CN106350770A - 一种类金刚石涂层轴承及离子溅射镀层机和轴承加工方法 - Google Patents

一种类金刚石涂层轴承及离子溅射镀层机和轴承加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及轴承加工领域，具体而言，涉及一种类金刚石涂层轴承及离子溅射镀层机和轴承加工方法。类金刚石涂层轴承包括轴承本体，轴承本体包括轴承内圈和轴承外圈，轴承内圈和轴承外圈之间设置有滚动体，轴承内圈与滚动体接触面、轴承外圈与滚动体接触面都设置有类金刚石涂层。类金刚石涂层轴承的加工方法包括放靶材、预清洗、离子溅射沉积、成涂层四个步骤。本发明提供了一种类金刚石轴承及其加工方法，通过在轴承的表面镀有类金刚石的涂层，增强了轴承内圈和轴承外圈接触面的表面硬度和耐磨性，使轴承的寿命得到了显著的提高。

Description

一种类金刚石涂层轴承及离子溅射镀层机和轴承加工方法
技术领域
本发明涉及轴承加工领域，具体而言，涉及一种类金刚石涂层轴承及离子溅射镀层机和轴承加工方法。
背景技术
轴承是机械传动机构中的支承件，它的质量直接影响机械整机的工作性能。轴承在工作过程中承受压力、剪力及疲劳冲击摩擦等复杂受力。为了提高轴承的承载能力和恶劣环境下的机械性能，一致受到轴承工作者的重视。提高轴承疲劳性能的方法涉及材料、冶金、设计和加工能方面。随着科技的进步和各种新材料加工工艺的出现，不同类型的表面改性技术开始引起人们的兴趣。常见于轴承新能改善的表面改性方法有物理气相沉积、高速氧火焰喷涂、离子注入、离子溅射等方法。目前较为常见的方法为离子注入和离子溅射法。
但是，通过离子注入法得到的改性层较薄，使一些重要部件比如航空发动机主轴轴承经受住高速、重载下长期工作的考核，所以不适用于要求较高的轴承。
离子溅射形成保护涂层是改变金属材料表面性能的新方法。离子溅射涂层是在部分真空的溅射室中辉光放电，产生正的气体离子；在阴极(靶)和阳极(试样)间电压的加速作用下，荷正电的离子轰击阴极表面，使阴极表面材料原子化；形成的中性原子，从各个方向溅出，射落到试样的表面，于是在试样表面上形成一层均匀的涂层。通过离子溅射得到的薄膜均匀，并且具有良好的厚度，适合用于要求加高的轴承。
但目前阶段，离子溅射主要用于实验室进行科研研究用，并未用于工业化生产。造成目前这种情况的技术难题在于，离子溅射对于溅射环境要求较高，对于溅射设备要求较高。并且在传统的离子溅射作业中，涂层的沉积速率较低，使沉积产生不均匀的情况，使不同区域产生涂层厚度不同的情况，造成了轴承的无法使用。而在离子溅射沉积薄膜的过程中，影响涂层沉积速率的因素主要有离子源的束流、束压、真空度和温度。但是随着实际生产的发现，离子溅射设备中靶材、基板和夹具的各种物理状态，也是影响涂层沉积速率的一个不容忽视的原因。
目前在离子溅射实际生产中，离子源的束流、束压、真空度和温度都无法得到最优的方案，造成了生产过程中轴承涂层的厚度具有差异性。
目前离子溅射设备中，靶材通常智能晃动，无法在离子束轰击的方向上做往复运动，所以溅射形成的有效涂层趋于有限。现有的离子溅射还存在有效涂层面积小、膜厚均匀性不容易控制和涂层表面质量差的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种类金刚石涂层轴承，解决了轴承表面耐磨性和硬度不高的技术问题；本发明还提供了一种轴承的加工方法，解决了传统离子溅射法的有效镀膜面积小、膜厚均匀性不容易控制和镀膜表面质量差的技术问题，提供了一种镀膜面积大、膜厚均匀性以控制的镀膜表面质量高的轴承。
本发明是这样实现的：
一种用于加工类金刚石涂层轴承的离子溅射镀层机，包括真空室、离子源、真空泵、加热器、离子中和器、移动镀膜靶和旋转基板支架。移动镀膜靶、旋转基板支架相对设置且均位于真空室内，旋转基板支架驱动待镀层轴承旋转运动且设置有用于固定待镀层轴承的镀膜夹具；移动镀膜靶包括用于驱动靶材相对旋转基板之间作往复运动的直线机构。
