CN107217228A - 提高轴承耐磨性能的方法及轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了提高轴承耐磨性能的方法及轴承，该方法包括：对轴承基体表面进行渗氮处理；在经过所述渗氮处理的轴承基体的表面形成类金刚石涂层。该方法通过对渗氮处理的离子轰击作用，使得轴承基体表面晶格会发生畸变表层硬度增大，力学和耐腐蚀特性显著，类金刚石涂层能够有效发挥良好的力学性能和润滑减摩作用，该方法结合了渗氮和类金刚石涂层的工艺和性能优势，制备获得了高效耐磨涂层，轴承的耐磨性能和使用寿命得到明显改善。

Description

提高轴承耐磨性能的方法及轴承
技术领域
本发明涉及真空镀膜技术领域，具体的，涉及提高轴承耐磨性能的方法及轴承。
背景技术
滑动轴承和滚动轴承已广泛应用在工程机械和航空航天领域。轴承内孔和转轴在充分润滑状态下不易发生直接接触，然而在贫油或重载工况下轴承部件间的摩擦磨损会急剧增大，继而导致轴承寿命快速减小。为提升轴承耐磨寿命，科研人员通过在润滑油脂中添加耐磨添加剂进行了大量尝试并得到了不同程度的改善。但是长时间的运行过程当中润滑油脂会发生氧化变质等问题对润滑系统造成不利影响。
因而，目前关于增强轴承耐磨性能的研究仍有待深入。
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。
本发明是基于发明人的以下发现和认识而完成的：
发明人通过研究发现，通过表面涂层自润滑材料是提升轴承耐磨性能和使用寿命的有效手段。发明人经过深入研究发现，类金刚石碳涂层具有极高的硬度和化学稳定性以及低的摩擦系数，将其应用于轴承表面可以起到较好的润滑减磨作用。可是经过实验发现，常规制备的类金刚石涂层具有高的脆性和残余应力，不利于其润滑减摩性能的发挥。经过进一步探索和实验，在形成类金刚石涂层之前，预先对轴承基体进行渗氮处理，通过对轴承基体表面的离子轰击作用，轴承基体表面晶格会发生畸变表层硬度增大，力学和耐腐蚀特性增强，可以有效改善后续形成的类金刚石涂层的性能和与轴承基体的结合力，有效提高轴承的耐磨性能和使用寿命。为此，本发明的一个目的在于提出一种能够有效增强轴承耐磨性能和使用寿命的方法。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种提高轴承耐磨性能的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：对轴承基体表面进行渗氮处理；在经过所述渗氮处理的轴承基体的表面形成类金刚石涂层。发明人发现，该方法通过对渗氮处理的离子轰击作用，使得轴承基体表面晶格会发生畸变表层硬度增大，力学和耐腐蚀特性显著，类金刚石涂层能够有效发挥良好的力学性能和润滑减摩作用，该方法结合了渗氮和类金刚石涂层的工艺和性能优势，制备获得了高效耐磨涂层，轴承的耐磨性能和使用寿命得到明显改善。
根据本发明的实施例，在进行所述渗氮处理之前，预先对所述轴承基体进行预处理，所述预处理包括：将所述轴承基体依次在石油醚和酒精中进行清洗，得到洁净的轴承基体；将所述洁净的轴承基体进行等离子清洗。
根据本发明的实施例，所述等离子清洗是在等离子增强化学气相沉积设备中进行的，清洗条件为：真空度低于1.0×10-4Pa，氩气保护并控制在4～10Pa，偏压700～800V，导通比0.3～0.8，清洗30～60分钟。
根据本发明的实施例，形成所述轴承基体的材料包括轴承钢和铸铁中的至少之一。
根据本发明的实施例，所述渗氮处理是在等离子增强化学气相沉积设备中进行的，所述渗氮处理的条件为：脉冲偏压-900～1000V，导通比0.4～0.8，频率60～80Hz，氮气6～10Pa；渗氮50～100分钟。
根据本发明的实施例，所述类金刚石涂层是通过等离子增强化学气相沉积法形成的。
根据本发明的实施例，形成所述类金刚石涂层的条件为：偏压-900～1000V，导通比0.4～0.8，通入甲烷10～20Pa，沉积100～300分钟。
根据本发明的实施例，所述类金刚石涂层满足以下至少之一的条件：表面粗糙度小于1nm；厚度为1～5μm；微观硬度为25～30Gpa。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种轴承。根据本发明的实施例，该轴承是通过前面所述的方法增强耐磨性能后获得的。该轴承具有优异的耐磨性能和较长的使用寿命。
根据本发明的实施例，与所述轴承对磨的材料包括轴承钢、铜合金、氧化铝中的至少之一。
附图说明
图1显示了根据本发明一个实施例的提高轴承耐磨性能的方法的流程图。
图2显示了根据本发明另一个实施例的提高轴承耐磨性能的方法的流程图。
图3显示了根据本发明一个实施例的摩擦系数对比图。
