專利名稱：9Cr18鋼制精密軸承表面等離子體基氮離子與銀離子注入方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種9Crl8鋼制精密軸承表面等離子體基氮離子與銀離子注 入方法，屬于精密零件表面強(qiáng)化處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，越來越多設(shè)備需要在極低溫的環(huán)境下工作，其工 作溫度甚至在零下20(TC左右，9Crl8鋼以其尺寸穩(wěn)定性好，綜合性能優(yōu)越成 為低溫軸承常用的材料，9Crl8鋼制精密軸承是在低溫環(huán)境工作設(shè)備重要的運(yùn) 動(dòng)部件，由于處于極端低溫環(huán)境下，潤(rùn)滑問題成為精密軸承的主要問題之一， 如9Crl8鋼制精密軸承表面不作任何處理，則軸承的潤(rùn)滑性能會(huì)很差；隨著 技術(shù)的不斷發(fā)展，軸承承受的載荷越來越大，未經(jīng)過任何表面強(qiáng)化處理的 9Crl8鋼制精密軸承的使用壽命已經(jīng)不能滿足一些在重載高速條件下工作部 件的使用要求，不作表面強(qiáng)化處理的軸承的承載能力低，強(qiáng)度低，既而軸承 的服役壽命短。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決目前未經(jīng)任何處理的9Crl8鋼制精密軸承工作在極 低溫度工況時(shí)，軸承的承載能力不足，潤(rùn)滑性能差，強(qiáng)度低，既而影響其服 役壽命的問題，提供一種9Crl8鋼制精密軸承表面等離子體基氮離子與銀離 子注入方法。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的步驟包括
步驟一、超聲清洗將多個(gè)待處理的9Crl8鋼制精密軸承分別放入純度 為99.9%以上的丙酮溶液中超聲清洗兩次，每次超聲清洗持續(xù)8min 15min;
步驟二、真空處理將多個(gè)處理過的9Crl8鋼制精密軸承放到真空室試 樣臺(tái)上，抽真空至真空度為1.0xl(r4Pa~1.0xl(T3Pa;
步驟三、預(yù)濺射清洗對(duì)所述9Crl8鋼制精密軸承進(jìn)行預(yù)濺射清洗 10min 30min，射頻功率在0.8kW 2kW之間，電壓在500V 700V之間，電流 在0.2mA/cmL0.5mA/cr^之間，調(diào)節(jié)射頻功率，使產(chǎn)生的氬氣等離子濃度在
41.0xl0，/cm3 1.0xl0,cm3之間；
步驟四、氮離子注入所述9Crl8鋼制精密軸承緩慢繞自身軸線勻速旋 轉(zhuǎn)的同時(shí)，用離子注入機(jī)對(duì)所述9Crl8鋼制精密軸承進(jìn)行氮離子注入處理， 氣源采用純度為99.999%的氮?dú)?，氮?dú)鈿鈮涸?.08Pa (X2Pa之間，注入電壓在 30kV 50kV之間，注入劑量在3xl0"ions/cm2 4xl0"ions/cm2之間，在注入過 程中注入電流密度控制在2pA/cm2~2.5nA/cm2之間，保證工件溫升不超過 150°C;
步驟五、銀離子注入保持所述9Crl8鋼制精密軸承緩慢繞自身軸線勻 速旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)真空室內(nèi)氣體壓強(qiáng)至0.1Pa 0.5Pa，在9Crl8鋼制精密軸承上施 加一個(gè)負(fù)偏壓，注入?yún)?shù)為注入電壓在30kV 50kV之間，注入電流密度在 1^lA/cmL3.5nA/ci^之間，以直流磁控濺射銀耙提供銀離子源，磁控濺射參數(shù) 為濺射偏壓在200V 400V之間，濺射電流調(diào)至80mA 120mA之間持續(xù) 8min 15min，再將濺射電流調(diào)至180mA 220mA之間持續(xù)25min 35min，同 時(shí)保證工件溫升不超過150°C;
步驟六、真空室內(nèi)氣壓恢復(fù)常壓，并冷卻至室溫。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1、 對(duì)9Crl8鋼制精密軸承的等離子體基離子注入處理可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)， 生產(chǎn)成本低。
2、 經(jīng)本發(fā)明方法處理后的9Crl8鋼制精密軸承表面硬度可達(dá)14GPa，為 未處理軸承的1.5倍。
