CN108411244A - 一种提高M50NiL轴承钢表面摩擦学性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种提高M50NiL轴承钢表面摩擦学性能的方法，属于材料表面改性技术领域，采用真空脉冲渗碳技术对M50NiL轴承钢基材表面进行渗碳和高温回火处理；然后进行淬火和回火处理；去除M50NiL轴承钢基材的表面白亮层；通过多靶非磁控溅射技术对M50NiL轴承钢基材表面沉积结合层铬金属层、Cr→GLC梯度层和GLC基固体润滑薄膜，本发明方法将表面渗碳技术和非平衡磁控溅射技术相结合，一方面，通过渗碳技术对M50NiL轴承钢表面进行强化，为GLC基固体润滑薄膜提供良好的支撑；另一方面，利用非平衡磁控溅射技术制备具有良好自适应性和摩擦学性能的GLC基固体润滑膜，显著提高M50NiL轴承钢表面的减摩抗磨性能。

Description

一种提高M50NiL轴承钢表面摩擦学性能的方法
技术领域
本发明涉及材料表面改性技术领域，具体为一种提高M50NiL轴承钢表面摩擦学性能的方法。
背景技术
M50NiL钢是20世纪80年代成功研制的新一代高温高强度轴承钢，广泛应用于第三代航空发动机主轴轴承，关于其在抗疲劳特性方面已有了大量研究，但关于其表面减摩抗磨性能的论述并不多。目前，我国航空轴承主要采用油、脂润滑以减小摩擦，并利用表面渗碳技术以提高轴承摩擦表面机械性能和抗磨能力。
随着航空技术和机械工业的快速发展，航空发动机不断向大推重比、长寿命和高可靠性方向发展，同时对航空主轴滚动轴承的转速、工作温度、承载能力等指标也提出了更高的要求。目前，传统的油、脂润滑在低于300℃、低载荷环境中，才能发挥良好的润滑性能，因此航空轴承在温度升高、发动机起动/停止、工作模式转换及恶劣工况等条件下，轴承内圈和滚动体不可避免发生摩擦磨损，导致轴承磨损失效。航空发动机主轴轴承一旦磨损失效，很可能造成轴承卡死，严重的甚至导致发动机抱轴、断轴等灾难性后果，不仅会造成严重的经济损失，还可能导致灾难性的人员伤亡和恶劣的社会影响。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种提高M50NiL轴承钢表面摩擦学性能的方法，提高M50NiL轴承钢表面的减摩抗磨性能，降低轴承摩擦失效的风险。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种提高M50NiL轴承钢表面摩擦学性能的方法，包括如下步骤：
步骤S1，采用真空脉冲渗碳技术对M50NiL轴承钢基材表面进行渗碳和高温回火处理；
步骤S2，将步骤S1中得到的M50NiL轴承钢基材进行淬火和回火处理；
步骤S3，去除步骤S2中得到的M50NiL轴承钢基材的表面白亮层；
步骤S4，采用多靶非磁控溅射技术对步骤S3中得到的M50NiL轴承钢基材表面沉积结合层铬金属层、Cr→GLC梯度层和GLC基固体润滑薄膜。
可选的，步骤S1中，真空脉冲渗碳时，每个渗碳周期包括一段强渗碳过程(通入乙炔气体)和一段扩散过程(停止充气并抽真空)，其中，扩散过程的时间为强渗碳过程时间的4倍，渗碳温度为890～920℃，优选900℃，渗碳时间为5.8～6.2h，优选6h，渗碳后进行两次高温回火，回火温度为700～750℃，优选700℃，保温时间为410～430min，优选420min。
可选的，步骤S1中，M50NiL轴承钢基材的渗碳深度约1.5mm；渗碳后表面硬度达7.5GPa。
可选的，步骤S2中，淬火时，保温温度为1050℃～1110℃，保温85～95min后淬火，优选90min后淬火；
