CN112853261A - 一种温度自适应润滑轴承及其制备方法 - Google Patents

一种温度自适应润滑轴承及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种温度自适应润滑轴承及其制备方法，轴承基体材料为轴承钢或不锈钢，基体材料表面具有ZrAgNbN+MoTeVC交替分布的温度自适应润滑叠层涂层，该叠层涂层至少含有10层ZrAgNbN层和10层MoTeVC层，且ZrAgNbN与MoTeVC单个层的厚度小于等于300nm；该涂层采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在轴承基体表面制备。该轴承在工作温度较低时，MoTeVC涂层能够起到润滑作用，温度较高时，ZrAgNbN、MoTeVC及空气中氧气会发生反应生成Ag3VO4和Ag2MoO4高温润滑相，从而能够起到润滑作用。该轴承在宽温度范围或交变温度条件下均具有良好的润滑功效，可有效减小轴承磨损，提高轴承寿命。

Description

一种温度自适应润滑轴承及其制备方法
技术领域
本发明属于轴承制造技术领域，特别涉及了一种ZrAgNbN+MoTeVC温度自适应润滑轴承及其制备方法。
背景技术
轴承是工业中使用极其普遍的关键零件，其基本功能是为旋转机械和摆动机械提供受力支撑和运动转换，降低设备在传动过程中的摩擦系数，以保证设备的正常工作。轴承工作过程中存在较大的摩擦磨损，使用过程通常需要使用润滑剂。自润滑技术能够实现轴承无油润滑，突破润滑油或润滑脂等使用的局限性，开发新型的低磨损及长寿命的自润滑轴承对先进制造业具有重要意义。然而，如何提高宽温度范围或交变温度条件下轴承润滑性能成为轴承工作过程存在的难题。
中国专利“申请号：200910061165.9”报道了一种薄壁镶嵌自润滑轴承及其制造方法，该轴承基材表面加工出盲孔，通过将固体润滑剂压入盲孔中，从而实现轴承的自润滑功能。中国专利“申请号：201910511263.1”报道了一种减摩抗磨自润滑涂层轴承及其制备方法，该轴承通过等离子体喷涂方法，在基体表面制备硬质合金层、氮化硅陶瓷层和立方氮化硼层复合润滑涂层，实现工作过程中的润滑功效。中国专利“申请号：201710547274.6”报道了一种自润滑轴承及其制备方法，通过激光熔覆方法在含铬合金钢轴承基体表面制备出石墨烯/氟化钙/陶瓷自润滑涂层，从而实现轴承本身的自润滑功能。
发明内容
发明目的：为克服现有技术的不足，本发明提供一种温度自适应润滑轴承及其制备方法。通过在轴承基体表面制备交替分布的温度自适应润滑涂层，使得轴承在宽温域及交变温度范围内均具有良好的自适应润滑功效，从而减小轴承工作过程中的摩擦磨损，提高轴承寿命。
技术方案：本发明的一种温度自适应润滑轴承，基体材料为轴承钢或不锈钢，基体表面具有ZrAgNbN+MoTeVC交替分布的温度自适应润滑叠层涂层。
上述叠层涂层至少含有10层ZrAgNbN层和10层MoTeVC层，且ZrAgNbN与MoTeVC单个层的厚度小于等于300nm。
本发明的一种温度自适应润滑轴承，ZrAgNbN涂层中Zr元素原子百分比为30-50％，Ag元素原子百分比为10-20％，Nb元素原子百分比为5-20％，N元素原子百分比为20-40％，所述Zr、Ag、Nb、N元素原子百分比之和为100％；MoTeVC涂层中Mo元素原子百分比为20-25％，Te元素原子百分比为40-50％，V元素原子百分比为10-20％，C元素原子百分比为10-20％，所述Mo、Te、V、C元素原子百分比之和为100％。
本发明的一种温度自适应润滑轴承，其制备方法包括以下步骤：
(1)前处理：将轴承基体依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20-30min，去除表面油渍污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空度为7.0×10-3-9.0×10-3Pa，加热至150-300℃，保温时间30-40min；
