CN105970215B - 一种轴承的复合层制备方法及其轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种轴承的复合层制备方法及其一种轴承，该轴承的复合层制备方法包括以下步骤：轴承经清洗、烘干后放入磁控溅射镀膜室；在磁控溅射镀膜室内通入氩气等离子气体轰击轴承表面；在氩气气氛中，以铬为靶材，在轴承表面利用磁控溅射沉积铬膜层；在氩气气氛中，以碳化钨为靶材，在铬膜层上利用磁控溅射沉积碳化钨膜层；以石墨和金刚石共同为阴电极，通入乙炔气体，以在碳化钨膜层上利用等离子体化学气相沉积法沉积类金刚石膜层。在基材表面依次沉积铬膜层、碳化钨膜层及类金刚石膜层，在确保轴承的基材表面所沉积的复合层具有较高强度的同时，又使得复合层具有较低的摩擦系数，从而显著的提高了轴承的使用寿命。

Description

一种轴承的复合层制备方法及其轴承
技术领域
本发明涉及镀膜技术领域，尤其涉及一种轴承的复合层制备方法以及通过该制备方法所对轴承进行表面处理后所得到一种轴承。
背景技术
轴承是工业中常用的一种实现轴向转动的零件。轴承的外表面及内表面需要忍受因机械部件高速转动过程中所形成摩擦而导致的磨损。传统的轴承通常采用合金材料或者轴承钢材料或者在合金材料表面沉积TiN膜层制成，其表面耐磨性能仍然不理想。尤其是在涡轮增压器中，对轴承表面的硬度及摩擦系数提出了更高的技术要求；既要保证一定的硬度，又要确保良好的摩擦系数，以保证轴承在高温高压的工况下不致于过快的发生表面划痕、磨损或者金属疲劳等不良现象。
传统的轴承在涡轮增压器所形成的高温高压环境中，其表面的摩擦系数较大，而单一的在轴承表面沉积TiN膜层虽然能提高轴承的表面硬度，但是无法解决轴承表面摩擦系数较大的问题。
有鉴于此，有必要对现有技术中的轴承表面的复合层制备方法予以改进，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的之一在于公开一种轴承的复合层制备方法，用以实现在轴承的基材上形成具有耐磨性良好且具有一定硬度的复合层；本发明的目的之二在于公开一种轴承，用以提高轴承表面的耐磨性及硬度。
为实现上述第一个发明目的，本发明提供了一种轴承的复合层制备方法，包括以下步骤：
(1)轴承经清洗、烘干后放入磁控溅射镀膜室；
(2)在磁控溅射镀膜室内通入氩气等离子气体轰击轴承表面；
(3)在氩气气氛中，以铬为靶材，在轴承表面利用磁控溅射沉积铬膜层，操作参数设置如下：真空度：6×10-3Pa～8×10-1Pa、氩气流量：8～70sccm、溅射时间：800～3000min、沉积温度：300～700℃；
(4)在氩气气氛中，以碳化钨为靶材，在铬膜层上利用磁控溅射沉积碳化钨膜层，操作参数设置如下：真空度：5×10-3Pa～5×10-1Pa、氩气流量：20～80sccm、溅射时间：1000～5000min、沉积温度：300～700℃；
(5)以石墨和金刚石共同为阴电极，通入乙炔气体，以在碳化钨膜层上利用等离子体化学气相沉积法沉积类金刚石膜层；操作参数设置如下：真空度：在3～4小时内降低至0.1×10-4Pa～1×10-4Pa，温度：在1～2小时内由室温升至230℃；乙炔气体流量：6～8sccm。
在一些实施方式中，步骤(2)中，氩气等离子气体的通入时间为0.3～1小时。
在一些实施方式中，步骤(1)中的“清洗、烘干”具体为：首先将轴承在丙酮、乙醇溶液中分别执行超声波清洗，每次超声波清洗后用去离子水冲刷干净，然后在稀氢氟酸溶液中浸泡10～15分钟，取出后用去离子水冲洗，再使用由氮气与氦气所组成的混合气体进行烘干处理。
在一些实施方式中，铬的纯度为99.99％，所述碳化钨的纯度为99.99％。
