專利名稱：軸承外圈滾道離子注入與沉積復(fù)合處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軸承表面強化處理方法。
背景技術(shù)：
等離子體浸沒離子注入與沉積(Plasma Immersion Ion Implantation andDeposition，PIIID)技術(shù)已在國內(nèi)和國際得到了廣泛關(guān)注，美國、歐洲、日本、澳大利亞等國家和地區(qū)已經(jīng)把PIIID技術(shù)作為精密零件表面強化處理的重要手段之一。目前，利用PIIID技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)氣體離子注入、氣體+金屬離子混合注入、化合物沉積等多種強化處理工藝，強化處理后材料表面的顯微硬度、耐磨損、抗腐蝕和接觸疲勞壽命等性能已得到較大地提高。同時，PIIID技術(shù)在平面、圓柱和球類零件強化層的均勻性研究也取得了很大的進展，能夠?qū)崿F(xiàn)這些零件的均勻、批量強化處理。但是，對于軸承外圈滾道等圓筒內(nèi)表面需要強化處理的零件，利用PIIID技術(shù)處理時，圓筒內(nèi)腔內(nèi)部的等離子體很容易耗竭，而外部等離子體很難及時補充，從而導(dǎo)致注入與沉積的不均勻性。
為了解決上述難題，悉尼大學(xué)采用一維冷等離子體流體模型對圓筒內(nèi)表面的注入進行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明在圓筒內(nèi)表面注入過程中，存在著嚴(yán)重的注入能量偏低問題；哈爾濱工業(yè)大學(xué)通過二維模擬表明導(dǎo)致內(nèi)表面注入劑量和注入能量偏低的根本原因在于筒內(nèi)鞘層的擴展和交叉重疊，采用偏轉(zhuǎn)電場法對內(nèi)表面進行注入，可以提高注入劑量和注入能量，但是均勻性還是很差；北京物理所提出柵網(wǎng)增強內(nèi)表面改性新方法，通過在中心陰極與同軸柵網(wǎng)之間產(chǎn)生射頻等離子體，軸向等離子體分布均勻性大大地得到改進，射頻自偏壓產(chǎn)生的濺射效應(yīng)可以實現(xiàn)內(nèi)表面的沉積。但是，對于尺寸較小的零件，同軸柵網(wǎng)的制作難度很大，由于接地柵網(wǎng)和工件之間距離小，導(dǎo)致工件上所加的注入電壓不能太高；美國西南研究院采用中頻輝光放電方法在圓筒內(nèi)表面沉積類金剛石(Diamond-like film，DLC)膜，但DLC膜與基體之間的結(jié)合強度較低。此外，國際上還有人采用磁控濺射和等離子體增強化學(xué)氣相沉積等方法在內(nèi)表面沉積一層強化層，但是由于沒有高能離子轟擊，沉積層結(jié)合力均較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種軸承外圈滾道離子注入與沉積復(fù)合處理方法，該方法可解決采用等離子體浸沒離子注入與沉積技術(shù)存在軸承外圈滾道表面形成的強化層結(jié)合力差、均勻性難以保證、難以實現(xiàn)批量處理問題。
本發(fā)明由以下步驟完成a、超聲清洗將待處理的軸承外圈3放入純度為99.9％以上的丙酮溶液和純度為99.9％以上的乙醇溶液中分別進行8～15min的超聲清洗；b、真空處理將由多個軸承外圈排列組成的軸承外圈圓筒放到真空室試樣臺上，抽真空至真空度為1.0×10-4～1.0×10-2Pa；c、軸承外圈圓筒內(nèi)腔的高能C離子注入在將放入真空室試樣臺上的軸承外圈圓筒緩慢勻速旋轉(zhuǎn)的同時，通過質(zhì)量流量計向真空室內(nèi)通入碳?xì)浠衔餁怏w，采用高幅值脈沖偏壓實現(xiàn)軸承外圈圓筒內(nèi)腔的高能C離子注入，工作氣壓為2.0×10-1～6.0×10-1Pa，偏壓幅值為10～30kV，脈沖寬度為20～60μs，脈沖頻率為50～350Hz；d、軸承外圈圓筒內(nèi)腔的類金剛石碳膜薄膜沉積；通過質(zhì)量流量計向真空室內(nèi)通入碳?xì)浠衔餁怏w，采用低幅值脈沖偏壓實現(xiàn)軸承外圈圓筒內(nèi)腔的類金剛石碳膜薄膜沉積，工作氣壓為2～8Pa，偏壓幅值為2～4kV，脈沖寬度為10～20μs，脈沖頻率為2～8kHz。