图4显示了根据本发明一个实施例的磨痕形貌轮廓图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种提高轴承耐磨性能的方法。根据本发明的实施例，参照图1，该方法包括以下步骤：
S100：对轴承基体表面进行渗氮处理。
根据本发明的实施例，形成轴承基体的材料没有特别限制，可以为任何常规轴承用材料。在本发明的一些实施例中，形成轴承基体的材料可以包括轴承钢和铸铁中的至少之一。由此，原料来源广泛，成本较低，且具有良好的力学性能。
根据本发明的实施例，在进行所述渗氮处理之前，可以预先对所述轴承基体进行预处理，参照图2，所述预处理可以包括以下步骤：
S10：将所述轴承基体依次在石油醚和酒精中进行清洗，得到洁净的轴承基体。
根据本发明的实施例，利用石油醚和酒精对轴承基体清洗，可以有效去除轴承基体表面的灰尘、油污等杂质。根据本发明的实施例，清洗的时间和次数没有特别限制，只要满足清洗要求，本领域技术人员可以根据需要灵活选择。在本发明的一些实施例中，可以将在石油醚和酒精中分别清洗20分钟。
S20：将所述洁净的轴承基体进行干燥处理。
根据本发明的实施例，为了有效去除残留在轴承基体表面的残留液体，可以将经过清洗的轴承基体进行干燥处理，具体的，干燥处理的温度、时间没有特别限制，可以在干燥箱中进行干燥。由此，设备简单，操作方便，条件温和。
S30：将经过干燥处理的轴承基体进行等离子清洗。
根据本发明的实施例，为了进一步深度清洁轴承基体，利于后续处理，可以进一步对经过干燥处理的轴承基体进行等离子清洗。根据本发明的实施例，进行等离子清洗的具体设备和条件没有特别限制，只要能够满足清洗要求，本领域技术人员可以根据需要灵活选择。在本发明的一些实施例中，等离子清洗是在等离子增强化学气相沉积设备中进行的，清洗条件为：真空度低于1.0×10-4Pa，氩气保护并控制在4～10Pa，偏压700～800V，导通比0.3～0.8，清洗30～60分钟。由此，可以获得较佳的清洗效果，利于后续渗氮处理和类金刚石涂层的形成，进而利于提高轴承的耐磨性能。
根据本发明的实施例，进行渗氮处理的具体设备、条件没有特别限制，只要能够使得轴承基体表面晶格会发生畸变表层硬度增大，力学和耐腐蚀特性显著改善即可。在本发明的一些实施例中，所述渗氮处理是在等离子增强化学气相沉积设备中进行的，所述渗氮处理的条件为：脉冲偏压-900～1000V，导通比0.4～0.8，频率60～80Hz，氮气6～10Pa；渗氮50～100分钟。在上述设备、条件下进行渗氮处理，可以优于其他条件发挥作用，有效改善轴承基体表面的晶格情况，进而大大改善轴承基体表面的力学、耐腐蚀性能，并且使得轴承基体更易于与类金刚石涂层结合，且获得的类金刚石涂层具有优异的耐磨性能。
S200：在经过所述渗氮处理的轴承基体的表面形成类金刚石涂层。
根据本发明的实施例，形成类金刚石涂层的方法和条件没有特别限制，可以根据实际需要灵活选择。在本发明的一些实施例中，所述类金刚石涂层是通过等离子增强化学气相沉积法形成的。由此，通过该方法形成的类金刚石涂层具有良好的结合力，且具有理想的耐磨性能和较长的使用寿命。在本发明的一些实施例中，形成所述类金刚石涂层的条件为：偏压-900～1000V，导通比0.4～0.8，通入甲烷10～20Pa，沉积100～300分钟。由此，可以在最佳的条件下形成类金刚石涂层，使得轴承具有理想的耐磨性能和较长的使用寿命。
根据本发明的实施例，在上述条件下获得的类金刚石涂层可以满足一下至少之一的条件：表面粗糙度小于1nm；厚度为1～5μm；微观硬度为25～30Gpa。由此，能够发挥良好的耐磨性能，明显提高使用寿命。
发明人发现，该方法通过对渗氮处理的离子轰击作用，使得轴承基体表面晶格会发生畸变表层硬度增大，力学和耐腐蚀特性显著，类金刚石涂层能够有效发挥良好的力学性能和润滑减摩作用，该方法结合了渗氮和类金刚石涂层的工艺和性能优势，制备获得了高效耐磨涂层，轴承的耐磨性能和使用寿命得到明显改善。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种轴承。根据本发明的实施例，该轴承是通过前面所述的方法增强耐磨性能后获得的。该轴承具有优异的耐磨性能和较长的使用寿命，可以有效用于汽车和起重机等工程机械，也可为作动器等航空航天用滑动轴承。与未按照上述方法增强耐磨性能的轴承相比，不论对偶材料是金属还是非金属，类金刚石涂层均具有优异的润滑减磨特性，说明该涂层可以满足多种轴承材料配副的应用需求。此外，在不同载荷下，该涂层保持了良好的摩擦学特性，为其在多工况下尤其是重载工况下工作奠定了基础。
根据本发明的实施例，与所述轴承对磨的材料包括轴承钢、铜合金、氧化铝中的至少之一。由此，可以明显改善轴承的耐磨性能和使用寿命。