在一些实施方式中，步骤(5)还包括：在碳化钨膜层表面沉积类金刚石膜层完成后，将磁控溅射镀膜室内的温度于1～1.5小时内降到100℃以下。
在一些实施方式中，混合气体中氮气与氦气的体积比为3:1～1:1，所述混合气体进行烘干处理的温度为180～220℃。
实现上述第二个发明目的，本发明还提供了一种轴承，包括基材；
所述基材表面沉积有通过如上述任一项实施方式所述的轴承的复合层制备方法所制备得到的复合层，所述复合层依次由铬膜层、碳化钨膜层及类金刚石膜层组成。
在一些实施方式中，轴承包括浮动轴承或者半浮动轴承。
在一些实施方式中，铬膜层的厚度为0.1～0.2um；所述碳化钨膜层的厚度为0.8～1.0um；所述类金刚石膜层的厚度为1.5～3um。
在一些实施方式中，基材为铜合金。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在基材表面依次沉积铬膜层、碳化钨膜层及类金刚石膜层，在确保轴承的基材表面所沉积的复合层具有较高强度的同时，又使得复合层具有较低的摩擦系数，从而显著的提高了轴承的使用寿命。
附图说明
图1为通过本发明一种轴承的复合层制备方法所制得的复合层的结构示意图；
图2为通过本发明一种轴承的复合层制备方法所制得的复合层的SEM图；
图3为通过本发明一种轴承的复合层制备方法所制得的复合层的轴承与涂覆常规涂层的轴承在干式条件下的磨损曲线图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
实施例一：
参图1至图3所示，本实施方式所示出的一种轴承的复合层制备方法是在基材材质可为铜合金，也可为纯铜材质。铜合金中可参杂的金属元素，并可具体为青铜、白铜或者黄铜，在本实施方式中，以基材为黄铜为例详细说明，本领域技术人员可以得知该具体实施方式还可对基材为青铜或者白铜上进行复合层的制备。
该轴承的复合层制备方法，其步骤如下所示：
首先，执行步骤(1)：轴承经清洗、烘干后放入磁控溅射镀膜室。
该步骤(1)具体为：首先将轴承在丙酮、乙醇溶液中分别执行超声波清洗，每次超声波清洗后用去离子水冲刷干净，然后在稀氢氟酸溶液中浸泡10～15分钟，取出后多次用去离子水冲洗，再使用由氮气与氦气所组成的混合气体进行烘干处理。丙酮对有机物的溶解性及清洗效果极强且容易挥发，首先使用丙酮溶液对基材表面进行清洗可高效的去除基材表面的有机物及其他脏污。该稀氢氟酸溶液中的氢氟酸的浓度为0.05mol/L。
具体的，在本实施方式中，酒精溶液的浓度为在0.5～1mol/L之间，并优选为1mol/L。酒精的浓度不易过高，因为浓度过高的酒精会与基材发生氧化反应，从而在基材表面形成一层致密的氧化层，从而影响后续在基材表面沉积铬膜层的沉积效果。更优选的，在使用酒精对基材表面进行清洗后，还可使用浓度为1mol/L的氢氰酸对基材进行蚀刻清洗，以增加基表10表面的粗糙度，提高后续沉积铬膜20的效果，提高铬膜层20与基材10表面的结合力。
同时，在本实施方式中，混合气体中氮气与氦气的体积比为3:1～1:1，所述混合气体进行烘干处理的温度为180～220℃。通过执行步步骤(1)可为后续步骤(2)执行基材10表面的蚀刻处理去除基材10表面的杂质，提高基材10与铬膜层20之间的结合力。
然后，执行步骤(2)：在磁控溅射镀膜室内通入氩气等离子气体轰击轴承表面。具体的，氩气等离子气体的通入时间为0.3～1小时。磁控溅射镀膜室可选用JGP560C13型超高真空多靶磁控溅射镀膜系统执行上述步骤(2)。
氩气等离子气体可对基材10的表面进行表面活化，提高后期沉积铬膜层20的沉积效果。由于氩气等离子气体的分子量较小，且原料制备成本低，可作为首选的等离子体蚀刻气体。当然，也可选用氦气等离子体气体或者其他惰性气体的等离子体气体作为轰击基材10表面的等离子体蚀刻气体。