本發(fā)明具有以下有益效果一、由于類金剛石碳膜(DLC)具有高的硬度和低的摩擦系數(shù)，在零件表面合成DLC膜可以提高零件表面的耐磨損性能。但由于DLC膜與基體在成分和物理性能上的差異，在膜層與基體界面處會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，所制備的膜層容易脫落。本發(fā)明在進行DLC合成之前，對軸承外圈圓筒的內(nèi)腔先進行了高能C離子注入，與外部DLC膜形成了梯度結(jié)構(gòu)，減小了外部DLC膜與基體在成分和性能上的差異，從而緩釋了殘余應(yīng)力，提高了膜層與基體的結(jié)合力。二、本發(fā)明與現(xiàn)行的軸承外圈表面處理方法相比較，本發(fā)明合成的表面強化膜層與軸承外圈滾道的結(jié)合力高，均勻性好，容易實現(xiàn)批量處理。三、通過球盤磨損試驗的測試結(jié)果證明，經(jīng)過高能C離子注入和DLC薄膜沉積復(fù)合表面強化處理試樣的磨損壽命比單層DLC沉積試樣提高近十倍，摩擦系數(shù)低于0.1(球盤磨損試驗的試驗條件磨件材料為Si3N4，載荷為200g，轉(zhuǎn)速為200r/min)。四、本發(fā)明的處理方法簡單、容易操作，經(jīng)本發(fā)明處理過的軸承外圈滾道具有較好的耐磨性，可實現(xiàn)批量處理。


圖1是本發(fā)明的卡具的整體結(jié)構(gòu)主視剖面圖，圖2是圖1的左視圖，圖3是軸承外圈圓筒與卡具裝配在一起的主視圖(軸承外圈圓筒由三個軸承外圈3組成)。
具體實施例方式
具體實施方式
一本實施方式的軸承外圈滾道離子注入與沉積復(fù)合處理方法由以下步驟完成a、超聲清洗將待處理的軸承外圈3放入純度為99.9％以上的丙酮溶液和純度為99.9％以上的乙醇溶液中分別進行8～15min的超聲清洗；b、真空處理將由多個軸承外圈排列組成的軸承外圈圓筒放到真空室試樣臺上，抽真空至真空度為1.0×10-4～1.0×10-2Pa；c、軸承外圈圓筒內(nèi)腔的高能C離子注入在將放入真空室試樣臺上的軸承外圈圓筒緩慢勻速旋轉(zhuǎn)的同時，通過質(zhì)量流量計向真空室內(nèi)通入碳?xì)浠衔餁怏w，采用高幅值脈沖偏壓實現(xiàn)軸承外圈圓筒內(nèi)腔的高能C離子注入，工作氣壓為2.0×10-1～6.0×10-1Pa，偏壓幅值為10～30kV，脈沖寬度為20～60μs，脈沖頻率為50～350Hz；d、軸承外圈圓筒內(nèi)腔的類金剛石碳膜薄膜沉積；通過質(zhì)量流量計向真空室內(nèi)通入碳?xì)浠衔餁怏w，采用低幅值脈沖偏壓實現(xiàn)軸承外圈圓筒內(nèi)腔的類金剛石碳膜薄膜沉積，工作氣壓為2～8Pa，偏壓幅值為2～4kV，脈沖寬度為10～20μs，脈沖頻率為2～8kHz。
將脈沖偏壓施加到多個由軸承外圈組成的圓筒上，對多個軸承外圈圓筒同時進行包括高能C離子注入和DLC薄膜沉積的復(fù)合強化處理，進而實現(xiàn)軸承外圈滾道表面強化的批量處理。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在a步驟中，將待處理的軸承外圈3放入純度為99.9％的丙酮溶液和純度為99.9％的乙醇溶液中分別進行10min的超聲清洗，以去除軸承外圈表面的油脂與水分。
具體實施方式
三結(jié)合圖3說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在b步驟中，使用卡具將每三個軸承外圈3并列放在一起組成一個軸承外圈圓筒放到真空室內(nèi)的試樣臺上，抽真空至真空度為2.0×10-3Pa。將每三個軸承外圈3組成一個軸承外圈圓筒以保證軸承外圈圓筒內(nèi)部等離子體密度的均勻性。此外，采用上述技術(shù)參數(shù)，以清除真空室內(nèi)的雜質(zhì)。
具體實施方式
四結(jié)合圖3說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在b步驟中，使用卡具將每三個軸承外圈3并列放在一起組成一個軸承外圈圓筒放到真空室內(nèi)的試樣臺上，抽真空至真空度為1.0×10-4Pa。將每三個軸承外圈3組成一個軸承外圈圓筒以保證軸承外圈圓筒內(nèi)部等離子體密度的均勻性。此外，采用上述技術(shù)參數(shù)，以清除真空室內(nèi)的雜質(zhì)。
具體實施方式