在-70℃冷处理60min，在530～550℃下回火处理175～185min，优选180min，重复进行一次-70℃冷处理和回火处理。
可选的，步骤S3中，去除M50NiL轴承钢基材表面的白亮层，并进行磨削和抛光，使表面粗糙度不大于0.05μm。
可选的，步骤S4包括：
在多靶非平衡磁控溅射系统中安装高纯碳靶和掺杂元素靶材，当真空度至1×10-6托时，通入高纯Ar，利用辉光放电对M50NiL轴承钢基材表面和靶材表面进行等离子体辉光刻蚀清洗，其中，负偏压-600V，占空比50％，直流电源保持0.6A，M50NiL轴承钢基材清洗完成后，保持Ar气氛真空镀为0.4Pa，设置偏压为-100V，占空比50％；
在M50NiL轴承钢基材表面制备结合层铬金属层：Ar气流量16sccm，负偏压-100V，Cr靶电流3A，C靶电流0A，沉积300s；
在结合层铬金属层上制备Cr→GLC梯度层：控制Cr靶电流从3A线性减小到0.35A，C靶电流由0A线性增加至3A，Ar气流量16sccm，偏压-600V，沉积300s；
在Cr→GLC梯度层上制备GLC基固体润滑薄膜：Ar流量16sccm，偏压-600V，Cr靶电流保持为0.35A，C靶电流保持为3A，沉积时间约10800s。
可选的，步骤S4中，结合层铬金属层的厚度为200nm。
可选的，结合层铬金属层、Cr→GLC梯度层和GLC基固体润滑薄膜三层的总厚度约为2μm。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开一种提高M50NiL轴承钢表面摩擦学性能的方法，采用真空脉冲渗碳技术对M50NiL轴承钢基材表面进行渗碳和高温回火处理；然后进行淬火和回火处理；去除M50NiL轴承钢基材的表面白亮层；通过多靶非磁控溅射技术对M50NiL轴承钢基材表面沉积结合层铬金属层、Cr→GLC梯度层和GLC基固体润滑薄膜，本发明方法将表面渗碳技术和非平衡磁控溅射技术相结合，一方面，通过渗碳技术对M50NiL轴承钢表面进行强化，为GLC基固体润滑薄膜提供良好的支撑；另一方面，利用非平衡磁控溅射技术制备具有良好自适应性和摩擦学性能的GLC基固体润滑膜，显著提高M50NiL轴承钢表面的减摩抗磨性能。
进一步的，本发明提供的一种提高M50NiL轴承钢表面摩擦学性能的方法，在M50NiL轴承钢基材上依次沉积结合层铬金属层、Cr→GLC梯度层和GLC基固体润滑薄膜，显著提高了类石墨薄膜与M50NiL轴承钢基底的膜-基结合力和摩擦性能，而且适用于大气干摩擦和航空油等润滑环境。
附图说明
图1为本发明实施例提供的M50NiL轴承钢表面结构示意图；
图2为本发明实施例2和对比例2的纳米硬度值的对比图；
图3为对比例2的划痕法声发射信号图；
图4为本发明实施例2的划痕法声发射信号图；
图5为本发明实施例2和对比例1、对比例2在10N载荷条件下的摩擦系数对比图；
图6为本发明实施例2和对比例2往复摩擦试验摩擦率对比图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
1)真空脉冲渗碳处理
表面渗碳处理采用真空脉冲渗碳法，每个脉冲周期包含一段强渗碳过程即通入渗碳气体和一段扩散过程即停止充气并抽真空，而且扩散过程时间为强渗碳过程时间的4倍，渗碳温度为900℃，时间6h。渗碳后进行两次高温回火，回火温度约700℃，保温时间约420min；
2)淬火、回火处理
保温温度为1050-1110℃，保温时间90min后淬火；在-70℃冷处理60min，在530-550℃下回火处理180min；重复进行一次-70℃冷处理和回火处理。
3)M50NiL轴承钢基材的抛光与清洗