(2)离子清洗：通入Ar气，其压力为0.5-2.0Pa，开启偏压电源，电压为700-1000V，占空比为0.25-0.3，辉光放电清洗20-30min；偏压降低至300-800V，开启离子源离子清洗20-30min，开启电弧源Zr靶，偏压为400-600V，靶电流为40-80A，离子轰击Zr靶0.5-2min；
(3)沉积ZrAgNbN层：调整工作气压为0.5-3.0Pa，偏压为100-300V，调整Zr靶电流为80-160A，开启AgNbN复合靶电弧电源，靶电流调至60-90A，沉积ZrAgNbN涂层2-5min；
(4)沉积MoTeVC层：关闭Zr靶和AgNbN复合靶，调整工作气压为0.5-2.0Pa，偏压为200-400V，开启MoTe2靶和VC靶电弧电源，MoTe2靶电流为80-120A，VC靶电流为60-70A，沉积MoTeVC涂层2-5min；
(5)沉积ZrAgNbN+MoTeVC交替叠层涂层：重复以上步骤(3)和(4)，交替沉积ZrAgNbN+MoTeVC叠层涂层，使涂层总厚度为2-50μm；
(6)后处理：关闭所有靶材、偏压电源及气体源，保温30-60min，涂层结束。
有益效果：1.本发明的轴承在宽温域工作范围内具有良好的自适应润滑作用；工作温度较低时，MoTeVC涂层能够起到润滑作用；工作温度较高时，ZrAgNbN、MoTeVC及空气中氧气会发生反应生成Ag3VO4和Ag2MoO4高温润滑相，从而能够在高温环境下起到良好的润滑作用，减小工作过程中轴承摩擦磨损，提高轴承寿命；2.ZrAgNbN+MoTeVC叠层涂层提高了单一涂层的性能，增加了轴承适用范围。
附图说明
图1为本发明的温度自适应润滑轴承结构示意图，图2为本发明的深沟球轴承剖面示意图；其中：1为轴承基体材料，2为ZrAgNbN层，3为MoTeVC层，4为ZrAgNbN+MoTeVC交替叠层涂层，5为内圈基体，6为外圈基体，7为滚珠。
具体实施方式
实例1：本发明的一种温度自适应润滑轴承，基体材料为GCr15轴承钢，基体表面具有ZrAgNbN+MoTeVC交替分布的温度自适应润滑叠层涂层。该叠层涂层含有10层ZrAgNbN层和10层MoTeVC层，且ZrAgNbN与MoTeVC单个层的厚度为300nm。
上述温度自适应润滑轴承，ZrAgNbN涂层中Zr元素原子百分比为50％，Ag元素原子百分比为10％，Nb元素原子百分比为10％，N元素原子百分比为30％，所述Zr、Ag、Nb、N元素原子百分比之和为100％；MoTeVC涂层中Mo元素原子百分比为20％，Te元素原子百分比为40％，V元素原子百分比为20％，C元素原子百分比为20％，所述Mo、Te、V、C元素原子百分比之和为100％。
上述温度自适应润滑轴承，其制备方法包括以下步骤：
(1)前处理：将轴承基体依次放入酒精和丙酮中超声清洗各30min，去除表面油渍污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空度为8.0×10-3Pa，加热至250℃，保温时间40min；
(2)离子清洗：通入Ar气，其压力为2.0Pa，开启偏压电源，电压为900V，占空比为0.3，辉光放电清洗30min；偏压降低至800V，开启离子源离子清洗30min，开启电弧源Zr靶，偏压为600V，靶电流为60A，离子轰击Zr靶2min；
(3)沉积ZrAgNbN层：调整工作气压为3.0Pa，偏压为300V，调整Zr靶电流为150A，开启AgNbN复合靶电弧电源，靶电流调至90A，沉积ZrAgNbN涂层5min；
(4)沉积MoTeVC层：关闭Zr靶和AgNbN复合靶，调整工作气压为2.0Pa，偏压为400V，开启MoTe2靶和VC靶电弧电源，MoTe2靶电流为80A，VC靶电流为70A，沉积MoTeVC涂层5min；
