一種軸承鋼表面Ta薄膜的制備方法技術

本發明專利技術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，首先將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；然后將工件在真空狀態下進行表面濺射清洗，并在工件表面進行非金屬離子注入；再將Ta表面進行濺射清洗，并將上述工序得到的工件表面沉積Ta基薄膜；最后將Ta基薄膜進行非金屬離子注入。采用本發明專利技術方法得到的軸承鋼的硬度高、耐磨性好，經過測試，軸承鋼的硬度至少提高了80%，磨損率下降了65%左右，有效延長了軸承鋼的使用壽命。而且所制備的薄膜與基體間沒有明顯的界面，能夠實現冶金結合，提高了結合力，同時也提高了工件的硬度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于表面膜層強化
，特別涉及一種軸承鋼表面Ta基薄膜的制備方法。
技術介紹
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。GCrl5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°C的軸承。雖然GCrl5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。
技術實現思路
本專利技術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，本專利技術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(I)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 ( O. 1075 μ m ;優選的,有機溶劑為無水乙醇或無水丙酮；( 2)將步驟(I)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彡2X 10_3Pa，真空室的漏氣率彡O. 05Pa -L/s ;優選采用氬氣電離產生的離子對工件表面進3行濺射清洗，氣壓為O. 2 O. 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O. 8 IPa，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 lOOnm。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8 111^，注入劑量1\1017 5父101710118/0112。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3X1017ions/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GCr 15鋼。本專利技術的有益效果是1、將軸承鋼的表層初步處理后利用磁控濺射技術沉積金屬Ta薄膜，然后采用離子注入技術對Ta沉積層進行非金屬離子注入，得到高硬度、高耐磨性的Ta基薄膜，軸承鋼的硬度至少提高了 80%，磨損率下降了 65%左右，有效延長了軸承鋼的使用壽命。2、本專利技術方法的制備過程中，是在常溫下進行，工件不存在溫度升高現象，因此工件基體材料的硬度和軸承的尺寸精度不受影響。3、所制備的薄膜與基體間沒有明顯的界面，能夠實現冶金結合，提高了結合力，同時也提高了工件的硬度。4、本專利技術采用離子注入技術，清潔無污染，而且可在工件表面形成壓應力，減少表面裂紋的出現。附圖說明圖I是實施例I中試樣的硬度對比圖。圖2是實施例2中試樣的摩擦系數與摩擦時間曲線圖。具體實施例方式下面結合實施例，對本專利技術作進一步說明本實驗所用到的設備DLZ-01型等離子體基離子注入機。實施例I( I )、軸承鋼表面的預處理GCr15鋼表面拋光及清洗本實施例所用到的軸承鋼為GCrl5鋼，先用金相砂紙將軸承鋼表面打磨磨光，金相砂紙依次采用200 #、600 #、1000 #、1500 #、2000 #砂紙，然后以金剛石研磨膏作為拋光劑經機械拋光至Ra ( O. 1075 μ m，最后將經拋光后的工件分別置于無水乙醇和無水丙酮中并利用超聲清洗10分鐘，表面吹干備用；(2)、基本非金屬離子的注入將經過預處理過的軸承鋼放在真空室中，真空室的背底真空度彡2X 10 以下，真空室的漏氣率< O. 05Pa · L/s ;利用氬氣電離產生的離子對工件表面進行濺射清洗，濺射氣壓為O. 2 O. 3Pa，工件偏壓-600 750V，清洗30 40min，濺射清洗的目的為除去工件表面可能殘存的氧化物和油污；利用等離子體基離子注入技術對基體進行氮離子注入，等離子體發生氣體為高純N2,注入電壓為60kV，注入電流為10mA，注入劑量為3 X 1017ions/2cm ο( 3 )、金屬Ta薄膜的沉積利用氬氣電離產生的離子體對Ta濺射清洗，磁控電流為400mA，清洗電流為400mA，濺射氣壓O. 8 IPa，清洗時間為15分鐘；利用非平衡磁控濺射的方法在工件表面沉積金屬Ta薄膜，采用的磁控電流為400mA，濺射電流100mA，工件偏壓-200V，薄膜的厚度為 IOOnm0(4)、Ta基薄膜非金屬離子的注入利用高純N2作為等離子體發生源，對Ta薄膜進行氮離子注入，注入電壓為60kV，注入電流為10mA，注入劑量lX1017ionS/cm2，標記為1#試樣；其他條件不變的情況下，僅調節Ta基薄膜氮離子的注入量，將注入劑量改為3 X 1017ions/cm2,標記為2#試樣，將注入劑量改為5X 1017ionS/cm2，標記為3#試樣，與外表面不加任何處理的0#試樣進行硬度對比測試，測試結果如圖I所示，當Ta基薄膜氮離子量注入了達到3X1017ionS/cm2時，表面硬度達到了 17.86 &，比不加任何表面處理的0#試樣提高了 110%，隨著氮離子量注入量的提高，表面硬度反而下降了。同時，又對2#試樣的磨損狀況作了檢測，實驗結果表明2#試樣的摩擦系數為O. 2，而0#試樣的摩擦系數為O. 8，2#試樣磨損率比0#試樣下降了 88%，說明Ta基薄膜氮離子量注入后材料的耐磨性大大增強了 ；而且薄膜與基體間存在約20nm的混合層，該混合層為強化層，提高了基體的硬度。實施例2(I)、軸承鋼表面的預處理、基本非金屬離子的注入及金屬Ta薄膜的沉積三個步驟同實施例I。(2)、Ta基薄膜非金屬離子本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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；（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；（3）將Ta表面進行濺射清洗，然后在步驟（2）中得到的工件表面沉積Ta基薄膜；（4）將步驟（3）中的Ta基薄膜進行非金屬離子注入。

【技術特征摘要】
1.一種軸承鋼表面Ta基薄膜的制備方法，其步驟包括 (I)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; (2 )將步驟(I)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； (3)將Ta表面進行濺射清洗，然后在步驟(2)中得到的工件表面沉積Ta基薄膜； (4)將步驟(3)中的Ta基薄膜進行非金屬離子注入。2.根據權利要求I所述的軸承鋼表面Ta基薄膜的制備方法，其特征在于所述步驟(I)中，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. 1075 u m03.根據權利要求I所述的軸承鋼表面Ta基薄膜的制備方法，其特征在于所述步驟(1)中，將拋光后的工件分別置于無水乙醇和無水丙酮中超聲清洗5-15分鐘。4.根據權利要求I所述的軸承鋼表面Ta基薄膜的制備方法，其特征在于所述步驟(2)中，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<2X10_3Pa，真空室的漏氣率彡0. 05Pa L/s。5.根據權利要求I所述的軸承鋼表面Ta基薄膜的制備方法，其特征在于所述步驟(2)中，采用氬氣電離產生的離子對工件表面進行濺射...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李忠文，唐光澤，馬欣新，
申請(專利權)人：上海工程技術大學，
類型：發明
國別省市：