[發明專利]一種軸承鋼表面Ta薄膜的制備方法

無效

• 申請號: 201210532164.X
• 申請日: 2012-12-11
• 公開（公告）號: CN102978579A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發明（設計）人: 李忠文;唐光澤;馬欣新
• 申請（專利權）人: 上海工程技術大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/48;C23C14/02
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識產權代理有限公司 31227
• 代理人: 吳瑾瑜

技術領域

本發明屬于表面膜層強化技術領域，特別涉及一種軸承鋼表面Ta基薄膜的制備方法。

背景技術

軸承鋼是重要的冶金產品，主要應用于機械制造、鐵路運輸、汽車制造、國防工業等領域。GCr15鋼是常用的高碳鉻軸承鋼，其優異的性能及低廉的價格使其廣泛的被應用于制造各類使用溫度不超過170℃的軸承。雖然GCr15鋼經過淬火加回火后具有較高的硬度、均勻的組織、良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能，但隨著科技的進步，對于軸承的性能要求也越來越高，如何延長軸承使用壽命，一直是材料工作者研究的重要課題，通過表面處理方法提高材料的性能是一條切實可行的途徑，離子注入就是一種這樣的方法。目前離子注入被用于金屬及其合金材料的表面改性，相對于等離子參氮、物理氣象沉積和化學氣象沉積而言，離子注入具有獨特的優越性。但是，軸承鋼經過離子注入后性能有很大提升，但是常溫下離子注入的深度比較淺，不能滿足高速重載軸承的要求。

Ta是第V族元素，硬度和熔點較高，能夠與多種非金屬（C、N、B等元素）形成高硬度高熔點化合物，高硬度可以增加材料表面的耐磨性，高熔點可以使材料抵抗摩擦過程中表面產生的瞬間高溫，也可以提高材料的摩擦磨損性能，因而制備Ta/N、Ta/C化合物薄膜的研究很多。目前此類薄膜的制備多采用反應磁控濺射沉積、化學氣相沉積、離子束輔助沉積等方法；采用離子注入與沉積的方式，可以消除Ta與基體間的界面增加薄膜與基體間的結合強度，沉積層與注入的非金屬元素作用，形成一些化合物，進一步提高薄膜的性能，更重要的是這個過程可以在常溫下進行，對于軸承的尺寸精度和基體硬度沒有任何影響。

發明內容

本發明的目的是提供一種軸承鋼表面Ta基薄膜的制備方法，在軸承鋼的形成一種具有冶金結合的高硬度、高耐磨性的Ta基薄膜，以提高軸承鋼的表面性能，延長軸承鋼的使用壽命。

為了實現以上技術效果，本發明是通過如下步驟實現：

一種軸承鋼表面Ta基薄膜的制備方法，其步驟包括：

（1）軸承鋼表面的預處理，將軸承鋼表面打磨、拋光后置于有機溶劑中超聲清洗并吹干；

優選為，軸承鋼采用金相紙打磨后，以金剛石研磨膏作為拋光劑拋光至Ra≤0.1075μm；優選的，有機溶劑為無水乙醇或無水丙酮；

（2）將步驟（1）中的工件在真空狀態下進行表面濺射清洗，然后在工件表面進行非金屬離子注入；

優選為，將工件放在真空室內進行表面濺射清洗，真空室的背底真空度≤2×10^-3Pa，真空室的漏氣率≤0.05Pa·L/s；優選采用氬氣電離產生的離子對工件表面進行濺射清洗，氣壓為0.2～0.3Pa，工件偏壓為-600～750V，清洗時間為30～40分鐘。

（3）將Ta表面進行濺射清洗，然后采用非平衡磁控濺射的方法，在步驟（2）中得到的工件表面沉積金屬Ta薄膜；

優選的，采用氬氣電離產生的離子對Ta表面進行濺射清洗，磁控電流為300～400mA，清洗電流為300～400mA，濺射氣壓為0.8～1Pa，清洗時間為12～17分鐘；

（4）將步驟（3）中的Ta薄膜層進行非金屬離子注入。

所述步驟（3）中，工件表面沉積金屬Ta薄膜時，磁控電流為300～400mA，濺射電流為100～200mA，工件偏壓-200～-220V，薄膜的厚度為80～100nm。

所述步驟（2）和步驟（4）中，非金屬離子注入電壓為50～70kV，注入電流為8～11mA，注入劑量1×10¹⁷～5×10¹⁷ions/cm²。優選的，所述非金屬離子注入電壓為60kV，注入電流為10mA，注入劑量3×10¹⁷ions/cm²。

所述步驟（2）中的非金屬離子為氮離子，所述步驟（4）中的非金屬離子為氮離子或碳離子。

所述軸承鋼為GCr15鋼。