CN105779946A - 轴承球滚动体全表面润滑耐磨涂层的批量制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轴承球滚动体全表面润滑耐磨涂层的批量制备方法，该方法将滚动体放入镀膜支撑装置中，采用物理气相沉积技术在轴承球滚动体（钢球、陶瓷球）全表面镀制薄厚均一、性能优良的润滑耐磨涂层，镀膜支撑装置包括其形状为空心圆柱体的不锈钢网子和置于网子轴线上的作为网子转动轴的不锈钢丝杠，不锈钢丝杠通过齿轮与真空腔体内的转动架相连，网子在真空腔体内做匀速转动，滚动体在网子中做自由滚体运动。与现有技术相比，本发明具有能进行批量稳定制备的优点，并且制备出的涂层具有硬度高、韧性好、减摩、耐磨性好等优点，提高了滚珠轴承的质量和性能。
Description
技术领域
本发明属于表面工程润滑耐磨涂层技术领域，涉及一种轴承球滚动体全表面润滑耐磨涂层的批量制备方法，具体说是采用物理气相沉积技术批量在轴承球滚动体（钢球、陶瓷球）全表面获得薄厚均一、性能优良的润滑耐磨涂层的方法。
背景技术
轴承是机械传动机构中的支承件，使用十分广泛，在工作过程中承受压应力、剪切力、冲击应力、疲劳、摩擦磨损等复杂工况条件，其质量的好坏直接影响机械整机的工作性能。对于机械部件中的轴承，因部位不同，承受的力亦不同，受力大及应力集中的地方会先磨损，往往造成轴承某部位表面磨损小片剥落或变形而使轴承失效。一旦轴承失效，将严重影响整个系统的正常工作。尤其是应用于人造卫星、航空航天飞行器、精密仪器等系统中的高性能轴承，更换其中的失效轴承花费巨大。
在轴承各个摩擦面上镀制润滑耐磨涂层，能提高零件表面减摩、抗磨损、耐腐蚀及抗疲劳能力。目前最常用的技术是物理气相沉积技术镀制润滑耐磨涂层。物理气相沉积技术是一种低温气相沉积技术，可以在不改变金属基体固有性能的基础上提高其表面强度、韧性、减摩耐磨性、耐蚀性等性能。目前大量的机械零部件表面均采用了物理气相沉积技术制备高性能涂层，达到提高机械零部件使用寿命的目的。物理气相沉积可以镀制硬质耐磨涂层、润滑减摩涂层、耐蚀耐磨涂层等，如TiN、CrN、TiCN、TiAlN、CrAlN、TiSiN、DLC、GLC、MoS2等多种类型的涂层。实际使用中可以根据工况选择不同的涂层以达到性能需求，是一种先进高效的表面改性技术。
轴承部件主要包括轴承内圈、轴承外圈、滚动体和保持架，目前已可实现对轴承内外圈、保持架的物理气相沉积涂层制备。但对于滚动体，尤其是球形滚动体，由于支撑体的影响，难以实现全表面镀膜；即便可以设计出全表面镀膜的夹具系统，也会由于夹具系统过于复杂，无法实现批量镀膜，从而不能形成工业化生产能力。轴承球滚动体是轴承中的重要部件，是主要受到摩擦及磨损的部件，若能实现其表面全方位批量镀制润滑耐磨涂层，将极大提高我国高性能轴承的制备水平和应用范围。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种轴承球滚动体全表面润滑耐磨涂层的批量制备方法。该方法采用物理气相沉积技术，在轴承球滚动体（钢球、陶瓷球）表面进行全方位镀膜，制备的膜层可均匀覆盖于轴承球滚动体（钢球、陶瓷球）表面，薄厚均一、具有硬度高、韧性好、减摩、耐磨性好的优点，且能进行批量制备，适合工业化批量生产。
轴承球滚动体全表面润滑耐磨涂层的批量制备方法，包括以下步骤：
1）滚动体经超声清洗后用氮气吹干，然后将其放入镀膜支撑装置中；所述镀膜支撑装置包括其形状为空心圆柱体的不锈钢网子和置于网子轴线上的作为网子转动轴的不锈钢丝杠；
