CN106521407A - 处理cronidur30轴承钢的方法、强化cronidur30轴承钢以及轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种处理cronidur30轴承钢的方法、强化cronidur30轴承钢以及轴承，所述方法包括：采用金属高能离子和大束流气体离子对cronidur30轴承钢进行交替轰击，以便在所述cronidur30轴承钢表面注入金属离子和气体离子，其中，首先在所述cronidur30轴承钢表面注入金属离子，最后一次在cronidur30轴承钢表面注入气体离子，并且在所述cronidur30轴承钢表面注入至少两种不同的金属离子。该方法可以解决cronidur30轴承钢材料表面失氮而导致的材料性能降低的问题，同时可以显著提高cronidur30轴承钢的抗磨减摩性能。

Description

处理cronidur30轴承钢的方法、强化cronidur30轴承钢以及 轴承

技术领域

本发明属于金属材料的表面强化处理领域，具体而言，本发明涉及一种处理cronidur30轴承钢的方法、强化cronidur30轴承钢以及轴承。

背景技术

cronidur30、M50NiL和M50轴承钢材料是在现有阶段航空轴承大量使用的高温轴承材料，cronidur30材料的氮代替部分轴承钢中的碳元素，避免了较多的碳形成较大的碳化物或者碳化物的网络化合物，因而具有较好的耐腐蚀性能和耐高温性能而在轴承行业具有较广的行业推广价值。cronidur30材料制作的轴承通常需要在重负载下维持高转速，工作环境比较恶劣，在这种情况下极易发生磨损失效，因此对轴承材料的抗磨损性能提出了更高的要求，目前常常采用传统的热处理工艺对cronidur30轴承钢进行表面处理，但传统的扩渗技术导致材料严重脱氮使材料的表面性能变差，虽然通过改进热处理工艺可以对脱氮问题有所改善，但是仍然满足不了航空发动机轴承的抗磨损性能要求，急需开发新的表面改性工艺提升此类材料的抗磨损性能，要求在真空中一次进行热处理和不损失表面的氮元素。

因此，现有的cronidur30轴承钢的表面处理技术有待进一步改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种处理cronidur30轴承钢的方法、强化cronidur30轴承钢以及轴承，该方法可以解决cronidur30轴承钢材料表面失氮而导致的材料性能降低的问题，同时可以显著提高cronidur30轴承钢的抗磨减摩性能。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种处理cronidur30轴承钢的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：

采用金属高能离子和大束流气体离子对cronidur30轴承钢进行交替轰击，以便在所述cronidur30轴承钢表面注入金属离子和气体离子，

其中，首先在所述cronidur30轴承钢表面注入金属离子，最后一次在cronidur30轴承钢表面注入气体离子，并且在所述cronidur30轴承钢表面注入至少两种不同的金属离子。

由此，根据本发明实施例的处理cronidur30轴承钢的方法通过采用高低能交替、多次高能金属离子轰击注入不同金属元素，这种多元素离子束表面改性的方法可以解决cronidur30轴承钢材料表面失氮而导致的材料性能降低的问题，同时可以显著提高cronidur30轴承钢的抗磨减摩性能。

另外，根据本发明上述实施例的处理cronidur30轴承钢的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，采用金属高能离子和大束流气体离子对所述cronidur30轴承钢进行交替轰击是在真空度为3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa条件下进行的。

在本发明的一些实施例中，所述气体离子为氮离子或氩离子。

在本发明的一些实施例中，所述金属离子为锆离子、钛离子、钽离子、铬离子或钼离子。

在本发明的一些实施例中，所述大束流气体离子采用纯度为99.99％的气源，每一次离子束的引出电压为0.1kV，轰击束流为0.1A，时间为30分钟。

在本发明的一些实施例中，所述金属高能离子的金属源采用纯度为99.8％的金属靶材，每一次离子束的引出电压为45kV，剂量为0.5×10¹⁷ions/cm²。

在本发明的一些实施例中，所述处理cronidur30轴承钢的方法进一步包括：在采用金属高能离子和大束流气体离子对所述cronidur30轴承钢进行交替轰击之前，预先对所述cronidur30轴承钢表面进行去油脂、去锈点、去杂质、去有机物残留、超声清洗。

在本发明的第二个方面，本发明提出了一种强化cronidur30轴承钢。根据本发明的实施例，所述强化cronidur30轴承钢是采用上述所述的方法制备得到的。由此，该强化cronidur30轴承钢具有优异的抗磨减摩性能。