五結(jié)合圖3說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在b步驟中，使用卡具將每三個軸承外圈3并列放在一起組成一個軸承外圈圓筒放到真空室內(nèi)的試樣臺上，抽真空至真空度為1.0×10-2Pa。將每三個軸承外圈3組成一個軸承外圈圓筒以保證軸承外圈圓筒內(nèi)部等離子體密度的均勻性。此外，采用上述技術(shù)參數(shù)，以清除真空室內(nèi)的雜質(zhì)。
在具體實施方式
三、四和五中均使用了卡具將每三個軸承外圈3并列放在一起組成一個軸承外圈圓筒，卡具的兩端口可以作為氣體流動及等離子體的出口，它不僅保證了軸承外圈圓筒內(nèi)部等離子體密度的均勻性，還保證了軸承外圈圓筒內(nèi)表面強化層軸向的均勻性。
具體實施方式
六結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
五的不同點是本實施方式在b步驟中所使用的卡具由兩個卡環(huán)1和兩個連接件2組成；每個卡環(huán)1的內(nèi)腔1-1設(shè)有一個內(nèi)圓臺1-2，兩個卡環(huán)1相對并列放置，每個卡環(huán)1沿圓周方向?qū)ΨQ布置有兩個連接孔1-3，兩個卡環(huán)1通過裝在連接孔1-3上的連接件2相連接。采用上述結(jié)構(gòu)的卡具，具有結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、使用方便的優(yōu)點。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在c步驟中，向真空室內(nèi)通入的碳?xì)浠衔餁怏w是C2H2氣體，C2H2氣體的工作氣壓為6.0×10-1Pa，偏壓幅值為20kV，脈沖寬度為60μs，脈沖頻率為200Hz。采用上述技術(shù)參數(shù)，可保證軸承外圈圓筒內(nèi)腔的高能C離子注入。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在c步驟中，向真空室內(nèi)通入的碳?xì)浠衔餁怏w是C2H2氣體，C2H2氣體的工作氣壓為2.0×10-1Pa，偏壓幅值為10kV，脈沖寬度為20μs，脈沖頻率為50Hz。采用上述技術(shù)參數(shù)，可保證軸承外圈圓筒內(nèi)腔的高能C離子注入。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在c步驟中，向真空室內(nèi)通入的碳?xì)浠衔餁怏w是C2H2氣體，C2H2氣體的工作氣壓為4.0×10-1Pa，偏壓幅值為30kV，脈沖寬度為40μs，脈沖頻率為350Hz。采用上述技術(shù)參數(shù)，可保證軸承外圈圓筒內(nèi)腔的高能C離子注入。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在c步驟中，向真空室內(nèi)通入的碳?xì)浠衔餁怏w是CH4氣體，CH4氣體的工作氣壓為6.0×10-1Pa，偏壓幅值為20kV，脈沖寬度為60μs，脈沖頻率為200Hz。采用上述技術(shù)參數(shù)，可保證軸承外圈圓筒內(nèi)腔的高能C離子注入。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在c步驟中，向真空室內(nèi)通入的碳?xì)浠衔餁怏w是CH4氣體，CH4氣體的工作氣壓為2.0×10-1Pa，偏壓幅值為10kV，脈沖寬度為20μs，脈沖頻率為50Hz。采用上述技術(shù)參數(shù)，可保證軸承外圈圓筒內(nèi)腔的高能C離子注入。
具體實施方式
十二本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在c步驟中，向真空室內(nèi)通入的碳?xì)浠衔餁怏w是CH4氣體，CH4氣體的工作氣壓為4.0×10-1Pa，偏壓幅值為30kV，脈沖寬度為40μs，脈沖頻率為350Hz。采用上述技術(shù)參數(shù)，可保證軸承外圈圓筒內(nèi)腔的高能C離子注入。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在d步驟中，向真空室內(nèi)通入的碳?xì)浠衔餁怏w是C2H2氣體，調(diào)整工作氣壓為2Pa，偏壓幅值為3kV，脈沖寬度為20μs，脈沖頻率為6kHz。采用上述技術(shù)參數(shù)，可保證軸承外圈圓筒內(nèi)表面獲得均勻、高結(jié)合力的表面強化層。
具體實施方式