2）将已放入滚动体的镀膜支撑装置安置在真空腔体内，所述不锈钢丝杠通过齿轮与真空腔体内的转动架相连，所述网子在真空腔体内做匀速转动，滚动体在网子中做自由滚体运动；
3）等离子体轰击清洗：真空腔体抽至5×10-3Pa后，利用等离子体溅射清洗滚动体表面及镀膜支撑装置，工作气体为高纯氩气，氩气流量为50~100sccm，偏压为-800V，清洗时间为30~50min；之后开启电弧Ti靶或Cr靶，利用电弧对真空腔体进一步进行轰击清洗，持续10min，弧电源电压和电流分别为22V和60A，偏压维持在-800V，轰击清洗完成后关闭电弧Ti靶或Cr靶；
4）沉积金属粘结层：清洗工作完成后，调节氩气流量至30sccm，开启电弧Ti靶或Cr靶，利用电弧离子镀沉积Ti或Cr粘结层，金属Ti靶或Cr靶为阴极，工作气体为氩气，弧电源电压和电流分别为22V和70A，偏压为-300~-500V，沉积时间为10min；
5）沉积氮化物过渡层：将偏压从-300~-500V逐渐调节至-70~-100V，变化速率为2V/秒，氩气流量维持在30sccm，弧电源电压和电流分别为22V和70A，调节氮气流量，使氮气流量从0sccm逐渐增加至70sccm，变化速率为2sccm/秒；过渡层为具有梯度结构的TiN或CrN过渡层，沉积时间为10min；
6）沉积润滑耐磨涂层：偏压维持在-70V~-100V，氩气流量维持在30sccm，氮气流量维持在70sccm，弧电源电压和电流维持不变，在梯度TiN或CrN过渡层上镀制TiN或CrN薄膜，镀膜时间60~200min，即可在滚动体表面上获得润滑耐磨涂层。
所述步骤6）引入Mo靶或磁控石墨靶，即可制备TiCN、CrCN、CrMoN润滑耐磨涂层。
所述步骤6）用磁控石墨靶代替Ti靶，并且用CH4或C2H2代替氮气，即可制备DLC、GLC润滑耐磨涂层。
本发明可在轴承滚动体上批量制备润滑耐磨涂层，制备的涂层在滚动体表面均匀覆盖、薄厚均一，具有硬度高、韧性好、减摩耐磨的特点；利用CSM摩擦磨损试验机对滚动体表面涂层的摩擦磨损性能进行测试，结果显示在室温干摩擦和对副为304不锈钢的情况下，镀制TiN和CrN膜层钢球的摩擦系数分别为0.7和0.3，耐磨性能良好；通过对Ti靶、Cr靶、Mo靶及氮气、CH4、C2H2的合理选配，即可制备TiCN、CrCN、CrMoN、DLC、Cr-DLC、GLC等多种润滑耐磨涂层，涂层摩擦系数均低于0.3，耐磨性能良好。
附图说明
图1为滚动体表面镀膜支撑装置的结构示意图。
图2为滚动体在镀膜支撑装置中自由滚动示意图。
图3为表面镀CrN润滑耐磨涂层的滚动体实物图。
图4为表面镀DLC润滑耐磨涂层的滚动体实物图。
图中：1-丝杠2-网子3-滚动体。
具体实施方式
实施例1
1）前处理：将100粒直径为6mm的钢球置入带有四氟乙烯漏网的不锈钢槽中，用丙酮超声清洗两次，每次20分钟，然后用酒精超声清洗20分钟，经干燥氮气吹干后放入镀膜支撑装置（见图1）中，网子孔眼大小为3×3mm的方格；
2）等离子体轰击清洗：将已放入钢球的镀膜支撑装置安置在真空腔体内，不锈钢丝杠通过齿轮与真空腔体内的转动架相连，网子在真空腔体内做匀速转动，滚动体在网子中做自由滚体运动（见图2）。关闭炉门，待真空腔体抽至5×10-3Pa后，利用等离子体溅射清洗钢球表面及镀膜支撑装置，工作气体为高纯氩气，氩气流量为100sccm，偏压为-800V，清洗时间为30min；之后开启电弧Ti靶对真空腔体进一步进行轰击清洗，持续10min，弧电源电压及电流分别为22V及60A，偏压维持在-800V，轰击清洗完成后关闭电弧Ti靶；