在本发明的第三个方面，本发明提出了一种轴承。根据本发明的实施例，所述轴承是采用上述所述的强化cronidur30轴承钢制备得到的。由此，该轴承具有优异的抗磨减摩性能，从而显著提高其使用寿命。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是未强化和强化后cronidur30轴承钢的摩擦磨损性能对比曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本申请是基于本申请发明人的下列发现完成的：cronidur30材料制作的轴承通常需要在重负载下维持高转速，工作环境比较恶劣，在这种情况下极易发生磨损失效，因此对轴承材料的抗磨损性能提出了更高的要求，目前热处理常常由于失氮导致材料的表面性能变差，通过改进热处理工艺在低温和高温条件下进行热处理，但仍然存在热处理脱氮的问题，满足不了航空发动机轴承的抗磨损性能要求，急需开发新的表面改性工艺提升此类材料的抗磨损性能，要求在真空中一次进行热处理和不损失表面的氮元素。本发明的发明人通过对cronidur30轴承钢的强化工艺进行积极探索，旨在解决现有技术中的缺陷，得到具有较高的抗磨减摩性能的强化cronidur30轴承钢。

为此，在本发明的一个方面，本发明提出了一种处理cronidur30轴承钢的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：采用金属高能离子和大束流气体离子对cronidur30轴承钢进行交替轰击，以便在所述cronidur30轴承钢表面注入金属离子和气体离子，其中，首先在所述cronidur30轴承钢表面注入金属离子，最后一次在所述轴承钢表面注入气体离子，并且在所述cronidur30轴承钢表面注入至少两种不同的金属离子。

发明人发现，通过采用高低能交替、多次高能金属离子轰击注入不同金属元素，这种多元素离子束表面改性的方法可以解决cronidur30轴承钢材料表面失氮而导致的材料性能降低的问题，同时可以显著提高cronidur30轴承钢的抗磨减摩性能。这主要是由于高低能离子交替轰击cronidur30轴承钢材料，在其表层形成了大量非晶和弱晶结构﹑稳定或亚稳氮化物，使得大量空位和位错弥散分布于基体上，多种因素的耦合强化，大幅度的提高了材料的表面强度和韧性，同时，高能离子轰击所形成的表层非晶态，限制了位错的外溢形成驻留滑移带，提高了抗接触疲劳性能；并且高能离子轰击所产生过饱和固溶强化，形成大量的填隙和置换固溶体，引起晶格畸变，导致材料表面压应力增加，从而抑制疲劳裂纹的萌生和拓展而延长轴承寿命，另外，高能离子轰击对提高高精密轴承的摩擦磨损性能具有独特的优势，高能离子轰击可不改变轴承尺寸的条件下改善材料的表面状态、滑移特性和各向异性，同时可形成固溶强化、析出相弥散强化和残余压应力来增强零件的抗疲劳特性。因此用高能离子轰击对cronidur30材料进行表面处理，使cronidur30材料拥有更优良的性能，以满足航空、航天发动机的性能要求。

根据本发明的一个实施例，采用金属高能离子和大束流气体离子对cronidur30轴承钢进行交替轰击是在真空度为3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa条件下进行的。具体的，将cronidur30轴承钢材料放到真空室试样台上，抽真空至真空度为3.0×10^-4Pa～1.8×10^{- 3}Pa后，使真空室试样台沿自身轴线匀速缓慢旋转的同时，用高能离子轰击机对cronidur30轴承钢材料试件进行表面改性。

根据本发明的再一个实施例，在cronidur30轴承钢表面注入的气体离子可以为氮离子或氩离子。由此，通过注入氮离子可以补充由于热处理和机械加工造成cronidur30轴承钢表面氮元素的损失，而且可以大幅度的增加cronidur30轴承钢表面氮的含量，从而进一步强化cronidur30轴承钢表面的力学性能(比如增加硬度和强度)，而通过注入氩离子可以显著增加注入元素的扩渗深度，进而提高离子注入的影响深度和提高cronidur30轴承钢材料的性能。

根据本发明的又一个实施例，大束流气体离子可以采用纯度为99.99％的气源，每一次离子束的引出电压为0.1kV，轰击束流为0.1A，时间为30分钟。发明人发现，若引出电压过低，导致能量不足以产生二次级联碰撞，无法进一步扩渗注入元素的深度，而电流过低，产生的热峰效应小，也影响扩渗深度，而若电压过高，产生二次注入和增大溅射效应，容易形成注入过饱和，而电流过大，可能造成材料快速升温而导致材料回火。

