本發(fā)明屬于金屬材料的表面強化處理領域，具體而言，本發(fā)明涉及一種處理cronidur30軸承鋼的方法、強化cronidur30軸承鋼以及軸承。
背景技術：
cronidur30、M50NiL和M50軸承鋼材料是在現(xiàn)有階段航空軸承大量使用的高溫軸承材料，cronidur30材料的氮代替部分軸承鋼中的碳元素，避免了較多的碳形成較大的碳化物或者碳化物的網(wǎng)絡化合物，因而具有較好的耐腐蝕性能和耐高溫性能而在軸承行業(yè)具有較廣的行業(yè)推廣價值。cronidur30材料制作的軸承通常需要在重負載下維持高轉速，工作環(huán)境比較惡劣，在這種情況下極易發(fā)生磨損失效，因此對軸承材料的抗磨損性能提出了更高的要求，目前常常采用傳統(tǒng)的熱處理工藝對cronidur30軸承鋼進行表面處理，但傳統(tǒng)的擴滲技術導致材料嚴重脫氮使材料的表面性能變差，雖然通過改進熱處理工藝可以對脫氮問題有所改善，但是仍然滿足不了航空發(fā)動機軸承的抗磨損性能要求，急需開發(fā)新的表面改性工藝提升此類材料的抗磨損性能，要求在真空中一次進行熱處理和不損失表面的氮元素。
因此，現(xiàn)有的cronidur30軸承鋼的表面處理技術有待進一步改進。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種處理cronidur30軸承鋼的方法、強化cronidur30軸承鋼以及軸承，該方法可以解決cronidur30軸承鋼材料表面失氮而導致的材料性能降低的問題，同時可以顯著提高cronidur30軸承鋼的抗磨減摩性能。
在本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提出了一種處理cronidur30軸承鋼的方法。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述方法包括：
采用金屬高能離子和大束流氣體離子對cronidur30軸承鋼進行交替轟擊，以便在所述cronidur30軸承鋼表面注入金屬離子和氣體離子，
其中，首先在所述cronidur30軸承鋼表面注入金屬離子，最后一次在cronidur30軸承鋼表面注入氣體離子，并且在所述cronidur30軸承鋼表面注入至少兩種不同的金屬離子。
由此，根據(jù)本發(fā)明實施例的處理cronidur30軸承鋼的方法通過采用高低能交替、多次高能金屬離子轟擊注入不同金屬元素，這種多元素離子束表面改性的方法可以解決cronidur30軸承鋼材料表面失氮而導致的材料性能降低的問題，同時可以顯著提高cronidur30軸承鋼的抗磨減摩性能。
另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的處理cronidur30軸承鋼的方法還可以具有如下附加的技術特征：
在本發(fā)明的一些實施例中，采用金屬高能離子和大束流氣體離子對所述cronidur30軸承鋼進行交替轟擊是在真空度為3.0×10-4Pa～1.8×10-3Pa條件下進行的。
在本發(fā)明的一些實施例中，所述氣體離子為氮離子或氬離子。
在本發(fā)明的一些實施例中，所述金屬離子為鋯離子、鈦離子、鉭離子、鉻離子或鉬離子。
在本發(fā)明的一些實施例中，所述大束流氣體離子采用純度為99.99％的氣源，每一次離子束的引出電壓為0.1kV，轟擊束流為0.1A，時間為30分鐘。
在本發(fā)明的一些實施例中，所述金屬高能離子的金屬源采用純度為99.8％的金屬靶材，每一次離子束的引出電壓為45kV，劑量為0.5×1017ions/cm2。
在本發(fā)明的一些實施例中，所述處理cronidur30軸承鋼的方法進一步包括：在采用金屬高能離子和大束流氣體離子對所述cronidur30軸承鋼進行交替轟擊之前，預先對所述cronidur30軸承鋼表面進行去油脂、去銹點、去雜質、去有機物殘留、超聲清洗。
在本發(fā)明的第二個方面，本發(fā)明提出了一種強化cronidur30軸承鋼。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述強化cronidur30軸承鋼是采用上述所述的方法制備得到的。由此，該強化cronidur30軸承鋼具有優(yōu)異的抗磨減摩性能。