3）沉积金属Ti粘结层：清洗工作完成后，调节氩气流量至30sccm，开启电弧Ti靶，利用电弧离子镀沉积Ti粘结层，金属Ti靶为阴极，工作气体为氩气，弧电源电压及电流分别为22V及70A，偏压为-300V，沉积时间为10min；
4）沉积TiN过渡层：将偏压从-300V逐渐调节至-100V，变化速率为2V/秒，氩气流量维持在30sccm，弧电源电压及电流分别为22V及70A，调节氮气流量，使氮气流量从0sccm逐渐增加至70sccm，变化速率为2sccm/秒；过渡层为具有梯度结构的TiN过渡层，沉积时间为10min；
5）沉积TiN涂层：偏压维持在-100V，氩气流量维持在30sccm，氮气流量维持在70sccm，弧电源电压及电流维持不变，在梯度TiN过渡层上镀制TiN涂层，镀膜时间100min，即可在基体表面上获得TiN涂层；镀膜结束后钢球随炉自然冷却至室温。
实施例2
1）前处理：将100粒直径为6mm的钢球置入带有四氟乙烯漏网的不锈钢槽中，用丙酮超声清洗两次，每次20分钟，然后用酒精超声清洗20分钟，经干燥氮气吹干后放入镀膜支撑装置（见图1）中，网子孔眼大小为3×3mm的方格；
2）等离子体轰击清洗：将已放入钢球的镀膜支撑装置安置在真空腔体内，不锈钢丝杠通过齿轮与真空腔体内的转动架相连，网子在真空腔体内做匀速转动，滚动体在网子中做自由滚体运动（见图2）。关闭炉门，待真空腔体抽至5×10-3Pa后，利用等离子体溅射清洗钢球表面及镀膜支撑装置，工作气体为高纯氩气，氩气流量为100sccm，偏压为-800V，清洗时间为30min；之后开启电弧Cr靶对真空腔体进一步进行轰击清洗，持续10min，弧电源电压及电流分别为22V及60A，偏压维持在-800V，轰击清洗完成后关闭电弧Cr靶；
3）沉积金属Cr粘结层：清洗工作完成后，调节氩气流量至30sccm，开启电弧Cr靶，利用电弧离子镀沉积Cr粘结层，金属Cr靶为阴极，工作气体为氩气，弧电源电压及电流分别为22V及70A，偏压为-300V，沉积时间为10min；
4）沉积CrN过渡层：将偏压从-300V逐渐调节至-100V，变化速率为2V/秒，氩气流量维持在30sccm，弧电源电压及电流分别为22V及70A，调节氮气流量，使氮气流量从0sccm逐渐增加至70sccm，变化速率为2sccm/秒；过渡层为具有梯度结构的CrN过渡层，沉积时间为10min；
5）沉积CrN涂层：偏压维持在-100V，氩气流量维持在30sccm，氮气流量维持在70sccm，弧电源电压及电流维持不变，在梯度CrN过渡层上镀制CrN涂层，镀膜时间100min，即可在基体表面上获得CrN涂层；镀膜结束后钢球随炉自然冷却至室温，获得的CrN镀膜钢球如图3所示。
实施例3
1）前处理：将100粒直径为6mm的钢球置入带有四氟乙烯漏网的不锈钢槽中，用丙酮超声清洗两次，每次20分钟，然后用酒精超声清洗20分钟，经干燥氮气吹干后放入镀膜支撑装置（见图1）中，网子孔眼大小为3×3mm的方格；
2）等离子体轰击清洗：将已放入钢球的镀膜支撑装置安置在真空腔体内，不锈钢丝杠通过齿轮与真空腔体内的转动架相连，网子在真空腔体内做匀速转动，滚动体在网子中做自由滚体运动（见图2）。关闭炉门，待真空腔体抽至5×10-3Pa后，利用等离子体溅射清洗钢球表面及镀膜支撑装置，工作气体为高纯氩气，氩气流量为100sccm，偏压为-800V，清洗时间为30min；之后开启电弧Ti靶对真空腔体进一步进行轰击清洗，持续10min，弧电源电压及电流分别为22V及60A，偏压维持在-800V，轰击清洗完成后关闭电弧Ti靶；