根据本发明的又一个实施例，在cronidur30轴承钢表面注入的金属离子可以为锆离子、钛离子、钽离子、铬离子或钼离子。发明人发现，注入该类金属元素后，由于注入后是超饱和固溶体，远超过冶金平衡状态的固溶度，使得注入元素可以形成置换、填隙和空位，而且这些元素也可以形成二元或者三元的化合物，与位错形成钉扎效应，这些效应能减缓裂纹点产生和裂纹扩展，因而起到提高抗疲劳性能，提高硬度和抗磨减摩性能。

根据本发明的又一个实施例，金属高能离子的金属源可以采用纯度为99.8％的金属靶材，每一次离子束的引出电压为45kV，剂量为0.5×10¹⁷ions/cm²。发明人发现，若电压过高，注入强化的同时也会带来辐照损伤，还将导致注入元素的能量过高，而过高的能量会引起金属大量的辐照损伤效应，从而降低材料的性能；注入剂量过低，起不到强化作用，而剂量过高，注入会形成一个饱和区，也即离子注入到材料内的含量不再增强，增加的都是辐照损伤，反而带来副作用。

根据本发明的又一个实施例，在采用金属高能离子和大束流气体离子对cronidur30轴承钢进行交替轰击之前，预先对所述cronidur30轴承钢表面进行去油脂、去锈点、去杂质、去有机物残留、超声清洗。

具体的，在采用金属高能离子和大束流气体离子对cronidur30轴承钢进行交替轰击之前，首先采用金属除脂溶剂去除cronidur30轴承钢材料上油脂，使其表面不能有油脂，避免注入过程中的污染，然后将待处理的cronidur30轴承钢材料放入无污染的四氯乙烯中浸泡30分钟后取出，再用宣纸吸净残留溶剂后，用脱脂棉擦拭试样表面，最后用干净的丝绸进行擦拭；然后用金属除锈溶剂浸泡清洗cronidur30轴承钢材料10～20分钟，去除材料表面锈点；接着将经过上述前处理过的cronidur30轴承钢材料放入丙酮中，超声清洗30分钟后取出使用干净绸布擦干，擦干时，在材料的光滑表面上沿同一方向进行擦拭，保证其表面没有水渍和杂质残留，并且试件的特殊部位重点擦拭，试件的其他部位保证其表面没有水渍和杂质残留，同时，不使用已经被污染、浸湿的绸布对试件进行擦拭，然后采用具有有机物清除功能的金属清洗剂浸泡清洗cronidur30轴承钢材料10～20分钟，使金属试样表面不能有有机物残留；最后将处理过的cronidur30材料放入去离子水中，超声清洗30分钟后取出，逐个使用干净绸布擦洗、擦干并放置于烘箱中烘干30分钟。需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需要对采用的金属除脂溶剂、金属除锈溶剂和金属清洗剂的具体类型进行选择，例如金属除脂溶剂可以采用市售普通金属除油脂溶剂，成分包括碳酸钠、硅酸钠、洗涤剂、氢氧化钠、溶剂水等；清洗用的四氯乙烯为市售普通有机溶剂，也可用其他有机溶剂代替；金属除锈溶剂可以为市售普通除锈剂，成分包括：有机酸、缓蚀剂、去离子水、表面活性剂等；金属清洗剂可以为是由非离子表面活性剂、有机碱和纯水混合组成的一种环保金属清洗剂。

在本发明的第二个方面，本发明提出了一种强化cronidur30轴承钢。根据本发明的实施例，所述强化cronidur30轴承钢是采用上述所述的方法制备得到的。由此，该强化cronidur30轴承钢具有优异的抗磨减摩性能。需要说明的是，上述针对处理cronidur30轴承钢的方法所描述的特征和优点同样适用于该强化cronidur30轴承钢，此处不再赘述。

在本发明的第三个方面，本发明提出了一种轴承。根据本发明的实施例，所述轴承是采用上述所述的强化cronidur30轴承钢制备得到的。由此，该轴承具有优异的抗磨减摩性能，从而显著提高其使用寿命。需要说明的是，上述针对强化cronidur30轴承钢所描述的特征和优点同样适用于该轴承，此处不再赘述。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例