3、 經(jīng)本發(fā)明方法處理后的9Crl8鋼制精密軸承表面與9Crl8鋼球的滑動(dòng) 摩擦系數(shù)為O.l，為未處理?xiàng)l件下試樣摩擦系數(shù)的1/8。
4、 經(jīng)本發(fā)明方法處理后的9Crl8鋼制精密軸承的疲勞壽命為未處理軸承 的2.3倍左右。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式包括步驟一、超聲清洗將多個(gè)待處理的
9Crl8鋼制精密軸承分別放入純度為99.9%以上的丙酮溶液中超聲清洗兩次， 每次超聲清洗持續(xù)8min 15min;
步驟二、真空處理將多個(gè)處理過的9Crl8鋼制精密軸承放到真空室試樣臺(tái)上，抽真空至真空度為1.0xl(T4Pa~1.0xl(r3Pa;
步驟三、預(yù)濺射清洗對(duì)所述9Crl8鋼制精密軸承進(jìn)行預(yù)濺射清洗 10min 30min，射頻功率在0.8kW 2kW之間，電壓在500V-700V之間，電流 在0.2mA/cn^ 0.5mA/cr^之間，調(diào)節(jié)射頻功率，使產(chǎn)生的氬氣等離子濃度在 1 .Ox 10910/cm3~l .Ox 101()/cm3之間；
步驟四、氮離子注入所述9Crl8鋼制精密軸承緩慢繞自身軸線勻速旋 轉(zhuǎn)的同時(shí)，用離子注入機(jī)對(duì)所述9Crl8鋼制精密軸承進(jìn)行氮離子注入處理， 氣源采用純度為99.999%的氮?dú)?，氮?dú)鈿鈮涸?.08Pa 0,2Pa之間，注入電壓在 30kV 50kV之間，注入劑量在3xl0"ions/cml4xl0"ions/cn^之間，在注入過 程中注入電流密度控制在2|nA/cm2 2.5|iA/cm2之間，保證工件溫升不超過 150°C;
步驟五、銀離子注入保持所述9Crl8鋼制精密軸承緩慢繞自身軸線勻 速旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)真空室內(nèi)氣體壓強(qiáng)至0.1Pa 0.5Pa，在9Crl8鋼制精密軸承上施 加一個(gè)負(fù)偏壓，注入?yún)?shù)為注入電壓在30kV 50kV之間，注入電流密度在 lpA/cmL3.5iiA/ci^之間，以直流磁控濺射銀耙提供銀離子源，磁控濺射參數(shù) 為濺射偏壓在200V 400V之間，濺射電流調(diào)至80mA 120mA之間持續(xù) 8min 15min，再將濺射電流調(diào)至180mA 220mA之間持續(xù)25min 35min，同 時(shí)保證工件溫升不超過15(TC;
步驟六、真空室內(nèi)氣壓恢復(fù)常壓，并冷卻至室溫。
由于處于極端低溫環(huán)境下，固體潤(rùn)滑是改善9Crl8鋼制精密軸承潤(rùn)滑性 能的唯一選擇，固體潤(rùn)滑材料的選擇及其與基體的結(jié)合力是低溫軸承固體潤(rùn) 滑效果好壞的重要因素。銀是一種常用的低溫固體潤(rùn)滑材料，而采用等離子 體基銀離子注入技術(shù)是一種制備精密軸承銀固體潤(rùn)滑層的有效方法，通過離 子注入在銀層和9Crl8鋼基體之間形成一個(gè)混合層，有利于提高基體和潤(rùn)滑 層之間的結(jié)合力。
為了提高9Crl8鋼制精密軸承的承載能力和使用壽命，必須要對(duì)其進(jìn)行 表面強(qiáng)化處理。材料表面強(qiáng)化的方法很多，包括噴涂，激光表面強(qiáng)化，離子 鍍，等離子體基離子注入等。由于精密軸承對(duì)其尺寸精度的苛刻要求，在諸 多表面強(qiáng)化技術(shù)中只有等離子體基離子注入技術(shù)能夠用于精密軸承的表面強(qiáng)
6化處理。等離子體基離子注入技術(shù)還具有以下優(yōu)點(diǎn)-(1)克服視線加工的局限，實(shí)現(xiàn)全方位注入
由于在等離子體基離子注入過程中，工件(本實(shí)施方式中指9Crl8鋼制 精密軸承)湮沒在等離子體中，依靠施加在工件上的脈沖負(fù)偏壓所產(chǎn)生的強(qiáng) 電場(chǎng)，幾乎每個(gè)暴露的金屬表面均可吸引離子，從而可從四面八方對(duì)工件進(jìn) 行全方位的離子注入，解決了離子注入在復(fù)雜形狀工件上的應(yīng)用問題。
(2) 高效率，操作控制安全方便
由于離子注入可以在施加脈沖負(fù)電位的工件上同時(shí)進(jìn)行，無需掃描，就 可實(shí)現(xiàn)大面積注入，故效率頗高。另外調(diào)節(jié)脈沖負(fù)偏壓大小，波形和頻率就 可方便地控制離子注入過程，操作方便。
(3) 批量生產(chǎn)