3）沉积金属Ti粘结层：清洗工作完成后，调节氩气流量至30sccm，开启电弧Ti靶，利用电弧离子镀沉积Ti粘结层，金属Ti靶为阴极，工作气体为氩气，弧电源电压及电流分别为22V及70A，偏压为-300V，沉积时间为10min；
4）沉积TiN过渡层：将偏压从-300V逐渐调节至-100V，变化速率为2V/秒，氩气流量维持在30sccm，弧电源电压及电流分别为22V及70A，调节氮气流量，使氮气流量从0sccm逐渐增加至70sccm，变化速率为2sccm/秒；过渡层为具有梯度结构的TiN过渡层，沉积时间为10min；
5）沉积TiCN涂层：偏压维持在-100V，氩气流量维持在30sccm，氮气流量维持在70sccm，弧电源电压及电流维持不变，开启磁控石墨靶，靶功率维持在2kW，在梯度TiN过渡层上镀制TiCN涂层，镀膜时间100min，即可在基体表面上获得TiCN涂层；镀膜结束后钢球随炉自然冷却至室温。
实施例4
1）前处理：将100粒直径为6mm的钢球置入带有四氟乙烯漏网的不锈钢槽中，用丙酮超声清洗两次，每次20分钟，然后用酒精超声清洗20分钟，经干燥氮气吹干后放入镀膜支撑装置（见图1）中，网子孔眼大小为3×3mm的方格；
2）等离子体轰击清洗：将已放入钢球的镀膜支撑装置安置在真空腔体内，不锈钢丝杠通过齿轮与真空腔体内的转动架相连，网子在真空腔体内做匀速转动，滚动体在网子中做自由滚体运动（见图2）。关闭炉门，待真空腔体抽至5×10-3Pa后，利用等离子体溅射清洗钢球表面及镀膜支撑装置，工作气体为高纯氩气，氩气流量为100sccm，偏压为-800V，清洗时间为30min；之后开启电弧Cr靶对真空腔体进一步进行轰击清洗，持续10min，弧电源电压及电流分别为22V及60A，偏压维持在-800V，轰击清洗完成后关闭电弧Cr靶；
3）沉积金属Cr粘结层：清洗工作完成后，调节氩气流量至30sccm，开启电弧Cr靶，利用电弧离子镀沉积Cr粘结层，金属Cr靶为阴极，工作气体为氩气，弧电源电压及电流分别为22V及70A，偏压为-300V，沉积时间为10min；
4）沉积CrN过渡层：将偏压从-300V逐渐调节至-100V，变化速率为2V/秒，氩气流量维持在30sccm，弧电源电压及电流分别为22V及70A，调节氮气流量，使氮气流量从0sccm逐渐增加至70sccm，变化速率为2sccm/秒；过渡层为具有梯度结构的CrN过渡层，沉积时间为10min；
5）沉积CrCN涂层：偏压维持在-100V，氩气流量维持在30sccm，氮气流量维持在70sccm，弧电源电压及电流维持不变，开启磁控石墨靶，靶功率维持在2kW，在梯度CrN过渡层上镀制CrCN涂层，镀膜时间100min，即可在基体表面上获得CrCN涂层；镀膜结束后钢球随炉自然冷却至室温。
实施例5
1）前处理：将100粒直径为6mm的钢球置入带有四氟乙烯漏网的不锈钢槽中，用丙酮超声清洗两次，每次20分钟，然后用酒精超声清洗20分钟，经干燥氮气吹干后放入镀膜支撑装置（见图1）中，网子孔眼大小为3×3mm的方格；
2）等离子体轰击清洗：将已放入钢球的镀膜支撑装置安置在真空腔体内，不锈钢丝杠通过齿轮与真空腔体内的转动架相连，网子在真空腔体内做匀速转动，滚动体在网子中做自由滚体运动（见图2）。关闭炉门，待真空腔体抽至5×10-3Pa后，利用等离子体溅射清洗钢球表面及镀膜支撑装置，工作气体为高纯氩气，氩气流量为100sccm，偏压为-800V，清洗时间为30min；之后开启电弧Cr靶对真空腔体进一步进行轰击清洗，持续10min，弧电源电压及电流分别为22V及60A，偏压维持在-800V，轰击清洗完成后关闭电弧Cr靶；
