CN110923630B - 一种超高速电机轴承表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高速电机轴承表面处理方法，包括以下步骤：1)表面喷砂处理：对轴承进行干喷表面处理，处理后表面粗糙度Ra不大于0.5；2)高温下气体刻蚀：利用真空腔室对轴承进行进一步表面处理，真空腔室内温度为0‑650℃；3)喷涂聚合物纳米颗粒涂层：对轴承基体表面喷涂纳米复合涂层；4)抛光处理；5)离子束沉积超硬超韧涂层：利用低能磁过滤沉积技术对轴承基体进行表面沉积，以TiSi靶为阴极材料，起弧电流为100‑140A，沉积时通入乙炔和氮气，乙炔和氮气的比值大于4：1。本发明通过采用耦合气体离子源技术、离子注入技术、磁过滤沉积技术以及热喷涂技术对轴承进行表面处理，以提高超高速电机的起停次数等关键技术指标。

Description

一种超高速电机轴承表面处理方法
技术领域
本发明涉及电机轴承加工技术领域，更具体的说是涉及一种超高速电机轴承表面处理方法。
背景技术
超高速电机轴承主要为空气轴承(FAB)，它在正常运转过程中以周围空气作为润滑剂，与静压气体轴承相比，不需要额外的供气系统，使系统得以简化；与传统油润滑系统相比，去除了油润滑系统，机器重量大幅度减小，还有降低摩擦功耗、对工作介质和环境无污染等优点，同时打破了工作温度和速度的限制，从而性能得以大幅度地提高。
我国在超高速无油空气压缩机领域无自主知识产权和批量化产品，技术水平与国外差距较大。其中，作为气体动压轴承的设计以及抗磨减磨关键技术，是我国高端装备制造业亟需攻克的“卡脖子”技术。
因此，如何提供一种超高速电机轴承表面处理方法，解决现有技术存在的缺陷，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明针对超高速轴承中的抗磨减磨技术，提出了一种超高速电机轴承的表面处理方法；通过采用耦合气体离子源技术、离子注入技术、磁过滤沉积技术以及热喷涂技术对轴承进行表面处理，以提高超高速电机的起停次数等关键技术指标。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超高速电机轴承表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)表面喷砂处理
对轴承进行干喷表面处理，处理后表面粗糙度Ra不大于0.5；喷砂处理作用为在表面形成压应力以及提高表面比表面积；
2)高温下气体刻蚀
利用真空腔室对轴承进行进一步表面处理，真空腔室内温度为0-650℃；在处理过程中轴承最高温度可达800℃；高温气体刻蚀的作用为轴承进行退火提高韧性，同时去除表面氧化物，提高后续结合强度；
3)喷涂聚合物纳米颗粒涂层
对轴承基体表面喷涂纳米复合涂层；喷涂的纳米复合涂层中包括MoS2纳米颗粒(10-40％)、石墨纳米颗粒(20-50％)、粘结剂(1-10％)、TiO2纳米颗粒(0-5％)、Ag纳米颗粒(0-15％)、金刚石纳米颗粒(0-20％)；其中MoS2纳米颗粒、石墨纳米颗粒作用为润滑作用，TiO2纳米颗粒起到纳米复合涂层的填充作用，Ag纳米颗粒为高温润滑，金刚石涂层为硬度支撑作用。该类涂层在低温、高温下均具备润滑效果；能够随着温度的变化自我调节润滑颗粒；
4)抛光处理
步骤3)喷涂处理后膜层偏厚或均匀性偏差时需要对表面进行抛光处理；
5)离子束沉积超硬超韧涂层