(5)沉积ZrAgNbN+MoTeVC交替叠层涂层：重复以上步骤(3)和(4)，交替沉积ZrAgNbN+MoTeVC叠层涂层，使涂层总厚度为6μm；
(6)后处理：关闭所有靶材、偏压电源及气体源，保温60min，涂层结束。
实例2：本发明的一种温度自适应润滑轴承，基体材料为440不锈钢，基体表面具有ZrAgNbN+MoTeVC交替分布的温度自适应润滑叠层涂层。该叠层涂层含有100层ZrAgNbN层和100层MoTeVC层，且ZrAgNbN与MoTeVC单个层的厚度为100nm。
上述一种温度自适应润滑轴承，ZrAgNbN涂层中Zr元素原子百分比为30％，Ag元素原子百分比为20％，Nb元素原子百分比为20％，N元素原子百分比为30％，所述Zr、Ag、Nb、N元素原子百分比之和为100％；MoTeVC涂层中Mo元素原子百分比为24％，Te元素原子百分比为48％，V元素原子百分比为14％，C元素原子百分比为14％，所述Mo、Te、V、C元素原子百分比之和为100％。
上述一种温度自适应润滑轴承，包括以下步骤：
(1)前处理：将轴承基体依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20min，去除表面油渍污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空度为7.0×10-3Pa，加热至150℃，保温时间30min；
(2)离子清洗：通入Ar气，其压力为0.5Pa，开启偏压电源，电压为700V，占空比为0.25，辉光放电清洗20min；偏压降低至300V，开启离子源离子清洗22min，开启电弧源Zr靶，偏压为400V，靶电流为50A，离子轰击Zr靶1min；
(3)沉积ZrAgNbN层：调整工作气压为1.0Pa，偏压为100V，调整Zr靶电流为80A，开启AgNbN复合靶电弧电源，靶电流调至60A，沉积ZrAgNbN涂层2min；
(4)沉积MoTeVC层：关闭Zr靶和AgNbN复合靶，调整工作气压为0.5Pa，偏压为200V，开启MoTe2靶和VC靶电弧电源，MoTe2靶电流为120A，VC靶电流为65A，沉积MoTeVC涂层2min；
(5)沉积ZrAgNbN+MoTeVC交替叠层涂层：重复以上步骤(3)和(4)，交替沉积ZrAgNbN+MoTeVC叠层涂层，使涂层总厚度为20μm；
(6)后处理：关闭所有靶材，关闭偏压电源及气体源，保温40min，涂层结束。
实例3：本发明的一种温度自适应润滑轴承，基体材料为440不锈钢，基体表面具有ZrAgNbN+MoTeVC交替分布的温度自适应润滑叠层涂层。该叠层涂层含有20层ZrAgNbN层和20层MoTeVC层，且ZrAgNbN与MoTeVC单个层的厚度为200nm。
上述一种温度自适应润滑轴承，ZrAgNbN涂层中Zr元素原子百分比为40％，Ag元素原子百分比为15％，Nb元素原子百分比为5％，N元素原子百分比为40％，所述Zr、Ag、Nb、N元素原子百分比之和为100％；MoTeVC涂层中Mo元素原子百分比为25％，Te元素原子百分比为50％，V元素原子百分比为15％，C元素原子百分比为15％，所述Mo、Te、V、C元素原子百分比之和为100％。
上述一种温度自适应润滑轴承，包括以下步骤：
(1)前处理：将轴承基体依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20min，去除表面油渍污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空度为9.0×10-3Pa，加热至300℃，保温时间38min；
(2)离子清洗：通入Ar气，其压力为1.0Pa，开启偏压电源，电压为1000V，占空比为0.28，辉光放电清洗25min；偏压降低至600V，开启离子源离子清洗20min，开启电弧源Zr靶，偏压为500V，靶电流为40A，离子轰击Zr靶0.5min；