在本發(fā)明的第三個方面，本發(fā)明提出了一種軸承。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述軸承是采用上述所述的強化cronidur30軸承鋼制備得到的。由此，該軸承具有優(yōu)異的抗磨減摩性能，從而顯著提高其使用壽命。
本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
附圖說明
本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：
圖1是未強化和強化后cronidur30軸承鋼的摩擦磨損性能對比曲線。
具體實施方式
下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
本申請是基于本申請發(fā)明人的下列發(fā)現(xiàn)完成的：cronidur30材料制作的軸承通常需要在重負載下維持高轉速，工作環(huán)境比較惡劣，在這種情況下極易發(fā)生磨損失效，因此對軸承材料的抗磨損性能提出了更高的要求，目前熱處理常常由于失氮導致材料的表面性能變差，通過改進熱處理工藝在低溫和高溫條件下進行熱處理，但仍然存在熱處理脫氮的問題，滿足不了航空發(fā)動機軸承的抗磨損性能要求，急需開發(fā)新的表面改性工藝提升此類材料的抗磨損性能，要求在真空中一次進行熱處理和不損失表面的氮元素。本發(fā)明的發(fā)明人通過對cronidur30軸承鋼的強化工藝進行積極探索，旨在解決現(xiàn)有技術中的缺陷，得到具有較高的抗磨減摩性能的強化cronidur30軸承鋼。
為此，在本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提出了一種處理cronidur30軸承鋼的方法。根據(jù)本發(fā)明的實施例，該方法包括：采用金屬高能離子和大束流氣體離子對cronidur30軸承鋼進行交替轟擊，以便在所述cronidur30軸承鋼表面注入金屬離子和氣體離子，其中，首先在所述cronidur30軸承鋼表面注入金屬離子，最后一次在所述軸承鋼表面注入氣體離子，并且在所述cronidur30軸承鋼表面注入至少兩種不同的金屬離子。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過采用高低能交替、多次高能金屬離子轟擊注入不同金屬元素，這種多元素離子束表面改性的方法可以解決cronidur30軸承鋼材料表面失氮而導致的材料性能降低的問題，同時可以顯著提高cronidur30軸承鋼的抗磨減摩性能。這主要是由于高低能離子交替轟擊cronidur30軸承鋼材料，在其表層形成了大量非晶和弱晶結構﹑穩(wěn)定或亞穩(wěn)氮化物，使得大量空位和位錯彌散分布于基體上，多種因素的耦合強化，大幅度的提高了材料的表面強度和韌性，同時，高能離子轟擊所形成的表層非晶態(tài)，限制了位錯的外溢形成駐留滑移帶，提高了抗接觸疲勞性能；并且高能離子轟擊所產生過飽和固溶強化，形成大量的填隙和置換固溶體，引起晶格畸變，導致材料表面壓應力增加，從而抑制疲勞裂紋的萌生和拓展而延長軸承壽命，另外，高能離子轟擊對提高高精密軸承的摩擦磨損性能具有獨特的優(yōu)勢，高能離子轟擊可不改變軸承尺寸的條件下改善材料的表面狀態(tài)、滑移特性和各向異性，同時可形成固溶強化、析出相彌散強化和殘余壓應力來增強零件的抗疲勞特性。因此用高能離子轟擊對cronidur30材料進行表面處理，使cronidur30材料擁有更優(yōu)良的性能，以滿足航空、航天發(fā)動機的性能要求。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，采用金屬高能離子和大束流氣體離子對cronidur30軸承鋼進行交替轟擊是在真空度為3.0×10-4Pa～1.8×10-3Pa條件下進行的。具體的，將cronidur30軸承鋼材料放到真空室試樣臺上，抽真空至真空度為3.0×10-4Pa～1.8×10-3Pa后，使真空室試樣臺沿自身軸線勻速緩慢旋轉的同時，用高能離子轟擊機對cronidur30軸承鋼材料試件進行表面改性。
根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例，在cronidur30軸承鋼表面注入的氣體離子可以為氮離子或氬離子。由此，通過注入氮離子可以補充由于熱處理和機械加工造成cronidur30軸承鋼表面氮元素的損失，而且可以大幅度的增加cronidur30軸承鋼表面氮的含量，從而進一步強化cronidur30軸承鋼表面的力學性能(比如增加硬度和強度)，而通過注入氬離子可以顯著增加注入元素的擴滲深度，進而提高離子注入的影響深度和提高cronidur30軸承鋼材料的性能。