加工過程中，陰極是工件本身，工件周圍的等離子鞘層就是陽(yáng)極，因此 每個(gè)工件及其周圍的等離子體鞘層就形成了一個(gè)獨(dú)立的離子注入系統(tǒng)，這樣 等離子體基離子注入就可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。
(4) 生產(chǎn)成本降低
由于是全方位離子注入，工件在傳統(tǒng)離子注入過程中所必需的往復(fù)、旋 轉(zhuǎn)等操作就可以省去，故此注入設(shè)備不需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)動(dòng)靶臺(tái)，也不需要離子 束掃描裝置。再加上生產(chǎn)效率高，可批量生產(chǎn)，故總的生產(chǎn)成本相對(duì)傳統(tǒng)離 子注入技術(shù)有較大降低。
步驟五中所述9Crl8鋼制精密軸承緩慢繞自身軸線勻速旋轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn) 單，只要將多個(gè)9Crl8鋼制精密軸承固定在試樣臺(tái)上，利用簡(jiǎn)單裝置就能實(shí) 現(xiàn)每個(gè)9Crl8鋼制精密軸承繞自身軸線自轉(zhuǎn)。參見中國(guó)專利ZL92113717.6。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，步驟一中 所述的每次超聲清洗持續(xù)時(shí)間為8min，其它步驟和技術(shù)參數(shù)與實(shí)施方式一相 同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，步驟一中 所述的每次超聲清洗持續(xù)時(shí)間為10min，其它步驟和技術(shù)參數(shù)與實(shí)施方式一相 同。
具體實(shí)施方式
四:本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，步驟三中對(duì)所述9Crl8鋼制精密軸承進(jìn)行預(yù)濺射清洗20min，射頻功率在1. 2kW 1.5kW 之間，電壓在550V 650V之間，其它步驟和技術(shù)參數(shù)與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，步驟三中 對(duì)所述9Crl8鋼制精密軸承進(jìn)行預(yù)濺射清洗30min，射頻功率在0.8kW 1.5kW 之間，電流為0.25mA/cm2，其它步驟和技術(shù)參數(shù)與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，步驟三中 對(duì)所述9Crl8鋼制精密軸承進(jìn)行預(yù)濺射清洗20min，射頻功率為lkW，電壓 為650V，電流在為0.5mA/cm2，其它步驟和技術(shù)參數(shù)與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，步驟四中 氮?dú)鈿鈮涸?.1Pa 0.18Pa之間，注入電壓在35kV 45kV之間，注入劑量在 3.3xlO"ions/cm^3.8xlO"ions/crr^之間，其它步驟和技術(shù)參數(shù)與實(shí)施方式一相 同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，步驟四中 氮?dú)鈿鈮簽?.2Pa，注入電壓在40kV 45kV之間，注入劑量在3.5xl017ions/cm2 ~3.7xl017ions/cm2之間，在注入過程中注入電流密度控制在2.2pA/cm2 2.4pA/cm2之間，其它步驟和技術(shù)參數(shù)與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，步驟四中 氮?dú)鈿鈮簽?.08Pa，注入電壓為40kV，注入劑量為3xl017ons/cm2，在注入過 程中注入電流密度控制在2.2^lA/cm^2.4^iA/cmS之間，其它步驟和技術(shù)參數(shù)與 實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，步驟五中 在9Cd8鋼制精密軸承上施加一個(gè)負(fù)偏壓，注入?yún)?shù)為注入電壓在 35kV 45kV之間，注入電流密度在2jiA/cmL2.5pA/cn^之間，以直流磁控濺 射銀靶提供銀離子源，磁控濺射參數(shù)為濺射偏壓在220V 300V之間，濺射 電流調(diào)至卯mA 110mA之間持續(xù)10min 12min，再將濺射電流調(diào)至 180mA 210mA之間持續(xù)28min 32min,其它步驟和技術(shù)參數(shù)與實(shí)施方式一相 同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，步驟五 中注入電流密度在2|iiA/cm2~2.5^iA/cm2之間，濺射電流調(diào)至100mA.持續(xù)10min，再將濺射電流調(diào)至200mA持續(xù)30min，其它步驟和技術(shù)參數(shù)與實(shí)施方 式一相同。