(3)沉积ZrAgNbN层：调整工作气压为0.5Pa，偏压为200V，调整Zr靶电流为160A，开启AgNbN复合靶电弧电源，靶电流调至80A，沉积ZrAgNbN涂层3min；
(4)沉积MoTeVC层：关闭Zr靶和AgNbN复合靶，调整工作气压为1.0Pa，偏压为300V，开启MoTe2靶和VC靶电弧电源，MoTe2靶电流为100A，VC靶电流为60A，沉积MoTeVC涂层3min；
(5)沉积ZrAgNbN+MoTeVC交替叠层涂层：重复以上步骤(3)和(4)，交替沉积ZrAgNbN+MoTeVC叠层涂层，使涂层总厚度为2μm；
(6)后处理：关闭所有靶材，关闭偏压电源及气体源，保温30min，涂层结束。
本发明中所述具体实施案例仅为本发明的优选实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (4)

1.一种温度自适应润滑轴承，基体材料为轴承钢或不锈钢，其特征在于：轴承基体表面具有ZrAgNbN+MoTeVC交替分布的温度自适应润滑叠层涂层。
2.根据权利要求1所述的一种温度自适应润滑轴承，其特征在于：所述叠层涂层至少含有10层ZrAgNbN层和10层MoTeVC层，且ZrAgNbN与MoTeVC单个层的厚度小于等于300nm。
3.根据权利要求1所述的一种温度自适应润滑轴承，其特征在于：所述ZrAgNbN涂层中Zr元素原子百分比为30-50％，Ag元素原子百分比为10-20％，Nb元素原子百分比为5-20％，N元素原子百分比为20-40％，所述Zr、Ag、Nb、N元素原子百分比之和为100％；MoTeVC涂层中Mo元素原子百分比为20-25％，Te元素原子百分比为40-50％，V元素原子百分比为10-20％，C元素原子百分比为10-20％，所述Mo、Te、V、C元素原子百分比之和为100％。
4.权利要求1-3任意一项所述的温度自适应润滑轴承的制备方法，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
(1)前处理：将轴承基体依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20-30min，去除表面油渍污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为7.0×10-3-9.0×10-3Pa，加热至150-300℃，保温时间30-40min。
(2)离子清洗：通入Ar气，其压力为0.5-2.0Pa，开启偏压电源，电压为700-1000V，占空比为0.25-0.3，辉光放电清洗20-30min；偏压降低至300-800V，开启离子源离子清洗20-30min，开启电弧源Zr靶，偏压为400-600V，靶电流为40-80A，离子轰击Zr靶0.5-2min。
(3)沉积ZrAgNbN层：调整工作气压为0.5-3.0Pa，偏压为100-300V，调整Zr靶电流为80-160A，开启AgNbN复合靶电弧电源，靶电流调至60-90A，沉积ZrAgNbN涂层2-5min。
(4)沉积MoTeVC层：关闭Zr靶和AgNbN复合靶，调整工作气压为0.5-2.0Pa，偏压为200-400V，开启MoTe2靶和VC靶电弧电源，MoTe2靶电流为80-120A，VC靶电流为60-70A，沉积MoTeVC涂层2-5min。
(5)沉积ZrAgNbN+MoTeVC交替叠层涂层：重复以上步骤(3)和(4)，交替沉积ZrAgNbN+MoTeVC叠层涂层，使涂层总厚度为2-50μm。
(6)后处理：关闭所有靶材、偏压电源及气体源，保温30-60min，涂层结束。
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