[發明專利]一種軸承鋼的超低溫離子注入強化系統及方法

在審

• 申請號: 201710317051.0
• 申請日: 2017-05-08
• 公開（公告）號: CN107164737A
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發明（設計）人: 金杰;邵天敏
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C23C14/48
• 分類號: C23C14/48;C21D6/04
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司11245
• 代理人: 關暢,王春霞

技術領域

本發明涉及一種軸承鋼的超低溫離子注入強化系統及方法，屬于金屬表面強化處理技術領域。

背景技術

隨著我國國民經濟的不斷發展，應用于航空、航天、醫療、石化、天然氣、交通等高端裝備領域的高性能軸承產品數量需求越來越大，特別是超低溫環境下使用的特種軸承，超低溫軸承產品性能如超低溫條件下的耐磨損、抗疲勞、強韌性、硬度等性能有待進一步提升，各種軸承鋼材料本身的性能結構特點較難改變，這就要求在軸承鋼材料超低溫強化處理技術方面要有新的創新和突破，軸承鋼材料通過材料相關強化處理技術提高表面硬度、強度、芯部韌性、耐磨損、耐腐蝕等力學和機械性能，超低溫軸承鋼材料強化技術是促進我國特種機械工業提高經濟效益最基礎最關鍵中心環節之一。

為提高超低溫等環境下使用的軸承鋼材料綜合性能，如提高其抗腐蝕、耐磨損及抗疲勞性能，提高表面硬度和強韌性等，目前已證明行之有效的方法之一是采用離子注入技術，離子注入技術是通過電場把高能量的離子加速，通過級聯碰撞效應注入基材里面，析出金屬化合物和合金相，形成離散強化相。離子注入改性層與基體材料溶合為一體，無明顯界面，不存在界面失效剝落現象，離子注入過程可以通過控制溫度﹑注入元素﹑注入元素劑量等參數，在注入層形成非晶和納米晶逐漸過渡的梯度結構材料，可以有效提升軸承鋼材料表面耐磨損、抗疲勞等性能。離子注入技術具有較高的可控性和重復度，十分適合進行軸承鋼材料表面強化，且該技術綠色無污染，但是離子注入技術存在離子注入層過淺，注入層為亞穩態等問題。不過離子注入遇到低溫會發生二次強化，引起新的軸承鋼材料內部組織和性能變化，特別是針對超低溫條件下使用的軸承，需要超低溫條件下進行離子注入。

超低溫技術強化金屬材料是近年來研究的熱點，特別是在工具鋼和軸承鋼研究方面，因為在超低溫條件下馬氏體碎化，碳化物細化，引起硬度增強和韌性提高即同素異構鋼鐵材料強化。但細化晶粒為微米量級，很難細化為納米結構的晶粒，通過深冷制備特別小尺度的納米晶粒時，往往帶來金屬材料的韌性性能降低。

超低溫條件下注入延深納米梯度結構強化層，是利用超低溫和離子注入物理場激變的同時注入超飽和固溶雜質，制備具有梯度結構特點強化層，且強化層具有微結構層的協同強化效應，增強金屬離子注入深度強化性能的同時提高深冷影響區的超韌功能，且超低溫條件下注入具有超低溫環境的穩定性，最終大幅度提高特種工況條件下軸承鋼材料的強韌性、耐磨和抗剝落性能。目前現有技術對軸承鋼材料進行離子注入和超低溫處理，是將軸承鋼材料在真空爐內離子注入后，一般冷卻至室溫，然后將軸承鋼材料從真空爐取出，再送到深冷箱進行低溫深冷處理，首先此方法強化過程中間要經過一段時間，不容易控制冷卻溫度，深冷后再注入，不能控制轉移過程中的低溫吸附而引入注入雜質污染，影響材料的處理質量，這種處理方式需要人工操作較多，容易出現誤操作，而且真空離子注入需要氮或氬氣源、金屬靶材，超低溫處理需要液氮，兩種設備需要不同提供處理介質的裝備，增加成本，生產率低，處理工件的質量不穩定。因此，需要開發軸承鋼的在線超低溫離子注入強化工藝提升金屬材料相關力學和機械性能，并需要設計實施軸承鋼的超低溫離子注入強化工藝的自動化設備系統。

發明內容

本發明的目的是提供一種軸承鋼的超低溫離子注入強化系統，所述強化系統能夠實現超低溫技術、離子注入技術在同一真空下同時強化軸承鋼材料性能，真空及離子源系統穩定性高，在強化過程中可精確地控制冷卻終端溫度值，實現了智能化自動控制，降低成本，提高生產效率；利用本發明強化系統強化軸承鋼，克服了離子注入改性層比較淺、強化效果僅僅局限于表層的缺陷，利用超低溫離子注入在金屬材料次表面下原位制備具有高強超韌等良好力學性能的無界面梯度結構復合材料，可以顯著提高金屬材料的強韌性、耐磨損、抗疲勞等力學和機械性能。

本發明所提供的軸承鋼的超低溫離子注入強化系統，可以單獨實施超低溫技術或離子注入技術強化軸承鋼材料，也可以在同一真空下的同時實施超低溫技術和離子注入技術強化軸承鋼材料。

本發明所提供的超低溫離子注入強化系統，包括一真空腔室、冷卻工裝系統、測溫系統和智能控制系統；

所述真空腔室與抽真空系統相連通；

所述真空腔室的頂部設有金屬離子源和氣體離子源；