[發明專利]軸承球滾動體全表面潤滑耐磨涂層的批量制備方法

有效

• 申請號: 201410792168.0
• 申請日: 2014-12-19
• 公開（公告）號: CN105779946B
• 公開（公告）日: 2018-02-27
• 發明（設計）人: 王立平;吳貴智;王海新;張廣安
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘭州化學物理研究所
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;C23C14/06
• 代理公司: 蘭州中科華西專利代理有限公司62002
• 代理人: 方曉佳

技術領域

本發明屬于表面工程潤滑耐磨涂層技術領域，涉及一種軸承球滾動體全表面潤滑耐磨涂層的批量制備方法，具體說是采用物理氣相沉積技術批量在軸承球滾動體（鋼球、陶瓷球）全表面獲得薄厚均一、性能優良的潤滑耐磨涂層的方法。

背景技術

軸承是機械傳動機構中的支承件，使用十分廣泛，在工作過程中承受壓應力、剪切力、沖擊應力、疲勞、摩擦磨損等復雜工況條件，其質量的好壞直接影響機械整機的工作性能。對于機械部件中的軸承，因部位不同，承受的力亦不同，受力大及應力集中的地方會先磨損，往往造成軸承某部位表面磨損小片剝落或變形而使軸承失效。一旦軸承失效，將嚴重影響整個系統的正常工作。尤其是應用于人造衛星、航空航天飛行器、精密儀器等系統中的高性能軸承，更換其中的失效軸承花費巨大。

在軸承各個摩擦面上鍍制潤滑耐磨涂層，能提高零件表面減摩、抗磨損、耐腐蝕及抗疲勞能力。目前最常用的技術是物理氣相沉積技術鍍制潤滑耐磨涂層。物理氣相沉積技術是一種低溫氣相沉積技術，可以在不改變金屬基體固有性能的基礎上提高其表面強度、韌性、減摩耐磨性、耐蝕性等性能。目前大量的機械零部件表面均采用了物理氣相沉積技術制備高性能涂層，達到提高機械零部件使用壽命的目的。物理氣相沉積可以鍍制硬質耐磨涂層、潤滑減摩涂層、耐蝕耐磨涂層等，如TiN、CrN、TiCN、TiAlN、CrAlN、TiSiN、DLC、GLC、MoS₂等多種類型的涂層。實際使用中可以根據工況選擇不同的涂層以達到性能需求，是一種先進高效的表面改性技術。

軸承部件主要包括軸承內圈、軸承外圈、滾動體和保持架，目前已可實現對軸承內外圈、保持架的物理氣相沉積涂層制備。但對于滾動體，尤其是球形滾動體，由于支撐體的影響，難以實現全表面鍍膜；即便可以設計出全表面鍍膜的夾具系統，也會由于夾具系統過于復雜，無法實現批量鍍膜，從而不能形成工業化生產能力。軸承球滾動體是軸承中的重要部件，是主要受到摩擦及磨損的部件，若能實現其表面全方位批量鍍制潤滑耐磨涂層，將極大提高我國高性能軸承的制備水平和應用范圍。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種軸承球滾動體全表面潤滑耐磨涂層的批量制備方法。該方法采用物理氣相沉積技術，在軸承球滾動體（鋼球、陶瓷球）表面進行全方位鍍膜，制備的膜層可均勻覆蓋于軸承球滾動體（鋼球、陶瓷球）表面，薄厚均一、具有硬度高、韌性好、減摩、耐磨性好的優點，且能進行批量制備，適合工業化批量生產。

軸承球滾動體全表面潤滑耐磨涂層的批量制備方法，包括以下步驟：

1）滾動體經超聲清洗后用氮氣吹干，然后將其放入鍍膜支撐裝置中；所述鍍膜支撐裝置包括其形狀為空心圓柱體的不銹鋼網子和置于網子軸線上的作為網子轉動軸的不銹鋼絲杠；

2）將已放入滾動體的鍍膜支撐裝置安置在真空腔體內，所述不銹鋼絲杠通過齒輪與真空腔體內的轉動架相連，所述網子在真空腔體內做勻速轉動，滾動體在網子中做自由滾體運動；

3）等離子體轟擊清洗：真空腔體抽至5×10^-3Pa后，利用等離子體濺射清洗滾動體表面及鍍膜支撐裝置，工作氣體為高純氬氣，氬氣流量為50~100sccm，偏壓為-800V，清洗時間為30~50min；之后開啟電弧Ti靶或Cr靶，利用電弧對真空腔體進一步進行轟擊清洗，持續10min，弧電源電壓和電流分別為22V和60A，偏壓維持在-800V，轟擊清洗完成后關閉電弧Ti靶或Cr靶；

4）沉積金屬粘結層：清洗工作完成后，調節氬氣流量至30sccm，開啟電弧Ti靶或Cr靶，利用電弧離子鍍沉積Ti或Cr粘結層，金屬Ti靶或Cr靶為陰極，工作氣體為氬氣，弧電源電壓和電流分別為22V和70A，偏壓為-300~-500V，沉積時間為10min；

5）沉積氮化物過渡層：將偏壓從-300~-500V逐漸調節至-70~-100V，變化速率為2V/秒，氬氣流量維持在30sccm，弧電源電壓和電流分別為22V和70A，調節氮氣流量，使氮氣流量從0sccm逐漸增加至70sccm，變化速率為2sccm/秒；過渡層為具有梯度結構的TiN或CrN過渡層，沉積時間為10min；

6）沉積潤滑耐磨涂層：偏壓維持在-70V~-100V，氬氣流量維持在30sccm，氮氣流量維持在70sccm，弧電源電壓和電流維持不變，在梯度TiN或CrN過渡層上鍍制TiN或CrN薄膜，鍍膜時間60~200min，即可在滾動體表面上獲得潤滑耐磨涂層。

所述步驟6）引入Mo靶或磁控石墨靶，即可制備TiCN、CrCN、CrMoN潤滑耐磨涂層。