十四本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在d步驟中，向真空室內(nèi)通入的碳?xì)浠衔餁怏w是C2H2氣體，調(diào)整工作氣壓為8Pa，偏壓幅值為4kV，脈沖寬度為15μs，脈沖頻率為8kHz。采用上述技術(shù)參數(shù)，可保證軸承外圈圓筒內(nèi)表面獲得均勻、高結(jié)合力的表面強化層。
具體實施方式
十五本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在d步驟中，向真空室內(nèi)通入的碳?xì)浠衔餁怏w是C2H2氣體，調(diào)整工作氣壓為5Pa，偏壓幅值為2kV，脈沖寬度為10μs，脈沖頻率為2kHz。采用上述技術(shù)參數(shù)，可保證軸承外圈圓筒內(nèi)表面獲得均勻、高結(jié)合力的表面強化層。
具體實施方式
十六本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在d步驟中，向真空室內(nèi)通入的碳?xì)浠衔餁怏w是CH4氣體，調(diào)整工作氣壓為2Pa，偏壓幅值為3kV，脈沖寬度為20μs，脈沖頻率為6kHz。采用上述技術(shù)參數(shù)，可保證軸承外圈圓筒內(nèi)表面獲得均勻、高結(jié)合力的表面強化層。
具體實施方式
十七本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在d步驟中，向真空室內(nèi)通入的碳?xì)浠衔餁怏w是CH4氣體，調(diào)整工作氣壓為8Pa，偏壓幅值為4kV，脈沖寬度為15μs，脈沖頻率為8kHz。采用上述技術(shù)參數(shù)，可保證軸承外圈圓筒內(nèi)表面獲得均勻、高結(jié)合力的表面強化層。
具體實施方式
十八本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在d步驟中，向真空室內(nèi)通入的碳?xì)浠衔餁怏w是CH4氣體，調(diào)整工作氣壓為5Pa，偏壓幅值為2kV，脈沖寬度為10μs，脈沖頻率為2kHz。采用上述技術(shù)參數(shù)，可保證軸承外圈圓筒內(nèi)表面獲得均勻、高結(jié)合力的表面強化層。
具體實施方式
十九本實施方式的軸承外圈滾道離子注入與沉積復(fù)合處理方法由以下步驟完成a、超聲清洗將待處理的軸承外圈3(軸承外圈選自哈爾濱軸承廠生產(chǎn)的61903深溝球軸承)放在純度為99.99％的丙酮溶液和純度為99.99％的乙醇溶液中分別進行10min的超聲清洗，以去除軸承外圈3表面的油脂與水分；b、真空處理將每三個軸承外圈3由卡具組成一個軸承外圈圓筒，將六個軸承外圈圓筒放置在真空室內(nèi)的試樣臺上，抽真空至真空度達(dá)到2.0×10-3；c、軸承外圈圓筒內(nèi)腔的高能C離子注入在將放入真空室試樣臺上的軸承外圈圓筒緩慢勻速旋轉(zhuǎn)的同時，通過質(zhì)量流量計向真空室內(nèi)通入C2H2氣體，采用高幅值脈沖偏壓實現(xiàn)軸承外圈圓筒內(nèi)腔的高能C離子注入，C2H2氣體流量為40sccm，工作氣壓為6×10-1Pa，偏壓幅值為20kV，脈沖寬度為60μs，脈沖頻率為200Hz；d、軸承外圈圓筒內(nèi)腔的類金剛石碳膜薄膜沉積；通過質(zhì)量流量計向真空室內(nèi)通入C2H2氣體，采用低幅值脈沖偏壓實現(xiàn)軸承外圈圓筒內(nèi)腔的類金剛石碳膜薄膜沉積，C2H2氣體流量為80sccm，工作氣壓為2Pa，偏壓幅值為3kV，脈沖寬度為20μs，脈沖頻率為6kHz，整個處理過程中，所有軸承外圈圓筒緩慢勻速旋轉(zhuǎn)。在進行等離子體表面處理過程中，軸承外圈圓筒緩慢轉(zhuǎn)動，可以保證強化層沿圓周方向的均勻性。由于組成軸承外圈圓筒的軸承外圈數(shù)目太多會使軸承外圈圓筒長度過長，影響內(nèi)部等離子體的產(chǎn)生，同時，將組成軸承外圈圓筒的軸承外圈數(shù)目限制在三個以下以保證軸承外圈圓筒內(nèi)部等離子體密度的均勻性。
經(jīng)過本實施方式處理后的軸承外圈滾道的納米硬度值為15～20GPa，磨損壽命在200g載荷下為8萬轉(zhuǎn)，穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)為0.08。
權(quán)利要求
