所述的一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法，其特征在于所述的工装Ⅱ为两瓣结构，两瓣结构连接处采用迷宫结构设计。
5.根据权利要求1所述的一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法，其特征在于所述的工装Ⅲ为两瓣结构，两瓣结构连接处采用迷宫结构设计。
6.根据权利要求1所述的一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法，其特征在于所述的复杂结构轴承的材质为G13Cr4Mo4Ni4V钢。
7.根据权利要求1所述的一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法，其特征在于所述的工装Ⅰ、工装Ⅱ和工装Ⅲ均与复杂结构轴承的材质相同。
8.根据权利要求1所述的一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法，其特征在于步骤二中所述的百叶窗与多弧靶材的距离为50mm～200mm。
9.根据权利要求1所述的一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法，其特征在于步骤二中所述的旋转靶台与百叶窗的距离为100mm～200mm。
10.根据权利要求1所述的一种复杂结构轴承引导面镀硬质涂层的方法，其特征在于步骤六中所述的复杂结构轴承引导面镀硬质涂层厚度为1μm～6μm。
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