[發明專利]一種M50軸承鋼的離子束及深冷復合強化方法

在審

• 申請號: 201710532690.9
• 申請日: 2017-07-03
• 公開（公告）號: CN107287572A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 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;C21D1/38;C21D1/773;C21D6/04;C23C14/02
• 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M50軸承鋼的離子束及深冷處理復合強化方法，屬于金屬材料的深冷處理和離子束表面強化交叉領域。

背景技術

高端軸承的特征之一是軸承具有較高的精度和較長的使用壽命，較高的耐磨和抗疲勞等性能，表面改性是提高軸承性能比較快捷和有效的方法。以航空發動機主軸承為例，主軸承是航空發動機的關鍵部件之一，在高速、高溫、受力復雜的條件下運轉，主軸承質量和性能直接影響到發動機性能、壽命和可靠性，而航空發動機的關鍵指標之一就是高可靠性。要想保證可靠性，前提之一就是要保證發動機內的軸承具備長壽命—主軸承的壽命，軍機航空發動機要求在3000小時以上，民機航空發動機要求更高，要達到數萬小時。而航空發動機中軸承要以每分鐘上萬轉的速度長時間高速運轉，還要承受高溫以及各種形式的應力，高性能軸承鋼材料和表面改性技術是航空發動機主軸承長壽命的重要保障。

M50軸承鋼是目前航空發動機軸承大量使用的軸承材料，普通熱處理后M50軸承鋼的力學性能有所提高，但其表面耐磨損、抗疲勞、硬度、強韌性等仍無法滿足目前航空用軸承要求。離子注入強化技術已經成功應用于航空航天、船舶及汽車等行業軸承鋼材料，離子注入強化技術綠色無污染，且能顯著提高軸承鋼材料的耐磨損和抗疲勞性能，但是存在強韌性能不足，改性層比較淺，強化效果僅僅局限于表層的問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種離子束及深冷處理復合強化M50軸承鋼的方法，克服了現有離子注入強化材料技術的強化效果僅僅局限于材料表層、且無法滿足M50軸承鋼的強韌性特征，以及單一深冷強化處理無法滿足M50軸承鋼較高耐磨損和抗疲勞性能的缺點；本發明方法能夠大幅度提高M50軸承鋼材料的離子注入層深度和次深表層強化深度，提升其強韌性、硬度、耐磨損、抗疲勞性能，形成強韌一體化材料改性層，克服兩種技術單一使用的缺點，而具有協同強化效果。

本發明所提供的軸承鋼強化方法，包括如下步驟：

(1)采用低能大束流氣體離子對軸承鋼進行真空熱處理；

(2)采用液氮對經步驟(1)處理后的所述軸承鋼進行深冷強化處理；

(3)采用氣體離子束對經步驟(2)處理后的所述軸承鋼進行清洗；

(4)采用離子注入方法，向經步驟(3)處理后的所述軸承鋼的表面交替注入氣體離子和金屬離子，至此即實現對所述軸承鋼的強化。

上述強化方法中，所述軸承鋼為M50軸承鋼。

上述強化方法中，步驟(1)、步驟(3)和步驟(4)均在真空度為1.8×10^-4Pa～3.0×10^-2Pa的條件下進行，如在3×10^-4Pa的條件下進行；

均可在一體化離子注入復合設備中進行。

上述的強化方法中，步驟(1)中，所述真空熱處理的條件如下：

所述低能大束流氣體離子采用的離子源為氬氣或氮氣；

轟擊電壓可為0.1～1kV，具體可為0.1kV；

轟擊束流可為50～100mA，具體可為100mA；

時間可為1～3小時，具體可為3小時；

所述真空熱處理可以顯著提高M50軸承鋼的表面強度。

上述強化方法中，步驟(1)中，所述真空熱處理的同時，向所述軸承鋼施加正偏壓或負偏壓。

上述強化方法中，步驟(2)中，所述液氮的溫度為-196℃；

若所述深冷強化處理的時間過長，則容易對(M50)軸承鋼形成損傷，而若所述深冷強化處理的時間過過短，則會導致M50軸承鋼材料組織結構改善不明顯，因此，采用10～20小時冷卻時間可以大幅度的提高M50軸承鋼的硬度和強韌性。

所述深冷強化處理之前，還包括對所述軸承鋼進行保溫的步驟，可在保溫裝置中進行；

所述保溫的溫度可為60～80℃，時間可為60～100min；

所述保溫的步驟可使(M50)軸承鋼的微觀結構處在一個活躍的狀態，然后材料在超低溫環境下(扣除系統的散熱，約-180℃以下，保存一定時間后可以達到-196℃)，發生收縮變形，在材料內部產生大量的位錯，通過細晶強化、改變殘余奧氏體數量、結構、形狀及分布及析出沉淀物來改善金屬材料的強韌性特征。

上述強化方法中，步驟(3)中，所述氣體離子束采用純度為99.99％的氬氣源；

所述清洗步驟用于去除所述軸承鋼表面的吸附層，從而有效避免對后續注入元素的污染；