3）沉积金属Cr粘结层：清洗工作完成后，调节氩气流量至30sccm，开启电弧Cr靶，利用电弧离子镀沉积Cr粘结层，金属Cr靶为阴极，工作气体为氩气，弧电源电压及电流分别为22V及70A，偏压为-300V，沉积时间为10min；
4）沉积CrN过渡层：将偏压从-300V逐渐调节至-100V，变化速率为2V/秒，氩气流量维持在30sccm，弧电源电压及电流分别为22V及70A，调节氮气流量，使氮气流量从0sccm逐渐增加至70sccm，变化速率为2sccm/秒；过渡层为具有梯度结构的CrN过渡层，沉积时间为10min；
5）沉积类金刚石涂层：偏压调节至-70V，氩气流量维持在30sccm，关闭电弧Cr靶，开启磁控石墨靶，靶功率维持在2kW，在腔体中逐渐充入C2H2，最终流量维持在10sccm，在梯度CrN过渡层上镀制类金刚石涂层，镀膜时间200min，即可在基体表面上获得类金刚石涂层；镀膜结束后钢球随炉自然冷却至室温，获得的类金刚石涂层如图4所示。
实施例6
1）前处理：将200粒直径为3mm的钢球置入带有四氟乙烯漏网的不锈钢槽中，用丙酮超声清洗两次，每次20分钟，然后用酒精超声清洗20分钟，经干燥氮气吹干后放入镀膜支撑装置中，网子孔眼大小为1×1mm的方格；
2）等离子体轰击清洗：将已放入钢球的镀膜支撑装置安置在真空腔体内，不锈钢丝杠通过齿轮与真空腔体内的转动架相连，网子在真空腔体内做匀速转动，滚动体在网子中做自由滚体运动（见图2）。关闭炉门，待真空腔体抽至5×10-3Pa后，利用等离子体溅射清洗钢球表面及镀膜支撑装置，工作气体为高纯氩气，氩气流量为100sccm，偏压为-800V，清洗时间为30min；之后开启电弧Cr靶对真空腔体进一步进行轰击清洗，持续10min，弧电源电压及电流分别为22V及60A，偏压维持在-800V，轰击清洗完成后关闭电弧Cr靶；
3）沉积金属Cr粘结层：清洗工作完成后，调节氩气流量至30sccm，开启电弧Cr靶，利用电弧离子镀沉积Cr粘结层，金属Cr靶为阴极，工作气体为氩气，弧电源电压及电流分别为22V及70A，偏压为-300V，沉积时间为10min；
4）沉积CrN过渡层：将偏压从-300V逐渐调节至-100V，变化速率为2V/秒，氩气流量维持在30sccm，弧电源电压及电流分别为22V及70A，调节氮气流量，使氮气流量从0sccm逐渐增加至70sccm，变化速率为2sccm/秒；过渡层为具有梯度结构的CrN过渡层，沉积时间为10min；
5）沉积CrN涂层：偏压维持在-70V，氩气流量维持在30sccm，氮气流量维持在70sccm，弧电源电压及电流维持不变，在梯度CrN过渡层上镀制CrN涂层，镀膜时间60min，即可在基体表面上获得CrN涂层；镀膜结束后钢球随炉自然冷却至室温。
实施例7
1）前处理：将100粒直径为6mm的氧化铝陶瓷球置入带有四氟乙烯漏网的不锈钢槽中，用丙酮超声清洗两次，每次20分钟，然后用酒精超声清洗20分钟，经干燥氮气吹干后放入镀膜支撑装置中，网子孔眼大小为1×1mm的方格；
2）等离子体轰击清洗：将已放入氧化铝陶瓷球的镀膜支撑装置安置在真空腔体内，不锈钢丝杠通过齿轮与真空腔体内的转动架相连，网子在真空腔体内做匀速转动，滚动体在网子中做自由滚体运动（见图2）。关闭炉门，待真空腔体抽至5×10-3Pa后，利用等离子体溅射清洗氧化铝陶瓷球表面及镀膜支撑装置，工作气体为高纯氩气，氩气流量为100sccm，偏压为-600V，清洗时间为30min；之后开启电弧Cr靶对真空腔体进一步进行轰击清洗，持续10min，弧电源电压及电流分别为22V及60A，偏压维持在-600V，轰击清洗完成后关闭电弧Cr靶；