进一步的，移动镀膜靶还包括用于放置靶材的靶材支架；所述靶材的两侧通过转轴设置在所述靶材支架的一端，所述靶材支架的另一端与所述直线运动机构连接。
一种利用离子溅射镀层机的类金刚石涂层轴承加工方法，包括以下步骤：
使用离子源对相对旋转基板作往复运动的由类金刚石材料制作而成的靶材进行轰击，将从移动镀膜靶溅射的靶材原子沉积在处于旋转运动的待镀层轴承表面形成涂层。
进一步的，使用离子源相对旋转基板作往复运动的靶材进行轰击之前，还包括利用射频溅射仪对真空室进行预清洗。
一种类金刚石涂层轴承加工方法，在使用离子源对相对旋转基板作往复运动的由类金刚石材料制作而成的靶材进行轰击时，真空室内通入达到预设工作压力的工作气体，工作气体包括氩气、氪气、氮气、乙炔、甲烷、氢气中的任一气体。
进一步的，工作气压为6.0～8.0Pa。
进一步的，将从移动镀膜靶溅射的靶材原子沉积在处于旋转运动的待镀层轴承表面的时间为14～17min。
一种基于以上类金刚石涂层轴承加工方法的类金刚石涂层轴承表面形成有涂层。
进一步的，类金刚石涂层轴承包括轴承本体。轴承本体包括轴承内圈和轴承外圈，轴承内圈和轴承外圈之间设置有滚动体。轴承内圈与滚动体接触面、轴承外圈与滚动体接触面都设置有类金刚石涂层。
进一步的，金刚石涂层的厚度为0.5～0.8μm。
上述方案的有益效果：
本发明提供了一种类金刚石轴承，通过在轴承的表面镀有类金刚石的涂层，增强了轴承内圈和轴承外圈接触面的表面硬度和耐磨性，使轴承的抗疲劳寿命得到了显著的提高。
本发明还提供了一种加工类金刚石轴承的方法，实现了轴承表面涂层的均匀、涂层结构致密，从而实现了轴承耐磨性和表面硬度的增强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明提供的轴承结构示意图；
图2为本发明提供的离子溅射装置结构示意图。
附图标记说明：
图标：100-类金刚石涂层轴承；200-离子溅射装置；110-轴承本体；111-轴承外圈；112-滚动体；113-轴承内圈；114-类金刚石涂层；201-真空室；202-离子源；203-真空泵；204-移动镀膜靶；205-加热器；206-直线运动机构；207-靶材；208-靶材支架；209-旋转基板支架；210-镀膜夹具；211-离子中和器。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下针对本发明实施例提供的类金刚石涂层轴承100进行具体说明：
由图1可知，类金刚石涂层轴承100包括轴承本体110，轴承本体110包括轴承内圈113和轴承外圈111，轴承内圈113和轴承外圈111之间设置有滚动体112，轴承内圈113与滚动体112接触面、轴承外圈111与滚动体112接触面都设置有类金刚石涂层114。类金刚石涂层的厚度为0.5～0.8μm，在本实施例中，类金刚石涂层114的厚度优选为0.6μm。
由图2可知，一种加工类金刚石涂层轴承100的离子溅射镀膜机200，包括真空室201、离子源202、真空泵203、加热器205、离子中和器211、移动镀膜靶204和旋转基板支架209。
移动镀膜靶204设置在真空室201内底部，旋转基板支架209设置在移动镀膜支架上方，旋转基板支架209设置有镀膜夹具210。移动镀膜靶204包括直线运动机构206、靶材支架208和靶材207。靶材207的两侧通过转轴设置在靶材支架208的一端，靶材支架208的另一端与直线运动机构206连接。
本实施例提供的离子溅射装置200，通过设置有直线运动机构206使靶材207相对离子束轰击方向可以调整位置，增加了有效涂层的面积。通过设置有镀膜夹具210可根据涂层均匀性调整其相对于靶材207的不同位置，使涂层均匀、应力减小，涂层均匀性容易控制。