依次使用400～600、800～1000、1200以及2000目的砂纸对M50NiL轴承钢基材表面进行粗磨和细磨至无明显横纵向磨痕，再使用抛光绒布和金刚石抛光膏对细磨后的样品进行抛光处理，直至样品的表面粗糙度达到Ra＝0.05μm。
经抛光处理后的M50NiL轴承钢基材，在装夹镀膜前须先后采用丙酮和无水乙醇进行超声波清洗2次，每次15分钟，并迅速用高纯氮气吹干。
4)氩离子刻蚀清洗
利用机械泵和分子泵将腔体内真空度抽至1×10-6托时，通入高纯Ar(30sccm)，利用辉光放电对M50NiL轴承钢基材表面和靶材表面进行等离子体辉光刻蚀清洗30min。主要工艺参数为：负偏压-600V，占空比50％，直流电源保持0.6A。基底清洗完成后，保持Ar气氛真空镀为0.4Pa，设置偏压为-100V，占空比50％；
5)结合层铬金属层沉积
利用四靶非平衡磁控溅射系统，在M50NiL轴承钢表面沉积金属铬结合层，其中1号和3号对靶位安装高纯碳靶、2号和4号靶位安装Cr靶。主要工艺参数为Ar气流量16sccm，负偏压-100V，Cr靶电流3A，C靶电流0A，沉积时间约300s。
6)Cr→GLC梯度层沉积
利用四靶非平衡磁控溅射系统，控制2、4靶位Cr靶电流从3A线性减小到0.35A，同时控制1、3号C靶电流由0A线性增加至3A，Ar气流量16sccm，偏压-600V，沉积时间约300s。
7)Cr/GLC固体润滑薄膜沉积
利用四靶非平衡磁控溅射系统，在Cr→GLC梯度结构上沉积Cr/GLC目标层，主要工艺参数为：Ar流量16sccm，偏压-600V，2、4靶位的Cr靶电流均保持为0.35A，1、3号C靶电流均保持为3A，沉积时间10800s。
实施例2
1)真空脉冲渗碳处理
表面渗碳处理采用真空脉冲渗碳法，每个脉冲周期包含一段强渗碳过程即通入渗碳气体和一段扩散过程即停止充气并抽真空，而且扩散过程时间为强渗碳过程时间的4倍，渗碳温度为900℃，时间约6h。渗碳后进行两次高温回火，回火温度约700℃，保温时间约420min。
2)淬火、回火处理
保温温度为1050-1110℃，保温时间90min后淬火；在-70℃冷处理60min，在530-550℃下回火处理180min；重复进行一次-70℃冷处理和回火处理。
3)M50NiL轴承钢基材的抛光与清洗
依次使用400～600、800～1000、1200以及2000目的砂纸对M50NiL轴承钢基材进行粗磨和细磨至无明显横纵向磨痕，再使用抛光绒布和金刚石抛光膏对细磨后的M50NiL轴承钢基材表面进行抛光处理，直至M50NiL轴承钢基材的表面粗糙度达到Ra＝0.05μm。
经抛光处理后的M50NiL轴承钢基材，在装夹镀膜前须先后采用丙酮和无水乙醇进行超声波清洗2次，每次15分钟，并迅速用高纯氮气吹干。
4)氩离子刻蚀清洗
利用机械泵和分子泵将腔体内真空度抽至1×10-6托时，通入高纯Ar流量30sccm，利用辉光放电对M50NiL轴承钢基材表面和靶材表面进行等离子体辉光刻蚀清洗30min。主要工艺参数为：负偏压-600V，占空比50％，直流电源保持0.6A。基底清洗完成后，保持Ar气氛真空镀为0.4Pa，设置偏压为-100V，占空比50％；
5)结合层沉积
利用四靶非平衡磁控溅射系统，在M50NiL轴承钢基材表面沉积金属铬结合层，其中1号和3号对靶位安装高纯碳靶、2号靶位安装Cr靶、4号靶位安装WC靶，主要参数为Ar气流量16sccm，负偏压-100V，Cr靶电流3A，C靶电流0A，沉积时间约300s。
6)梯度层沉积
利用四靶非平衡磁控溅射系统，控制Cr靶电流从3A线性减小到0A，同时控制C靶电流由0A线性增加至3.5A，Ar气流量16sccm，偏压-600V，沉积时间约300s；