3）沉积金属Cr粘结层：清洗工作完成后，调节氩气流量至30sccm，开启电弧Cr靶，利用电弧离子镀沉积Cr粘结层，金属Cr靶为阴极，工作气体为氩气，弧电源电压及电流分别为22V及70A，偏压为-300V，沉积时间为10min；
4）沉积CrN过渡层：将偏压从-300V逐渐调节至-100V，变化速率为2V/秒，氩气流量维持在30sccm，弧电源电压及电流分别为22V及70A，调节氮气流量，使氮气流量从0sccm逐渐增加至70sccm，变化速率为2sccm/秒；过渡层为具有梯度结构的CrN过渡层，沉积时间为10min；
5）沉积CrCN涂层：偏压维持在-100V，氩气流量维持在30sccm，氮气流量维持在70sccm，弧电源电压及电流维持不变，开启磁控石墨靶，靶功率维持在2kW，在梯度CrN过渡层上镀制CrCN涂层，镀膜时间100min，即可在基体表面上获得CrCN涂层；镀膜结束后钢球随炉自然冷却至室温。
Claims (3)
1.轴承球滚动体全表面润滑耐磨涂层的批量制备方法，包括以下步骤：
1）滚动体经超声清洗后用氮气吹干，然后将其放入镀膜支撑装置中；所述镀膜支撑装置包括其形状为空心圆柱体的不锈钢网子和置于网子轴线上的作为网子转动轴的不锈钢丝杠；
2）将已放入滚动体的镀膜支撑装置安置在真空腔体内，所述不锈钢丝杠通过齿轮与真空腔体内的转动架相连，所述网子在真空腔体内做匀速转动，滚动体在网子中做自由滚体运动；
3）等离子体轰击清洗：真空腔体抽至5×10-3Pa后，利用等离子体溅射清洗滚动体表面及镀膜支撑装置，工作气体为高纯氩气，氩气流量为50~100sccm，偏压为-800V，清洗时间为30~50min；之后开启电弧Ti靶或Cr靶，利用电弧对真空腔体进一步进行轰击清洗，持续10min，弧电源电压和电流分别为22V和60A，偏压维持在-800V，轰击清洗完成后关闭电弧Ti靶或Cr靶；
4）沉积金属粘结层：清洗工作完成后，调节氩气流量至30sccm，开启电弧Ti靶或Cr靶，利用电弧离子镀沉积Ti或Cr粘结层，金属Ti靶或Cr靶为阴极，工作气体为氩气，弧电源电压和电流分别为22V和70A，偏压为-300~-500V，沉积时间为10min；
5）沉积氮化物过渡层：将偏压从-300~-500V逐渐调节至-70~-100V，变化速率为2V/秒，氩气流量维持在30sccm，弧电源电压和电流分别为22V和70A，调节氮气流量，使氮气流量从0sccm逐渐增加至70sccm，变化速率为2sccm/秒；过渡层为具有梯度结构的TiN或CrN过渡层，沉积时间为10min；
6）沉积润滑耐磨涂层：偏压维持在-70V~-100V，氩气流量维持在30sccm，氮气流量维持在70sccm，弧电源电压和电流维持不变，在梯度TiN或CrN过渡层上镀制TiN或CrN薄膜，镀膜时间60~200min，即可在滚动体表面上获得润滑耐磨涂层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤6）引入Mo靶或磁控石墨靶。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤6）用磁控石墨靶代替Ti靶，并且用CH4或C2H2代替氮气。
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