[發明專利]一種滾動軸承耐磨膜層的制備方法

在審

• 申請號: 202011089550.7
• 申請日: 2020-10-13
• 公開（公告）號: CN112501554A
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 葉福興
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/30;C23C14/34
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 王麗

本發明涉及一種滾動軸承耐磨膜層的制備方法，通過電子束物理氣相沉積技術在軸承的表面上制備具有高硬度、高結合力、低摩擦系數的多層耐磨膜層。該膜層由耐磨材料和自潤滑材料組成，其中耐磨材料的化學成分為氮化鈦、氮化鉻、碳氮化鈦、碳氮鋁鈦等氮化物、碳氮化物的一種或幾種組成，自潤滑材料由二硫化鉬、二硫化鎢、類金剛石的一種或幾種組成。膜層的總厚度為1?10微米，膜層的微觀結構為多層結構。膜層因高硬度材料的存在不僅硬度高，而且因自潤滑材料的潤滑特性使得膜層的摩擦系數又低，可降低到0.21以下，遠遠低于傳統軸承的0.6以上的摩擦系數，從而提高軸承的使用壽命，降低運轉時的阻力和振動噪音。

技術領域

本發明涉及滾動軸承領域，具體是一種采用電子束物理氣相沉積技術(EB-PVD)，在滾動軸承表面上制備硬度高、結合力高、摩擦系數低的耐磨膜層的方法，從而提高軸承的使用壽命，降低運轉時的阻力和振動噪音。

背景技術

軸承是機械傳動中的關鍵支撐部件，其主要作用是支撐機械旋轉體，降低其運動過程中的摩擦系數和噪音。軸承表面因機械部件高速轉動過程中所形成摩擦而導致磨損失效。按運動元件摩擦性質的不同，軸承可分為滾動軸承和滑動軸承兩大類。其中滾動軸承已經標準化、系列化，但與滑動軸承相比，它的運轉速度高，徑向尺寸、振動和噪聲較大，價格也較高。為了提高軸承的耐磨性，滿足特殊工況的要求，常常采用熱處理或鍍膜的方式提高軸承表面硬度，從而提高其服役壽命。

然而常見熱處理技術受軸承本身材料的限制，軸承熱處理后的硬度一般為800HV以下，而且表面的摩擦系數為0.6以上，不僅硬度提高有限，而且具有摩擦系數高的缺點，無法滿足高端裝備中苛刻工況的服役要求。

常規的磁控濺射、化學鍍膜技術所獲得的膜層的硬度雖然高些，但是膜層的結合力低，難于超過30N，厚度也一般難于超過1微米，膜層的沉積效率低，生產效率低下，成本高。

本發明為了解決現有方法制備的軸承表面膜層硬度低、膜層結合力低、難于制備厚膜層、生產效率低下的問題，提供了一種采用電子束物理氣相沉積技術在軸承表面上制備耐磨膜層的方法。

發明內容

針對上述現有技術的不足之處，本發明提供了一種采用電子束物理氣相沉積技術(EB-PVD)，在滾動軸承表面上制備硬度高、結合力高、摩擦系數低的耐磨膜層的方法，從而提高軸承的使用壽命，降低運轉時的阻力和振動噪音，以滿足高端機械中苛刻工況的服役要求。

本發明的技術方案在于：通過電子束物理氣相沉積技術(EB-PVD)在軸承的表面上制備具有高硬度、高結合力、低摩擦系數的多層耐磨膜層。該膜層由耐磨材料和自潤滑材料組成，其中耐磨材料的化學成分為氮化鈦(TiN)、氮化鉻(CrN)、碳氮化鈦(TiCN)、碳氮鋁鈦(TiAlCN)等氮化物、碳氮化物的一種或幾種組成，自潤滑材料由二硫化鉬(MoS₂)、二硫化鎢(WS₂)、類金剛石(DLC)的一種或幾種組成。膜層的總厚度為1-10微米，膜層的微觀結構為多層結構。

本發明采用電子束物理氣相沉積技術(EB-PVD)制備耐磨膜層的步驟如下：

(1)軸承的固定：將軸承經過丙酮、超聲波清洗后固定在夾具上，然后放入電子束物理氣相沉積(EB-PVD)設備的真空室中；

(2)軸承預熱：抽真空室到設定的真空度，開啟電子束對軸承進行預熱，到設定的預熱溫度后停止加熱。

(3)沉積膜層：開啟電子束對一種或兩種靶材進行加熱，并充入反應氣體，將一種或兩種靶材物質濺射沉積到軸承表面上，膜層達到設定厚度后關閉電子束。

(4)軸承冷卻：在真空室內冷卻后取出得到鍍有耐磨膜層的軸承。

膜層制備過程中，軸承的預熱溫度為100-500℃，真空室的真空度保持為1×10^-4Pa至1×10^-4Pa。