7)WC/GLC目标层沉积
利用四靶非平衡磁控溅射系统，在Cr→GLC梯度结构上沉积WC/GLC目标层，主要工艺参数为：Ar流量16sccm，偏压-70V，WC靶电流从0A逐渐增大到0.4A，高纯C靶电流保持3.5A，Cr靶电流为0A，沉积时间为20000s。
对比例1
某传统M50NiL钢表面渗碳制备方法：
1)采用两段式渗碳
利用爱协林双室渗碳炉，碳势I为0.3％-0.4％，保温35min，碳势Ⅱ为0.95-1.05％，渗碳温度为900℃，保温330min；渗碳结束后试样转至左室，左室温度为815℃，碳势为0.9-0.95％，保温35min，保温气氛为氮气冷却。
2)高温回火
采用真空炉对M50NiL钢试样进行高温回火处理，回火温度为(700±10)℃，保温时间为180min-210min，冷却方式为充氮气冷。
3)淬火
保温温度为(1080±30)℃，保温时间为90min后淬火，在-70℃冷处理60min，在500-550℃下回火处理180min。重复进行一次-70℃冷处理和回火处理。
4)磨削、抛光加工
采用普通磨削工艺和精密磨削工艺进行磨削加工，获得试样表面粗糙度约为0.4μm。在采用金刚石抛光膏进行抛光至表面粗糙度Ra＝0.05μm左右。
对比例2
在M50NiL钢表面沉积WC/GLC方法：
1)基体的抛光与清洗
依次使用400～600、800～1000、1200以及2000目的砂纸对M50NiL基体试样进行粗磨和细磨至无明显横纵向磨痕，再使用抛光绒布和金刚石抛光膏对细磨后的样品进行抛光处理，直至样品的表面粗糙度达到Ra＝0.05μm左右。
经抛光处理后的基材，在装夹镀膜前须先后采用丙酮和无水乙醇进行超声波清洗2次，每次15分钟，并迅速用高纯氮气吹干。
2)结合层沉积
利用四靶非平衡磁控溅射系统，在M50NiL基底表面沉积金属铬结合层，其中1号和3号对靶位安装高纯碳靶、2号靶位安装Cr靶、4号靶位安装WC靶。主要工艺参数为：Ar气流量16sccm，负偏压-100V，Cr靶电流3A，C靶电流0A，沉积时间约300s。
3)WC/GLC目标层沉积
利用四靶非平衡磁控溅射系统，在金属Cr结合层上沉积WC/GLC目标层，主要工艺参数为：Ar流量16sccm，偏压-70V，WC靶电流为0.4A，高纯C靶电流保持3.5A，Cr靶电流为0A，沉积时间为20000s。
如图1所示，为本发明实施例提供的M50NiL轴承钢表面结构示意图。
如图2所示，从图中可以看出本发明提出的方法实施例2较对比例2(未渗碳处理直接沉积WC/GLC)，具有更高的纳米硬度。
对比图3和图4，通过对比划痕法测试的声发射信号可知，对比例2膜-基结合力约为11.8N，而本发明实施例2的膜-基结合力可达到52.2N，较对比例2的膜-基结合力提高了约4.4倍。
如图5所示，本发明提出的方法实施例2较对比例1(传统渗碳处理)，摩擦系数分别降低了近10倍；较对比例2(未渗碳处理直接沉积WC/GLC)，摩擦系数降低约42.6％。
如图6所示，本发明提出的方法实施例2较对比例2，在5N、10N和15N载荷条件，磨损率分别降低了约48.4％、42.9％和31.2％。