1.一種軸承外圈滾道離子注入與沉積復(fù)合處理方法，其特征在于它由以下步驟完成a、超聲清洗將待處理的軸承外圈(3)放入純度為99.9％以上的丙酮溶液和純度為99.9％以上的乙醇溶液中分別進行8～15min的超聲清洗；b、真空處理將由多個軸承外圈排列組成的軸承外圈圓筒放到真空室試樣臺上，抽真空至真空度為1.0×10-4～1.0×10-2Pa；c、軸承外圈圓筒內(nèi)腔的高能C離子注入在將放入真空室試樣臺上的軸承外圈圓筒緩慢勻速旋轉(zhuǎn)的同時，通過質(zhì)量流量計向真空室內(nèi)通入碳?xì)浠衔餁怏w，采用高幅值脈沖偏壓實現(xiàn)軸承外圈圓筒內(nèi)腔的高能C離子注入，工作氣壓為2.0×10-1～6.0×10-1Pa，偏壓幅值為10～30kV，脈沖寬度為20～60μs，脈沖頻率為50～350Hz；d、軸承外圈圓筒內(nèi)腔的類金剛石碳膜薄膜沉積；通過質(zhì)量流量計向真空室內(nèi)通入碳?xì)浠衔餁怏w，采用低幅值脈沖偏壓實現(xiàn)軸承外圈圓筒內(nèi)腔的類金剛石碳膜薄膜沉積，工作氣壓為2～8Pa，偏壓幅值為2～4kV，脈沖寬度為10～20μs，脈沖頻率為2～8kHz。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸承外圈滾道離子注入與沉積復(fù)合處理方法，其特征在于a步驟中，將待處理的軸承外圈(3)放入純度為99.9％的丙酮溶液和純度為99.9％的乙醇溶液中分別進行10min的超聲清洗。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸承外圈滾道離子注入與沉積復(fù)合處理方法，其特征在于b步驟中，使用卡具將每三個軸承外圈(3)并列放在一起組成一個軸承外圈圓筒，將軸承外圈圓筒放到真空室內(nèi)的試樣臺上，抽真空至真空度為2.0×10-3Pa。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的軸承外圈滾道離子注入與沉積復(fù)合處理方法，其特征在于b步驟中所使用的卡具由兩個卡環(huán)(1)和兩個連接件(2)組成；每個卡環(huán)(1)的內(nèi)腔(1-1)設(shè)有一個內(nèi)圓臺(1-2)，兩個卡環(huán)(1)相對并列放置，每個卡環(huán)(1)沿圓周方向?qū)ΨQ布置有兩個連接孔(1-3)，兩個卡環(huán)(1)通過裝在連接孔(1-1)上的連接件(2)相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸承外圈滾道離子注入與沉積復(fù)合處理方法，其特征在于c步驟中，向真空室內(nèi)通入碳?xì)浠衔餁怏w的工作氣壓為6.0×10-1Pa，偏壓幅值為20kV，脈沖寬度為60μs，脈沖頻率為200Hz。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的軸承外圈滾道離子注入與沉積復(fù)合處理方法，其特征在于c步驟中，所通入的碳?xì)浠衔餁怏w為C2H2氣體或CH4氣體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸承外圈滾道離子注入與沉積復(fù)合處理方法，其特征在于d步驟中，向真空室內(nèi)通入碳?xì)浠衔餁怏w的工作氣壓為2Pa，偏壓幅值為3kV，脈沖寬度為20μs，脈沖頻率為6kHz。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的軸承外圈滾道離子注入與沉積復(fù)合處理方法，其特征在于d步驟中，所通入的碳?xì)浠衔餁怏w為C2H2氣體或CH4氣體。
全文摘要
軸承外圈滾道離子注入與沉積復(fù)合處理方法，它涉及一種軸承表面強化處理方法。針對軸承外圈滾道采用等離子體浸沒離子注入與沉積處理存在強化層結(jié)合力差及均勻性差問題。本發(fā)明是這樣完成的將超聲清洗后的軸承外圈(3)組成圓筒放到真空室內(nèi)抽真空，通入碳?xì)浠衔餁怏w，先對圓筒內(nèi)腔進行高能C離子注入，工作氣壓為2.0×10
文檔編號C23C14/06GK1851041SQ200610010059
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月19日
發(fā)明者王浪平, 王宇航, 王小峰, 湯寶寅 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)