根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例，大束流氣體離子可以采用純度為99.99％的氣源，每一次離子束的引出電壓為0.1kV，轟擊束流為0.1A，時間為30分鐘。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，若引出電壓過低，導致能量不足以產生二次級聯(lián)碰撞，無法進一步擴滲注入元素的深度，而電流過低，產生的熱峰效應小，也影響擴滲深度，而若電壓過高，產生二次注入和增大濺射效應，容易形成注入過飽和，而電流過大，可能造成材料快速升溫而導致材料回火。
根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例，在cronidur30軸承鋼表面注入的金屬離子可以為鋯離子、鈦離子、鉭離子、鉻離子或鉬離子。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，注入該類金屬元素后，由于注入后是超飽和固溶體，遠超過冶金平衡狀態(tài)的固溶度，使得注入元素可以形成置換、填隙和空位，而且這些元素也可以形成二元或者三元的化合物，與位錯形成釘扎效應，這些效應能減緩裂紋點產生和裂紋擴展，因而起到提高抗疲勞性能，提高硬度和抗磨減摩性能。
根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例，金屬高能離子的金屬源可以采用純度為99.8％的金屬靶材，每一次離子束的引出電壓為45kV，劑量為0.5×1017ions/cm2。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，若電壓過高，注入強化的同時也會帶來輻照損傷，還將導致注入元素的能量過高，而過高的能量會引起金屬大量的輻照損傷效應，從而降低材料的性能；注入劑量過低，起不到強化作用，而劑量過高，注入會形成一個飽和區(qū)，也即離子注入到材料內的含量不再增強，增加的都是輻照損傷，反而帶來副作用。
根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例，在采用金屬高能離子和大束流氣體離子對cronidur30軸承鋼進行交替轟擊之前，預先對所述cronidur30軸承鋼表面進行去油脂、去銹點、去雜質、去有機物殘留、超聲清洗。
具體的，在采用金屬高能離子和大束流氣體離子對cronidur30軸承鋼進行交替轟擊之前，首先采用金屬除脂溶劑去除cronidur30軸承鋼材料上油脂，使其表面不能有油脂，避免注入過程中的污染，然后將待處理的cronidur30軸承鋼材料放入無污染的四氯乙烯中浸泡30分鐘后取出，再用宣紙吸凈殘留溶劑后，用脫脂棉擦拭試樣表面，最后用干凈的絲綢進行擦拭；然后用金屬除銹溶劑浸泡清洗cronidur30軸承鋼材料10～20分鐘，去除材料表面銹點；接著將經(jīng)過上述前處理過的cronidur30軸承鋼材料放入丙酮中，超聲清洗30分鐘后取出使用干凈綢布擦干，擦干時，在材料的光滑表面上沿同一方向進行擦拭，保證其表面沒有水漬和雜質殘留，并且試件的特殊部位重點擦拭，試件的其他部位保證其表面沒有水漬和雜質殘留，同時，不使用已經(jīng)被污染、浸濕的綢布對試件進行擦拭，然后采用具有有機物清除功能的金屬清洗劑浸泡清洗cronidur30軸承鋼材料10～20分鐘，使金屬試樣表面不能有有機物殘留；最后將處理過的cronidur30材料放入去離子水中，超聲清洗30分鐘后取出，逐個使用干凈綢布擦洗、擦干并放置于烘箱中烘干30分鐘。需要說明的是，本領域技術人員可以根據(jù)實際需要對采用的金屬除脂溶劑、金屬除銹溶劑和金屬清洗劑的具體類型進行選擇，例如金屬除脂溶劑可以采用市售普通金屬除油脂溶劑，成分包括碳酸鈉、硅酸鈉、洗滌劑、氫氧化鈉、溶劑水等；清洗用的四氯乙烯為市售普通有機溶劑，也可用其他有機溶劑代替；金屬除銹溶劑可以為市售普通除銹劑，成分包括：有機酸、緩蝕劑、去離子水、表面活性劑等；金屬清洗劑可以為是由非離子表面活性劑、有機堿和純水混合組成的一種環(huán)保金屬清洗劑。