利用低能磁过滤沉积技术对轴承基体进行表面沉积，以TiSi靶为阴极材料，起弧电流为100-140A，沉积时通入乙炔和氮气，乙炔和氮气的比值大于4：1。
优选的，所述步骤1)中干喷表面处理采用600-1000目氧化铝。
优选的，所述步骤2)中气体刻蚀为考夫曼离子源，离子能量为1-5keV，束流强度1-200mA。
优选的，所述步骤5)中真空度为1×10-2-1×10-1A，束流强度为0.1-1.5A；沉积膜层厚度0.1-5μm；膜层硬度1500-3000HV；硬度和弹性模量的比值H3/E2>0.15。
优选的，所述步骤5)中的超硬超韧涂层为氮碳硅钛和无定形碳复合涂层(TiSiNC+a：C)。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明有益效果如下：
1、本发明公开的一种超高速电机轴承的处理方法，通过对轴承进行表面喷砂以及高温气体刻蚀处理，去除表面氧化物，以及在微观层面提高表面的粗糙度，这样的基底层乃至后续热喷涂的纳米颗粒复合膜层的结合力都非常好，从而使其抗剥离强度得以增强；
2、相比于传统的在空气箔片上热喷涂聚合物纳米复合涂层，本发明在轴承上采用聚合物纳米涂层和超韧超硬涂层的方式，能大幅提超高速电机的起停次数，可在高低温域0-650℃进行使用,起停次数在2万次以上；
3、相比于传统的单一磁控、多弧等技术在轴承上沉积膜层，本发明耦合了聚合物及纳米颗粒的复合结构能够大幅降低整体涂层的内应力，在离子束技术提高涂层整体硬度的同时能够保持其韧性。
4、相比于传统的热喷涂涂层，本发明喷涂的纳米复合涂层中包括MoS2纳米颗粒、石墨纳米颗粒、粘结剂、TiO2纳米颗粒、Ag纳米颗粒、金刚石纳米颗粒；其中MoS2纳米颗粒、石墨纳米颗粒作用为润滑作用，TiO2纳米颗粒起到纳米复合涂层的填充作用，Ag纳米颗粒为高温润滑，金刚石涂层为硬度支撑作用。该类涂层在低温、高温下均具备润滑效果；能够随着温度的变化自我调节润滑颗粒。
5、本发明中采用喷涂工艺与离子束沉积相结合，即韧性涂层与超硬涂层结合可大幅提高轴承的耐磨特性，提高其起停次数；
同时，离子束制备的超韧涂层：利用TiSi靶进行TiSiNC+a：C膜层体系沉积，沉积时通入氮气和乙炔，氮气和乙炔比值不大于1：4，通过磁场强度和负压的调控能制备膜层致密性高、韧性好的涂层。
6、相比于多弧等沉积技术，离子束沉积时靶原子的离化率为100％，膜层致密性好，同时成相结构精确可控，同时离子能量、方向精确可控更容易实现超韧膜层的沉积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的工艺流程图；
图2附图为本发明实施例3制备的膜层光学图；
图3附图为本发明实施例3热喷涂膜层摩擦系数；
图4为实施例3步骤3)制备的涂层截面和表面SEM图；
图5为实施例3处理的超高速电机轴承表面的XRD图谱；
图6为实施例3处理的超高速电机轴承表面的XRS图；
图7为实施例3处理的超高速电机轴承表面的洛氏压坑判定膜层韧性；
图8为实施例3处理的超高速电机轴承表面在500度和常温下的摩擦系数测试图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种超高速电机轴承表面处理方法，包括以下步骤：
1)表面喷砂处理
采用600目氧化铝对轴承进行干喷表面处理，处理后表面粗糙度Ra为0.4；
2)高温下气体刻蚀