然后，执行步骤(3)：在氩气气氛中，以铬为靶材，在轴承表面利用磁控溅射沉积铬膜层20，操作参数设置如下：真空度：6×10-3Pa～8×10-1Pa、氩气流量：8～70sccm、溅射时间：800～3000min、沉积温度：300～700℃。该步骤(3)所选用的设备与步骤(2)的设备相同，其中，所述铬的纯度为99.99％。该JGP560C13型超高真空多靶磁控溅射镀膜系统的脉冲电弧放电的电压为250VDC。铬膜层20与采用铜合金制成的基材10之间的结合力较高，可为后续在铬膜层20上所沉积的碳化钨膜层30提高良好的支撑，防止碳化钨膜层30与基材10之间发生剥离。
然后，执行步骤(4)：在氩气气氛中，以碳化钨为靶材，在铬膜层上利用磁控溅射沉积碳化钨膜层，操作参数设置如下：真空度：5×10-3Pa～5×10-1Pa、氩气流量：20～80sccm、溅射时间：1000～5000min、沉积温度：300～700℃。该步骤(4)所选用的设备与步骤(2)的设备相同，其中，所述碳化钨的纯度为99.99％。该JGP560C13型超高真空多靶磁控溅射镀膜系统的脉冲电弧放电的电压为250VDC。碳化钨膜层30的硬度较高，其维氏硬度可达1000；同时，碳化钨膜层30与铬膜层20与后续在碳化钨膜层30上所沉积的类金刚石膜层40之间的结合力也较为理想。
最后，执行步骤(5)：以石墨和金刚石共同为阴电极，通入乙炔气体，以在碳化钨30膜层表面利用等离子体化学气相沉积法沉积类金刚石膜层40；操作参数设置如下：真空度：在3～4小时内降低至0.1×10-4Pa～1×10-4Pa，温度：在1～2小时内由室温升至230℃；乙炔气体流量：6～8sccm。以石墨和金刚石共同为阴电极，开启脉冲电弧放电，通入乙炔气体，控制流量为6～8sccm，由脉冲放电形成的碳离子和碳的中性原子与乙炔气体分子碰撞，打开乙炔分子的双键，以生成新的碳离子飞向碳化钨膜层30的表面形成类金刚石膜层40。具体的，在步骤(5)中的脉冲电弧放电的电压为280VDC。
该步骤(5)所选用的设备与步骤(2)的设备相同。具体的，在步骤(5)中还包括：在碳化钨膜30层表面沉积类金刚石膜层40完成后，将该JGP560C13型超高真空多靶磁控溅射镀膜系统内的镀膜室的温度于1～1.5小时内降到100℃以下。采取缓慢降温的方式可有效防止在基材10上所沉积的铬膜层20、碳化钨膜层30及类金刚石膜层40之间发生剥离。
类金刚石膜层(DLC)是一种非晶态杂化键组织。金刚石的杂化类型为SP2，石墨的杂化类型为SP2。类金刚石膜层(DLC)的杂化类型呈现为SP2+SP3的混合形态，因此类金刚石膜层是一种非晶态杂化键组织。因此，其既具有金刚石薄膜的硬度，有具有石墨薄膜的润滑性，是一种用于沉积在轴承表面的良好的薄膜沉积材料。
请参图3所示的通过本发明一种轴承的复合层制备方法所制得的复合层的轴承与涂覆常规涂层的轴承在干式条件下的磨损曲线图。通过本发明在采用铜合金为基材的轴承表面依次沉积铬膜层20、碳化钨膜层30及类金刚石膜层40，其摩擦系数几乎为零。
这种沉积在轴承的基材10表面的复合层100相对于未涂层的轴承钢制成的轴承、硬铬制成的轴承、渗氮合金制成的轴承、电镀镍制成的轴承、表面涂覆镍合金特氟龙涂层的轴承或者单纯沉积类金刚石膜层的轴承相比，本发明所示出的这种沉积三层薄膜的复合层的轴承的摩擦系数几乎为零。同时，类金刚石膜层40具有良好的耐高温性能，在涡轮增压器中，轴承每分钟的转速高达8～23万转，轴承的内圈、外圈或者内孔很容易受到快速磨损。因此，本实施方式所揭示的在轴承表面沉积三层膜层的复合层所制备得的轴承，因此非常适合应用于涡轮增压器。
具体的，通过本发明所制备得到的具有复合层100的轴承表面的Ra(轮廓算术平均偏差)小于等于0.04微米，通过本发明所制备得到的具有复合层100的轴承表面的Rz(微观不平度十点高度)小于等于0.04微米。表面硬度可达到2200±500(单位：维氏硬度)。