实施例1：在GCr15轴承基体上原位渗氮处理制备类金刚石涂层强化轴承的耐磨特性
(1)轴承基体首先采用石油醚和酒精经过前期预清洗处理，并放入干燥箱烘干。
(2)轴承基体放入PECVD设备腔体后，对腔体抽真空达1x10-4Pa以下，进行腔体等离子清洗：清洗条件为：氩气保护并控制在10Pa，偏压800V，导通比0.6,清洗30分钟。
(3)轴承基体原位渗氮：采用PECVD设备，提供脉冲偏压设置为-1000V，导通比0.8，频率80Hz；，氮气10Pa；渗氮100分钟。
(4)表面类金刚石沉积：采用PECVD设备，偏压-1000V，导通比0.8，通入甲烷20Pa，沉积涂层150分钟。
经过实验检测，制备获得的轴承样品表面粗糙度在0.7nm，类金刚石涂层厚度在2.3微米，其微观硬度在28Gpa。
性能检测：工程实践中用轴承材料主要有轴承钢和铜合金以及陶瓷材料等，因此选取以上不同材料作为对磨材料，在液压油润滑状态下，进行摩擦测试，摩擦系数对比图见图3，图3中，1-轴承钢球与原位渗氮类金刚石涂层(即按照上述步骤(1)至(4)制备获得的轴承样品)对磨，2-轴承钢球与轴承钢对磨，3-轴承钢球与铜合金对磨，5-铜合金球与原位渗氮类金刚石涂层对磨，6-铜合金球与轴承钢对磨，7-铜合金球与铜合金对磨，9-氧化铝陶瓷球与原位渗氮类金刚石涂层对磨，10-氧化铝陶瓷球与轴承钢对磨，11-氧化铝陶瓷球与铜合金对磨，摩擦半个小时之后测得磨痕形貌轮廓见图4，最大磨痕深度对比结果见表1。
表1
由图3和图4可知，与轴承钢对磨过程中，原位渗氮类金刚石涂层摩擦系数明显较铜合金低，虽然与轴承钢的摩擦系数比较接近，然而原位渗氮类金刚石涂层耐磨特性更为突出，不论对磨材料是铜合金还是陶瓷材料，该涂层均具有最为优异的润滑特性。由图4可以看出，与轴承钢球对磨之后，该原位渗氮类金刚石涂层表面几乎无磨损产生，而铜合金和轴承钢基体均产生了不同程度的磨痕深度。此外，磨痕深度统计如表1所示，可发现无论对磨材料和对照的基体材料如何变化，该原位渗氮类金刚石涂层均具有最为优异的减磨性能。总之，该原位渗氮类金刚石涂层具有优异的耐磨稳定性，满足多种机械场合的需求。
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 (10)

1.一种提高轴承耐磨性能的方法，其特征在于，包括：
对轴承基体表面进行渗氮处理；
在经过所述渗氮处理的轴承基体的表面形成类金刚石涂层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行所述渗氮处理之前，预先对所述轴承基体进行预处理，所述预处理包括：
将所述轴承基体依次在石油醚和酒精中进行清洗，得到洁净的轴承基体；
将所述洁净的轴承基体进行等离子清洗。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等离子清洗是在等离子增强化学气相沉积设备中进行的，清洗条件为：真空度低于1.0×10-4Pa，氩气保护并控制在4～10Pa，偏压700～800V，导通比0.3～0.8，清洗30～60分钟。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述轴承基体的材料包括轴承钢和铸铁中的至少之一。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述渗氮处理是在等离子增强化学气相沉积设备中进行的，所述渗氮处理的条件为：脉冲偏压-900～1000V，导通比0.4～0.8，频率60～80Hz，氮气6～10Pa；渗氮50～100分钟。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述类金刚石涂层是通过等离子增强化学气相沉积法形成的。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，形成所述类金刚石涂层的条件为：偏压-900～1000V，导通比0.4～0.8，通入甲烷10～20Pa，沉积100～300分钟。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述类金刚石涂层满足以下至少之一的条件：
表面粗糙度小于1nm；
厚度为1～5μm；
微观硬度为25～30Gpa。
9.一种轴承，其特征在于，是通过权利要求1-8中任一项所述的方法增强耐磨性能后获得的。
10.根据权利要求9所述的轴承，其特征在于，与所述轴承对磨的材料包括轴承钢、铜合金、氧化铝中的至少之一。
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