在真空腔室对轴承进行进一步表面处理，真空腔室内温度为10℃；气体刻蚀为考夫曼离子源，离子能量为1keV，束流强度200mA；
3)喷涂聚合物纳米颗粒涂层
对轴承基体表面喷涂纳米复合涂层；喷涂的纳米复合涂层中包括MoS2纳米颗粒10％、石墨纳米颗粒50％、粘结剂10％、TiO2纳米颗粒5％、Ag纳米颗粒15％、金刚石纳米颗粒10％；
4)抛光处理
步骤3)喷涂处理后膜层偏厚或均匀性偏差时需要对表面进行抛光处理；
5)离子束沉积超硬超韧涂层(氮碳硅钛和无定形碳复合涂层)
利用低能磁过滤沉积技术对轴承基体进行表面沉积，以TiSi靶为阴极材料，起弧电流为100A，沉积时通入乙炔和氮气，真空度为1×10-2A，乙炔和氮气的比值为5：1，束流强度为0.1A；沉积膜层厚度0.1μm；膜层硬度1500HV；硬度和弹性模量的比值H3/E2>0.15。
实施例2
一种超高速电机轴承表面处理方法，包括以下步骤：
1)表面喷砂处理
采用1000目氧化铝对轴承进行干喷表面处理，处理后表面粗糙度Ra为0.3；
2)高温下气体刻蚀
在真空腔室对轴承进行进一步表面处理，真空腔室内温度为650℃；气体刻蚀为考夫曼离子源，离子能量为5keV，束流强度1mA；
3)喷涂聚合物纳米颗粒涂层
对轴承基体表面喷涂纳米复合涂层；喷涂的纳米复合涂层中包括MoS2纳米颗粒40％、石墨纳米颗粒20％、粘结剂1％、TiO2纳米颗粒5％、Ag纳米颗粒14％、金刚石纳米颗粒20％；
4)抛光处理
步骤3)喷涂处理后膜层偏厚或均匀性偏差时需要对表面进行抛光处理；
5)离子束沉积超硬超韧涂层(氮碳硅钛和无定形碳复合涂层)
利用低能磁过滤沉积技术对轴承基体进行表面沉积，以TiSi靶为阴极材料，起弧电流为140A，沉积时通入乙炔和氮气，真空度为1×10-1A，乙炔和氮气的比值为6：1，束流强度为1.5A；沉积膜层厚度5μm；膜层硬度3000HV；硬度和弹性模量的比值H3/E2>0.15。
实施例3
一种超高速电机轴承表面处理方法，包括以下步骤：
1)表面喷砂处理
采用800目氧化铝对轴承进行干喷表面处理，处理后表面粗糙度Ra为0.3；
2)高温下气体刻蚀
在真空腔室对轴承进行进一步表面处理，真空腔室内温度为300℃；气体刻蚀为考夫曼离子源，离子能量为2keV，束流强度100mA；
3)喷涂聚合物纳米颗粒涂层
对轴承基体表面喷涂纳米复合涂层；喷涂的纳米复合涂层中包括MoS2纳米颗粒30％、石墨纳米颗粒30％、粘结剂5％、TiO2纳米颗粒5％、Ag纳米颗粒10％、金刚石纳米颗粒20％；
4)抛光处理
步骤3)喷涂处理后膜层偏厚或均匀性偏差时需要对表面进行抛光处理；
5)离子束沉积超硬超韧涂层(氮碳硅钛和无定形碳复合涂层)
利用低能磁过滤沉积技术对轴承基体进行表面沉积，以TiSi靶为阴极材料，起弧电流为120A，沉积时通入乙炔和氮气，真空度为1×10-1A，乙炔和氮气的比值5：1，束流强度为1A；沉积膜层厚度2.5μm；膜层硬度2500HV；硬度和弹性模量的比值H3/E2>0.15。
实施例4
一种超高速电机轴承表面处理方法，包括以下步骤：
1)表面喷砂处理
采用700目氧化铝对轴承进行干喷表面处理，处理后表面粗糙度Ra为0.3；
2)高温下气体刻蚀
在真空腔室对轴承进行进一步表面处理，真空腔室内温度为1℃；气体刻蚀为考夫曼离子源，离子能量为2keV，束流强度50mA；
3)喷涂聚合物纳米颗粒涂层
对轴承基体表面喷涂纳米复合涂层；喷涂的纳米复合涂层中包括MoS2纳米颗粒40％、石墨纳米颗粒50％、粘结剂10％；