本实施例提供的离子溅射装置200的工作原理如下：
将靶材207放置在靶材支架208上，把待涂层的轴承放置在镀膜夹具210上，开始进行溅射工作前，先对真空室201进行预清洗。清洗结束后，接通旋转基板支架209使带镀层轴承旋转，接通移动镀膜靶204使待镀层轴承向离子中和器211方向移动，接通离子中和器211轰击待镀层轴承表面，然后对移动镀膜靶204施加负电压，产生辉光发电，接通离子源202产生离子轰击靶材207表面，将靶材207原子从移动镀膜靶204表面溅射，沉积于待镀层轴承表面，形成涂层。
类金刚石涂层轴承100加工方法，具体包括以下步骤：
(1)放靶材207，将压制成型的类金刚石粉放置于靶材支架208，将待镀层轴承放置在所述镀膜夹具210上；
(2)预清洗，向真空室201内通入氩气并开启射频溅射仪对真空室201进行预清洗，射频溅射仪为13.5MHz、2kW的射频溅射仪；
(3)离子溅射沉积，对真空室201进行抽真空至8×10-5Pa，然后再通入氩气、氪气、氮气、乙炔、甲烷、氢气中的任一气体至6.0～8.0Pa，接通旋转基板支架209使带镀层轴承旋转，接通移动镀膜靶204使待镀层轴承向离子中和器211方向移动，接通离子中和器211轰击待镀层轴承表面14～17min，然后对移动镀膜靶204施加400～1000V的负电压，产生辉光发电，接通离子源202产生离子轰击靶材207表面，将靶材207原子从移动镀膜靶204表面溅射，沉积于待镀层轴承表面；
(4)成涂层，待靶材207原子在待镀层轴承表面堆积一段时间后，形成厚度为0.5～0.8μm的涂层，停止加工作业。
本实施例提供的离子溅射加工类金刚石轴承100的方法实现了轴承表面涂层的均匀、涂层结构致密，从而实现了轴承耐磨性和表面硬度的增强，经过被处理轴承内圈113、轴承外圈111表面的最大纳米硬度和弹性模量比未处理前轴承提高了270％和96％。
以下结合实施例对本发明的类金刚石涂层轴承的加工方法作进一步的详细描述。
实施例一
参阅图2，一种类金刚石涂层轴承的加工方法，具体包括以下步骤：
(1)放靶材207，将压制成型的类金刚石粉放置于靶材207支架，将待镀层轴承放置在所述镀膜夹具210上；
(2)预清洗，向真空室201内通入氩气并开启射频溅射仪对真空室201进行预清洗，射频参数为13.5MHz、2kW；
(3)离子溅射沉积，对真空室201进行抽真空至8×10-5Pa，然后再通入氩气至6.0Pa，接通旋转基板支架209使待镀层轴承旋转，接通移动镀膜靶204使待镀层轴承向离子中和器211方向移动，接通离子中和器211轰击待镀层轴承表面14min，然后对移动镀膜靶204施加400V的负电压，产生辉光发电，接通离子源202产生离子轰击靶材207表面，将靶材207原子从移动镀膜靶204表面溅射，沉积于待镀层轴承表面；
(4)成涂层，待靶材207原子在待镀层轴承表面堆积一段时间后，形成厚度为0.5μm的涂层，停止加工作业。
即得内圈沟道接触面和外圈沟道接触面涂有类金刚石涂层的轴承。将得到的类金刚石涂层轴承进行滚动接触疲劳寿命测试。
选用同批次的8套6308ETN1型轴承用于试验，套圈和钢球材料均为GCr15，保持架材料为聚酰胺PA66-GF25.采用离子溅射工艺对其中4套轴承进行离子溅射类金刚石表面处理，涂层位置为内、外圈沟道，膜厚0.5μm。
将8套轴承逐一编号，其中1～4号为涂层轴承，5～8号为未涂层轴承。将涂层轴承和未涂层轴承交叉进行两两分组，共分为四组。并将四组轴承先后转入同一台试验机进行试验，安装在不同的号位。试验时关闭试验机润滑油炉，轴承转速为5000r/min，径向荷载为2KN，连续运转8h后用Taylor、圆度仪等检测轴承内、外沟道涂层前后的圆度、表面粗糙度和沟曲率半径的变化，结果如表1所示。
表1涂层前后内、外沟道圆度、表面粗糙度和沟曲率半径对比。