具體實(shí)施方式
十二本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，步驟五 中磁控濺射參數(shù)為在9Crl8鋼制精密軸承上施加一個(gè)負(fù)偏壓，注入?yún)?shù)為 注入電壓為30kV，注入電流密度在2pA/cmL2.5^iA/cn^之間，以直流磁控濺 射銀靶提供銀離子源，磁控濺射參數(shù)為濺射偏壓為300V，濺射電流調(diào)至 100mA持續(xù)10min，再將濺射電流調(diào)至200mA持續(xù)30min，其它步驟和技術(shù) 參數(shù)與實(shí)施方式一相同。
權(quán)利要求
1、9Cr18鋼制精密軸承表面等離子體基氮離子與銀離子注入方法，其特征在于它包括步驟一、超聲清洗將多個(gè)待處理的9Cr18鋼制精密軸承分別放入純度為99.9％以上的丙酮溶液中超聲清洗兩次，每次超聲清洗持續(xù)8min～15min；步驟二、真空處理將多個(gè)處理過的9Cr18鋼制精密軸承放到真空室試樣臺(tái)上，抽真空至真空度為1.0×10-4Pa～1.0×10-3Pa；步驟三、預(yù)濺射清洗對(duì)所述9Cr18鋼制精密軸承進(jìn)行預(yù)濺射清洗10min～30min，射頻功率在0.8kW～2kW之間，電壓在500V～700V之間，電流在0.2mA/cm2～0.5mA/cm2之間，調(diào)節(jié)射頻功率，使產(chǎn)生的氬氣等離子濃度在1.0×10910/cm3～1.0×1010/cm3之間；步驟四、氮離子注入所述9Cr18鋼制精密軸承緩慢繞自身軸線勻速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，用離子注入機(jī)對(duì)所述9Cr18鋼制精密軸承進(jìn)行氮離子注入處理，氣源采用純度為99.999％的氮?dú)?，氮?dú)鈿鈮涸?.08Pa～0.2Pa之間，注入電壓在30kV～50kV之間，注入劑量在3×1017ions/cm2～4×1017ions/cm2之間，在注入過程中注入電流密度控制在2μA/cm2～2.5μA/cm2之間，保證工件溫升不超過150℃；步驟五、銀離子注入保持所述9Cr18鋼制精密軸承緩慢繞自身軸線勻速旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)真空室內(nèi)氣體壓強(qiáng)至0.1Pa～0.5Pa，在9Cr18鋼制精密軸承上施加一個(gè)負(fù)偏壓，注入?yún)?shù)為注入電壓在30kV～50kV之間，注入電流密度在1μA/cm2～3.5μA/cm2之間，以直流磁控濺射銀靶提供銀離子源，磁控濺射參數(shù)為濺射偏壓在200V～400V之間，濺射電流調(diào)至80mA～120mA之間持續(xù)8min～15min，再將濺射電流調(diào)至180mA～220mA之間持續(xù)25min～35min，同時(shí)保證工件溫升不超過150℃；步驟六、真空室內(nèi)氣壓恢復(fù)常壓，并冷卻至室溫。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的9Crl8鋼制精密軸承表面等離子體基氮離子與 銀離子注入方法，其特征在于步驟一中所述的每次超聲清洗持續(xù)時(shí)間為8min。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的9Crl8鋼制精密軸承表面等離子體基氮離子與 銀離子注入方法，其特征在于步驟一中所述的每次超聲清洗持續(xù)時(shí)間為10min。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的9Crl8鋼制精密軸承表面等離子體基氮離子與 銀離子注入方法，其特征在于步驟三中對(duì)所述9Crl8鋼制精密軸承進(jìn)行預(yù)濺 射清洗20min，射頻功率在1. 