4)抛光处理
步骤3)喷涂处理后膜层偏厚或均匀性偏差时需要对表面进行抛光处理；
5)离子束沉积超硬超韧涂层(氮碳硅钛和无定形碳复合涂层)
利用低能磁过滤沉积技术对轴承基体进行表面沉积，以TiSi靶为阴极材料，起弧电流为120A，沉积时通入乙炔和氮气，真空度为1×10-2A，乙炔和氮气的比值为6：1，束流强度为1.5A；沉积膜层厚度3μm；膜层硬度2000HV；硬度和弹性模量的比值H3/E2>0.15。
进一步地，本发明以实施例3处理的超高速电机轴承表面进行试验，如
图2所示，图2为本发明制备的热喷涂膜层光学图；
图3为实施例3步骤3)热喷涂膜层摩擦系数示意图，从图中可以看出，摩擦系数平均为0.13；
图4为实施例3步骤3)制备的涂层截面和表面SEM图，其中(a)为截面，(b)为表面；
图5为实施例3处理的超高速电机轴承表面的XRD图谱，从图中可以得知，涂层中仅有TiC/TiN的衍射峰，TiC/TiN的晶体结构一致，晶格参数非常接近，因此标注为TiCN,同时未发现Si3N4的衍射峰。
图6为实施例3处理的超高速电机轴承表面的XRS图，结合XPS数据可知:薄膜中存在TiCN晶体结构，Si3N4与部分C以非晶态的形式存在；薄膜中各元素原子比见表1：
表1
元素 相对原子含量at.％
Ti 26.22
Si 9.85
C 34.42
N 29.51
图7为实施例3处理的超高速电机轴承表面的洛氏压坑判定膜层韧性；
图8为实施例3最终钛硅碳氮与热喷涂整体膜层在500度和常温下的摩擦系数测试图。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种超高速电机轴承表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）表面喷砂处理
对轴承进行干喷表面处理，处理后表面粗糙度Ra不大于0.5；
2）高温下气体刻蚀
利用真空腔室对轴承进行进一步表面处理，真空腔室内温度为0-650℃；
3）喷涂聚合物纳米颗粒涂层
对轴承基体表面喷涂纳米复合涂层；纳米复合涂层包括：MoS2纳米颗粒10-40%、石墨纳米颗粒20-50%、粘结剂1-10%、TiO2纳米颗粒0-5%、Ag纳米颗粒0-15%、金刚石纳米颗粒0-20%；
4）抛光处理
步骤3）喷涂处理后膜层偏厚或均匀性偏差时需要对表面进行抛光处理；
5）离子束沉积超硬超韧涂层
利用低能磁过滤沉积技术对轴承基体进行表面沉积，以TiSi靶为阴极材料，起弧电流为100-140A，沉积时通入乙炔和氮气，乙炔和氮气的比值大于4：1。
2.根据权利要求1所述的一种超高速电机轴承表面处理方法，其特征在于，所述步骤1）中干喷表面处理采用600-1000目氧化铝。
3.根据权利要求1所述的一种超高速电机轴承表面处理方法，其特征在于，所述步骤2）中气体刻蚀为考夫曼离子源，离子能量为1-5keV，束流强度1-200mA。
4.根据权利要求1所述的一种超高速电机轴承表面处理方法，其特征在于，所述步骤5）中束流强度为0.1-1.5A；沉积膜层厚度0.1-5μm；膜层硬度1500-3000HV；硬度和弹性模量的比值H3/E2>0.15。
5.根据权利要求1所述的一种超高速电机轴承表面处理方法，其特征在于，所述步骤5）中的超硬超韧涂层为氮碳硅钛和无定形碳复合涂层。
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