从测试结果看，涂层前后的轴承的沟道圆度、沟曲率都有一定的变化，但变化并不大。轴承的表面粗糙度有降低，整体结果说明离子溅射类金刚石表面处理对轴承硬度和耐磨损效果有提高。
实施例二
参阅图2，一种类金刚石涂层轴承的加工方法，具体包括以下步骤：
(1)放靶材207，将压制成型的类金刚石粉放置于靶材支架208，将待镀层轴承放置在所述镀膜夹具210上；
(2)预清洗，向真空室201内通入氩气并开启射频溅射仪对真空室201进行预清洗，射频参数为13.5MHz、2kW；
(3)离子溅射沉积，对真空室201进行抽真空至8×10-5Pa，然后再通入氩气至7.0Pa，接通旋转基板支架209使待镀层轴承旋转，接通移动镀膜靶204使待镀层轴承向离子中和器211方向移动，接通离子中和器211轰击待镀层轴承表面15min，然后对移动镀膜靶204施加800V的负电压，产生辉光发电，接通离子源202产生离子轰击靶材207表面，将靶材207原子从移动镀膜靶204表面溅射，沉积于待镀层轴承表面；
(4)成涂层，待靶材207原子在待镀层轴承表面堆积一段时间后，形成厚度为0.6μm的涂层，停止加工作业。
即得内圈沟道接触面和外圈沟道接触面涂有类金刚石涂层的轴承。将得到的类金刚石涂层轴承进行滚动接触疲劳寿命测试。
选用同批次的8套7308/P4型轴承用于试验，套圈和钢球材料均为GCr15，保持架材料为聚酰胺PA66-GF30.采用离子溅射工艺对其中4套轴承进行离子溅射类金刚石表面处理，涂层位置为内、外圈沟道，膜厚0.5μm。
将8套轴承逐一编号，其中1～4号为涂层轴承，5～8号为未涂层轴承。将涂层轴承和未涂层轴承交叉进行两两分组，共分为四组。并将四组轴承先后转入同一台试验机进行试验，安装在不同的号位。试验时关闭试验机润滑油炉，轴承转速为5000r/min，径向荷载为2KN，连续运转8h后用Taylor、圆度仪等检测轴承内、外沟道涂层前后的圆度、表面粗糙度和沟曲率半径的变化，结果如表2所示。
表2涂层前后内、外沟道圆度、表面粗糙度和沟曲率半径对比。
从测试结果看，涂层前后的轴承的沟道圆度、沟曲率都有一定的变化，但变化并不大，说明离子溅射类金刚石对轴承精度影响不大。轴承的表面粗糙度降低较为明显，说明离子溅射类金刚石表面处理对轴承硬度和耐磨损效果有提高。
实施例三
参与图2，一种类金刚石涂层轴承的加工方法，具体包括以下步骤：
(1)放靶材207，将压制成型的类金刚石粉放置于靶材支架208，将待镀层轴承放置在所述镀膜夹具210上；
(2)预清洗，向真空室201内通入氩气并开启射频溅射仪对真空室201进行预清洗，射频参数为13.5MHz、2kW；
(3)离子溅射沉积，对真空室201进行抽真空至8×10-5Pa，然后再通入氩气至8.0Pa，接通旋转基板支架209使待镀层轴承旋转，接通移动镀膜靶204使待镀层轴承向离子中和器211方向移动，接通离子中和器211轰击待镀层轴承表面17min，然后对移动镀膜靶204施加1000V的负电压，产生辉光发电，接通离子源202产生离子轰击靶材207表面，将靶材207原子从移动镀膜靶204表面溅射，沉积于待镀层轴承表面；
(4)成涂层，待靶材207原子在待镀层轴承表面堆积一段时间后，形成厚度为0.8μm的涂层，停止加工作业。
即得内圈沟道接触面和外圈沟道接触面涂有类金刚石涂层的轴承。将得到的类金刚石涂层轴承进行滚动接触疲劳寿命测试。
选用同批次的8套7308/P4型轴承用于试验，套圈和钢球材料均为GCr15，保持架材料为聚酰胺PA66-GF30.采用离子溅射工艺对其中4套轴承进行离子溅射类金刚石表面处理，涂层位置为内、外圈沟道，膜厚0.8μm。