实施例二：
参图1与图2所示，一种轴承，包括基材10，该基材10为铜合金。
基材10表面沉积有通过如实施例一所述的轴承的复合层制备方法所制备得到的复合层100。该复合层100依次由铬膜层20、碳化钨膜层30及类金刚石膜层40组成，铬膜层20沉积在基材10的表面。其中，铬膜层20的厚度为0.1～0.2um；碳化钨膜层30的厚度为0.8～1.0um；类金刚石膜层40的厚度为1.5～3um。优选的，该轴承包括浮动轴承或者半浮动轴承。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种轴承的复合层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)轴承经清洗、烘干后放入磁控溅射镀膜室；
(2)在磁控溅射镀膜室内通入氩气等离子气体轰击轴承表面；
(3)在氩气气氛中，以铬为靶材，在轴承表面利用磁控溅射沉积铬膜层，操作参数设置如下：真空度：6×10-3Pa～8×10-1Pa、氩气流量：8～70sccm、溅射时间：800～3000min、沉积温度：300～700℃；
(4)在氩气气氛中，以碳化钨为靶材，在铬膜层上利用磁控溅射沉积碳化钨膜层，操作参数设置如下：真空度：5×10-3Pa～5×10-1Pa、氩气流量：20～80sccm、溅射时间：1000～5000min、沉积温度：300～700℃；
(5)以石墨和金刚石共同为阴电极，通入乙炔气体，以在碳化钨膜层上利用等离子体化学气相沉积法沉积类金刚石膜层；操作参数设置如下：真空度：在3～4小时内降低至0.1×10-4Pa～1×10-4Pa，温度：在1～2小时内由室温升至230℃；乙炔气体流量：6～8sccm。
2.根据权利要求1所述的轴承的复合层制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，氩气等离子气体的通入时间为0.3～1小时。
3.根据权利要求1所述的轴承的复合层制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的“清洗、烘干”具体为：首先将轴承在丙酮、乙醇溶液中分别执行超声波清洗，每次超声波清洗后用去离子水冲刷干净，然后在稀氢氟酸溶液中浸泡10～15分钟，取出后用去离子水冲洗，再使用由氮气与氦气所组成的混合气体进行烘干处理。
4.根据权利要求1所述的轴承的复合层制备方法，其特征在于，所述铬的纯度为99.99％，所述碳化钨的纯度为99.99％。
5.根据权利要求1所述的轴承的复合层制备方法，其特征在于，所述步骤(5)还包括：在碳化钨膜层表面沉积类金刚石膜层完成后，将磁控溅射镀膜室内的温度于1～1.5小时内降到100℃以下。
6.根据权利要求3所述的轴承的复合层制备方法，其特征在于，所述混合气体中氮气与氦气的体积比为3:1～1:1，所述混合气体进行烘干处理的温度为180～220℃。
7.一种轴承，包括基材；
其特征在于，所述基材表面沉积有通过如权利要求1至6中任一项所述的轴承的复合层制备方法所制备得到的复合层，所述复合层依次由铬膜层、碳化钨膜层及类金刚石膜层组成。
8.根据权利要求7所述的轴承，其特征在于，所述轴承包括浮动轴承或者半浮动轴承。
9.根据权利要求7所述的轴承，其特征在于，所述铬膜层的厚度为0.1～0.2um；所述碳化钨膜层的厚度为0.8～1.0um；所述类金刚石膜层的厚度为1.5～3um。
10.根据权利要求7所述的轴承，其特征在于，所述基材为铜合金。
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