需要说明的是，为了简单描述，上述实施例是根据具体的实施方式将其表述为一系列的步骤组合，但并不能认定本发明的具体实施方式仅限于此。在本发明的精神和原则之内，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种变形和改进，而这些变形和改进落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明所必需的，而且在不冲突的情况下，本发明实施例及实施例中的特征可以相互组合。此外，本发明实施例中选用沉积的薄膜为Cr/GLC和WC/GLC，但本发明沉积的薄膜不仅限于此，还可以是GLC、W/GLC等石墨基薄膜。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种提高M50NiL轴承钢表面摩擦学性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，采用真空脉冲渗碳技术对M50NiL轴承钢基材表面进行渗碳和高温回火处理；
步骤S2，对经步骤S1处理的M50NiL轴承钢基材进行淬火和回火处理；
步骤S3，去除经步骤S2处理后的M50NiL轴承钢基材的表面白亮层；
步骤S4，采用多靶非磁控溅射技术在步骤S3处理后的M50NiL轴承钢基材表面逐层沉积结合层铬金属层、Cr→GLC梯度层和GLC基固体润滑薄膜。
2.如权利要求1所述的一种提高M50NiL轴承钢表面摩擦学性能的方法，其特征在于，步骤S1中，渗碳采用真空脉冲渗碳，真空脉冲渗碳时，每个渗碳周期包括强渗碳过程和扩散过程，其中，扩散时间与强渗碳时间的时长比为1：4，渗碳温度890～920℃，渗碳时间为5.8～6.2h，渗碳后进行两次高温回火，回火温度700～750℃，保温时间410～430min。
3.如权利要求1所述的一种提高M50NiL轴承钢表面摩擦学性能的方法，其特征在于，步骤S1中，M50NiL轴承钢基材的渗碳深度为1.4～1.6mm，渗碳后表面硬度达7.5GPa。
4.如权利要求1所述的一种提高M50NiL轴承钢表面摩擦学性能的方法，其特征在于，步骤S2中，淬火时，保温温度为1050℃～1110℃，保温85～95min后淬火；
在-70℃冷处理55～65min，在530～550℃下回火处理175～185min，然后再重复进行一次-70℃冷处理和回火处理。
5.如权利要求1所述的一种提高M50NiL轴承钢表面摩擦学性能的方法，其特征在于，步骤S3中，去除M50NiL轴承钢基材表面的白亮层，并进行磨削和抛光，使表面粗糙度达到0.05μm。
6.如权利要求1所述的一种提高M50NiL轴承钢表面摩擦学性能的方法，其特征在于，步骤S4包括：
在多靶非平衡磁控溅射系统中安装高纯碳靶和掺杂元素靶材，当真空度至1×10-6托时，通入高纯Ar，利用辉光放电对M50NiL轴承钢基材表面和靶材表面进行等离子体辉光刻蚀清洗，其中，负偏压-600V，占空比50％，直流电源保持0.6A，M50NiL轴承钢基材清洗完成后，保持Ar气氛真空度为0.4Pa，设置偏压为-100V，占空比50％；
在M50NiL轴承钢基材表面制备结合层铬金属层：Ar气流量16sccm，负偏压-100V，Cr靶电流3A，C靶电流0A，沉积300s；
在结合层铬金属层上制备Cr→GLC梯度层：控制Cr靶电流从3A线性减小到0.35A，C靶电流由0A线性增加至3A，Ar气流量16sccm，偏压-600V，沉积300s；
在Cr→GLC梯度层上制备GLC基固体润滑薄膜：Ar流量16sccm，偏压-600V，Cr靶电流保持为0.35A，C靶电流保持为3A，沉积时间为10800s。
7.如权利要求1或6所述的一种提高M50NiL轴承钢表面摩擦学性能的方法，其特征在于，步骤S4中，结合层铬金属层的厚度为200～240nm。
8.如权利要求1或6所述的一种提高M50NiL轴承钢表面摩擦学性能的方法，其特征在于，步骤S4中，结合层铬金属层、Cr→GLC梯度层和GLC基固体润滑薄膜的总厚度为2～3μm。
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