首先用金属除脂溶剂去除cronidur30轴承钢材料上油脂，使其表面不能有油脂，然后将待处理的cronidur30轴承钢材料放入无污染的四氯乙烯中浸泡30分钟后取出，再用宣纸吸净残留溶剂后，用脱脂棉擦拭试样表面，最后用干净的丝绸进行擦拭；再用金属除锈溶剂浸泡清洗cronidur30轴承钢材料15分钟，去除材料表面锈点；然后将其放入丙酮中，超声清洗30分钟后取出使用干净绸布擦干；接着采用具有有机物清除功能的金属清洗剂浸泡清洗cronidur30轴承钢材料15分钟，使金属试样表面不能有有机物残留，最后将处理过的cronidur30轴承钢材料放入去离子水中，超声清洗30分钟后取出，逐个使用干净绸布擦洗、擦干并放置于烘箱中烘干30分钟，得到前处理过的cronidur30轴承钢材料；然后将经过前处理过的cronidur30轴承钢材料放到真空室试样台上，抽真空至真空度为3.0×10^-4Pa后，真空室试样台沿自身轴线匀速缓慢旋转的同时，用高能离子轰击机对cronidur30材料试件进行表面改性，先注入金属锆离子，然后用大束流氮离子轰击注入氮离子，接着注入金属钛离子，然后再用大束流氮离子轰击注入氮离子，然后再注入锆离子，接着再用大束流氮离子轰击注入氮离子，然后再注入钛离子，最后采用氮离子轰击处理强化，其中，金属源采用纯度为99.8％的金属靶，气体离子源采用纯度为99.9％的氮气，第一次注入锆离子的高能离子轰击参数为：引出电压为45kV，注入剂量为0.5×10¹⁷ions/cm²，第一次氮离子轰击的离子束热处理参数为：引出电压为0.1kV，轰击束流为0.1A，时间为30分钟，第一次注入钛离子的高能离子轰击参数为：引出电压为45kV，注入剂量为0.5×10¹⁷ions/cm²，第二次氮离子轰击的离子束热处理参数为：引出电压为0.1kV，轰击束流为0.1A，时间为30分钟，第二次注入钛离子的高能离子轰击参数为：引出电压为45kV，注入剂量为0.5×10¹⁷ions/cm²，第三次氮离子轰击的离子束热处理参数为：引出电压为0.1kV，轰击束流为0.1A，时间为30分钟，第二次注入钛离子的高能离子轰击参数为：引出电压为45kV，注入剂量为0.5×10¹⁷ions/cm²，第四次氮离子轰击的离子束热处理参数为：引出电压为0.1kV，轰击束流为0.1A，时间为30分钟，最后将高低能离子束处理后的cronidur30轴承钢材料放入丙酮中清洗30分钟，并将其真空密封封存。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明采用交替、多次高低能离子轰击cronidur30轴承钢材料，这种多元素注入的方法可以提高材料的耐磨减摩性能。参考图1，对cronidur30轴承钢材料进行摩擦磨损试验,试验参数负载50g，转速100rmp，摩擦半径r＝3mm。试验后的结果表明，进行高能离子轰击后的cronidur30轴承钢材料与未注入的cronidur30轴承钢材料相比，强化后的cronidur30轴承钢的摩擦磨损性能提高了近3倍，且在循环载荷的作用下，强化后的cronidur30轴承钢比未注入的cronidur30轴承钢材料的耐磨性能延长了近1倍。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种处理cronidur30轴承钢的方法，其特征在于，所述方法包括：

采用金属高能离子和大束流气体离子对cronidur30轴承钢进行交替轰击，以便在所述cronidur30轴承钢表面注入金属离子和气体离子，

其中，首先在所述cronidur30轴承钢表面注入金属离子，最后一次在cronidur30轴承钢表面注入气体离子，并且在所述cronidur30轴承钢表面注入至少两种不同的金属离子。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用金属高能离子和大束流气体离子对所述cronidur30轴承钢进行交替轰击是在真空度为3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa条件下进行的。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述气体离子为氮离子或氩离子。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述金属离子为锆离子、钛离子、钽离子、铬离子或钼离子。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述大束流气体离子采用纯度为99.99％的气源，每一次离子束的引出电压为0.1kV，轰击束流为0.1A，时间为30分钟。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属高能离子的金属源采用纯度为99.8％的金属靶材，每一次离子束的引出电压为45kV，剂量为0.5×10¹⁷ions/cm²。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：在采用金属高能离子和大束流气体离子对所述cronidur30轴承钢进行交替轰击之前，预先对所述cronidur30轴承钢表面进行去油脂、去锈点、去杂质、去有机物残留、超声清洗。

8.一种强化cronidur30轴承钢，其特征在于，所述强化cronidur30轴承钢是采用权利要求1-7中任一项所述的方法得到的。

9.一种轴承，其特征在于，所述轴承是采用权利要求8所述的强化cronidur30轴承钢制备得到的。