在本發(fā)明的第二個方面，本發(fā)明提出了一種強化cronidur30軸承鋼。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述強化cronidur30軸承鋼是采用上述所述的方法制備得到的。由此，該強化cronidur30軸承鋼具有優(yōu)異的抗磨減摩性能。需要說明的是，上述針對處理cronidur30軸承鋼的方法所描述的特征和優(yōu)點同樣適用于該強化cronidur30軸承鋼，此處不再贅述。
在本發(fā)明的第三個方面，本發(fā)明提出了一種軸承。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述軸承是采用上述所述的強化cronidur30軸承鋼制備得到的。由此，該軸承具有優(yōu)異的抗磨減摩性能，從而顯著提高其使用壽命。需要說明的是，上述針對強化cronidur30軸承鋼所描述的特征和優(yōu)點同樣適用于該軸承，此處不再贅述。
下面參考具體實施例，對本發(fā)明進行描述，需要說明的是，這些實施例僅僅是描述性的，而不以任何方式限制本發(fā)明。
實施例
首先用金屬除脂溶劑去除cronidur30軸承鋼材料上油脂，使其表面不能有油脂，然后將待處理的cronidur30軸承鋼材料放入無污染的四氯乙烯中浸泡30分鐘后取出，再用宣紙吸凈殘留溶劑后，用脫脂棉擦拭試樣表面，最后用干凈的絲綢進行擦拭；再用金屬除銹溶劑浸泡清洗cronidur30軸承鋼材料15分鐘，去除材料表面銹點；然后將其放入丙酮中，超聲清洗30分鐘后取出使用干凈綢布擦干；接著采用具有有機物清除功能的金屬清洗劑浸泡清洗cronidur30軸承鋼材料15分鐘，使金屬試樣表面不能有有機物殘留，最后將處理過的cronidur30軸承鋼材料放入去離子水中，超聲清洗30分鐘后取出，逐個使用干凈綢布擦洗、擦干并放置于烘箱中烘干30分鐘，得到前處理過的cronidur30軸承鋼材料；然后將經(jīng)過前處理過的cronidur30軸承鋼材料放到真空室試樣臺上，抽真空至真空度為3.0×10-4Pa后，真空室試樣臺沿自身軸線勻速緩慢旋轉的同時，用高能離子轟擊機對cronidur30材料試件進行表面改性，先注入金屬鋯離子，然后用大束流氮離子轟擊注入氮離子，接著注入金屬鈦離子，然后再用大束流氮離子轟擊注入氮離子，然后再注入鋯離子，接著再用大束流氮離子轟擊注入氮離子，然后再注入鈦離子，最后采用氮離子轟擊處理強化，其中，金屬源采用純度為99.8％的金屬靶，氣體離子源采用純度為99.9％的氮氣，第一次注入鋯離子的高能離子轟擊參數(shù)為：引出電壓為45kV，注入劑量為0.5×1017ions/cm2，第一次氮離子轟擊的離子束熱處理參數(shù)為：引出電壓為0.1kV，轟擊束流為0.1A，時間為30分鐘，第一次注入鈦離子的高能離子轟擊參數(shù)為：引出電壓為45kV，注入劑量為0.5×1017ions/cm2，第二次氮離子轟擊的離子束熱處理參數(shù)為：引出電壓為0.1kV，轟擊束流為0.1A，時間為30分鐘，第二次注入鈦離子的高能離子轟擊參數(shù)為：引出電壓為45kV，注入劑量為0.5×1017ions/cm2，第三次氮離子轟擊的離子束熱處理參數(shù)為：引出電壓為0.1kV，轟擊束流為0.1A，時間為30分鐘，第二次注入鈦離子的高能離子轟擊參數(shù)為：引出電壓為45kV，注入劑量為0.5×1017ions/cm2，第四次氮離子轟擊的離子束熱處理參數(shù)為：引出電壓為0.1kV，轟擊束流為0.1A，時間為30分鐘，最后將高低能離子束處理后的cronidur30軸承鋼材料放入丙酮中清洗30分鐘，并將其真空密封封存。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果如下：
本發(fā)明采用交替、多次高低能離子轟擊cronidur30軸承鋼材料，這種多元素注入的方法可以提高材料的耐磨減摩性能。參考圖1，對cronidur30軸承鋼材料進行摩擦磨損試驗,試驗參數(shù)負載50g，轉速100rmp，摩擦半徑r＝3mm。試驗后的結果表明，進行高能離子轟擊后的cronidur30軸承鋼材料與未注入的cronidur30軸承鋼材料相比，強化后的cronidur30軸承鋼的摩擦磨損性能提高了近3倍，且在循環(huán)載荷的作用下，強化后的cronidur30軸承鋼比未注入的cronidur30軸承鋼材料的耐磨性能延長了近1倍。
在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。
盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。