2kW 1.5kW之間，電壓在550V-650V之間。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的9Crl8鋼制精密軸承表面等離子體基氮離子與 銀離子注入方法，其特征在于步驟三中對(duì)所述9Crl8鋼制精密軸承進(jìn)行預(yù)濺 射清洗30min，射頻功率在0.8kW 1.5kW之間，電流為0.25mA/cm2。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的9Crl8鋼制精密軸承表面等離子體基氮離子與 銀離子注入方法，其特征在于步驟四中氮?dú)鈿鈮涸?.1Pa 0.18Pa之間，注入 電壓在35kV 45kV之間，注入劑量在3.3xlO"ions/cmL3.8xlO"ions/cn^之間。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的9Crl8鋼制精密軸承表面等離子體基氮離子與 銀離子注入方法，其特征在于步驟四中氮?dú)鈿鈮簽?.2Pa，注入電壓在 40kV 45kV之間，注入劑量在3.5xl017ions/cm2~3.7xl017ions/cm2之間，在注 入過程中注入電流密度控制在2.2pA/ci^ 2.4iLiA/cr^之間。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的9Crl8鋼制精密軸承表面等離子體基氮離子與 銀離子注入方法，其特征在于步驟五中在9Crl8鋼制精密軸承上施加一個(gè)負(fù) 偏壓，注入?yún)?shù)為注入電壓在35kV 45kV之間，注入電流密度在 2(iA/cm^2.5iiA/ci^之間，以直流磁控濺射銀靶提供銀離子源，磁控濺射參數(shù) 為濺射偏壓在220V 300V之間，濺射電流調(diào)至90mA 110mA之間持續(xù) 10min 12min，再將濺射電流調(diào)至180mA 210mA之間持續(xù)28min 32min。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的9Crl8鋼制精密軸承表面等離子體基氮離子與 銀離子注入方法，其特征在于步驟五中注入電流密度在2pA/Cm2~2.5|iA/Cm2 之間，濺射電流調(diào)至100mA持續(xù)10min，再將濺射電流調(diào)至200mA持續(xù)30min。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的9Crl8鋼制精密軸承表面等離子體基氮離子 與銀離子注入方法，其特征在于步驟五中磁控濺射參數(shù)為在9Crl8鋼制精 密軸承上施加一個(gè)負(fù)偏壓，注入?yún)?shù)為注入電壓為30kV，注入電流密度在 2nA/cm^2.5^iA/cmS之間，以直流磁控濺射銀耙提供銀離子源，磁控濺射參數(shù) 為濺射偏壓為300V，濺射電流調(diào)至lOOmA持續(xù)10min，再將濺射電流調(diào)至 200mA持續(xù)30min。
全文摘要
9Cr18鋼制精密軸承表面等離子體基氮離子與銀離子注入方法，屬于精密零件表面強(qiáng)化處理領(lǐng)域，本發(fā)明的目的是為了解決目前未經(jīng)任何處理的9Cr18鋼制精密軸承工作在極低溫度工況時(shí)，軸承的承載能力不足，潤(rùn)滑性能差，強(qiáng)度低，既而影響其服役壽命的問題。包括步驟一、超聲清洗；步驟二、真空處理；步驟三、對(duì)9Cr18鋼制精密軸承進(jìn)行預(yù)濺射清洗；步驟四、用離子注入機(jī)對(duì)9Cr18鋼制精密軸承進(jìn)行氮離子注入處理；步驟五、對(duì)9Cr18鋼制精密軸承進(jìn)行銀離子注入處理；步驟六、真空室恢復(fù)常壓，并冷卻至室溫。使得應(yīng)用在極低溫的環(huán)境下的9Cr18鋼制精密軸承表面硬度14GPa，滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1，疲勞壽命提高2.3倍。
文檔編號(hào)C23C14/48GK101457348SQ20081013753
公開日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2008年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者唐光澤, 馬欣新 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)