将8套轴承逐一编号，其中1～4号为涂层轴承，5～8号为未涂层轴承。将涂层轴承和未涂层轴承交叉进行两两分组，共分为四组。并将四组轴承先后转入同一台试验机进行试验，安装在不同的号位。试验时关闭试验机润滑油炉，轴承转速为5000r/min，径向荷载为2KN，连续运转8h后用Taylor、圆度仪等检测轴承内、外沟道涂层前后的圆度、表面粗糙度和沟曲率半径的变化，结果如表3所示。
表3涂层前后内、外沟道圆度、表面粗糙度和沟曲率半径对比。
从测试结果看，涂层前后的轴承的沟道圆度、沟曲率都有一定的变化，但变化并不大，说明离子溅射类金刚石对轴承精度影响不大。轴承的表面粗糙度降低较为明显，说明离子溅射类金刚石表面处理对轴承硬度和耐磨损效果有提高。
综上，由实施例一到实施例三可以看出，与实施例一和实施例三相比，实施例二中的表面粗糙度变化要到。说明，使用实施例二中的技术方案产生得到的类金刚石涂层轴承的耐磨性能好。与实施例一和实施例三相比，实施例二中的沟道圆度、沟曲率的变化度最小，说明使用实施例二的技术方案对轴承的精度影响最低。而实施例二是三个实施例中真空度、离子轰击时间、涂层厚度和通电强度处于中间的技术方案，由此可以看出，在一定的范围内，离子轰击时间、通电强度的提高会增加涂层厚度并提高轴承的耐磨度。也从侧面证明本发明中的技术方案解决的技术问题是突出的，实现的技术效果也是有效的。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种用于加工类金刚石涂层轴承的离子溅射镀层机，其特征在于，包括真空室、离子源、真空泵、加热器、离子中和器、移动镀膜靶和旋转基板支架；所述移动镀膜靶、所述旋转基板支架相对设置且均位于所述真空室内，所述旋转基板支架驱动待镀层轴承旋转运动且设置有用于固定所述待镀层轴承的镀膜夹具；所述移动镀膜靶包括用于驱动靶材相对所述旋转基板之间作往复运动的直线机构。
2.根据权利要求1所述的用于加工类金刚石涂层轴承的离子溅射镀层机，其特征在于，所述移动镀膜靶还包括用于放置靶材的靶材支架；所述靶材的两侧通过转轴设置在所述靶材支架的一端，所述靶材支架的另一端与所述直线运动机构连接。
3.一种基于权利要求1所述的离子溅射镀层机的类金刚石涂层轴承加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
使用离子源对相对所述旋转基板作往复运动的由类金刚石材料制作而成的靶材进行轰击，将从所述移动镀膜靶溅射的靶材原子沉积在处于所述旋转运动的所述待镀层轴承表面形成涂层。
4.根据权利要求3所述的类金刚石涂层轴承加工方法，其特征在于，所述使用离子源相对所述旋转基板作往复运动的靶材进行轰击之前，还包括利用射频溅射仪对真空室进行预清洗。
5.根据权利要求3所述的类金刚石涂层轴承加工方法，其特征在于，在所述使用离子源对相对所述旋转基板作往复运动的由类金刚石材料制作而成的靶材进行轰击时，所述真空室内通入达到预设工作压力的工作气体，所述工作气体包括氩气、氪气、氮气、乙炔、甲烷、氢气中的任一气体。
6.根据权利要求5所述的类金刚石涂层轴承加工方法，其特征在于，所述工作气压为6.0～8.0Pa。
7.根据权利要求3所述的类金刚石涂层轴承加工方法，其特征在于，将从所述移动镀膜靶溅射的靶材原子沉积在处于所述旋转运动的所述待镀层轴承表面的时间为14～17min。
8.一种基于权利要求3～7任意一项所述的类金刚石涂层轴承加工方法的类金刚石涂层轴承，其特征在于，类金刚石涂层轴承表面形成有所述涂层。
9.根据权利要求8所述类金刚石涂层轴承，其特征在于，所述类金刚石涂层轴承包括轴承本体；所述轴承本体包括轴承内圈和轴承外圈，所述轴承内圈和所述轴承外圈之间设置有滚动体；所述轴承内圈与所述滚动体接触面、所述轴承外圈与所述滚动体接触面都设置有类金刚石涂层。
10.根据权利要求9所述的类金刚石涂层轴承，其特征在于，所述金刚石涂层的厚度为0.5～0.8μm。
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