一種類金剛石涂層軸承及離子濺射鍍層機和軸承加工方法與流程

本發明涉及軸承加工領域，具體而言，涉及一種類金剛石涂層軸承及離子濺射鍍層機和軸承加工方法。

背景技術：

軸承是機械傳動機構中的支承件，它的質量直接影響機械整機的工作性能。軸承在工作過程中承受壓力、剪力及疲勞沖擊摩擦等復雜受力。為了提高軸承的承載能力和惡劣環境下的機械性能，一致受到軸承工作者的重視。提高軸承疲勞性能的方法涉及材料、冶金、設計和加工能方面。隨著科技的進步和各種新材料加工工藝的出現，不同類型的表面改性技術開始引起人們的興趣。常見于軸承新能改善的表面改性方法有物理氣相沉積、高速氧火焰噴涂、離子注入、離子濺射等方法。目前較為常見的方法為離子注入和離子濺射法。

但是，通過離子注入法得到的改性層較薄，使一些重要部件比如航空發動機主軸軸承經受住高速、重載下長期工作的考核，所以不適用于要求較高的軸承。

離子濺射形成保護涂層是改變金屬材料表面性能的新方法。離子濺射涂層是在部分真空的濺射室中輝光放電，產生正的氣體離子；在陰極(靶)和陽極(試樣)間電壓的加速作用下，荷正電的離子轟擊陰極表面，使陰極表面材料原子化；形成的中性原子，從各個方向濺出，射落到試樣的表面，于是在試樣表面上形成一層均勻的涂層。通過離子濺射得到的薄膜均勻，并且具有良好的厚度，適合用于要求加高的軸承。

但目前階段，離子濺射主要用于實驗室進行科研研究用，并未用于工業化生產。造成目前這種情況的技術難題在于，離子濺射對于濺射環境要求較高，對于濺射設備要求較高。并且在傳統的離子濺射作業中，涂層的沉積速率較低，使沉積產生不均勻的情況，使不同區域產生涂層厚度不同的情況，造成了軸承的無法使用。而在離子濺射沉積薄膜的過程中，影響涂層沉積速率的因素主要有離子源的束流、束壓、真空度和溫度。但是隨著實際生產的發現，離子濺射設備中靶材、基板和夾具的各種物理狀態，也是影響涂層沉積速率的一個不容忽視的原因。

目前在離子濺射實際生產中，離子源的束流、束壓、真空度和溫度都無法得到最優的方案，造成了生產過程中軸承涂層的厚度具有差異性。

目前離子濺射設備中，靶材通常智能晃動，無法在離子束轟擊的方向上做往復運動，所以濺射形成的有效涂層趨于有限。現有的離子濺射還存在有效涂層面積小、膜厚均勻性不容易控制和涂層表面質量差的缺陷。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種類金剛石涂層軸承，解決了軸承表面耐磨性和硬度不高的技術問題；本發明還提供了一種軸承的加工方法，解決了傳統離子濺射法的有效鍍膜面積小、膜厚均勻性不容易控制和鍍膜表面質量差的技術問題，提供了一種鍍膜面積大、膜厚均勻性以控制的鍍膜表面質量高的軸承。

本發明是這樣實現的：

一種用于加工類金剛石涂層軸承的離子濺射鍍層機，包括真空室、離子源、真空泵、加熱器、離子中和器、移動鍍膜靶和旋轉基板支架。移動鍍膜靶、旋轉基板支架相對設置且均位于真空室內，旋轉基板支架驅動待鍍層軸承旋轉運動且設置有用于固定待鍍層軸承的鍍膜夾具；移動鍍膜靶包括用于驅動靶材相對旋轉基板之間作往復運動的直線機構。

進一步的，移動鍍膜靶還包括用于放置靶材的靶材支架；所述靶材的兩側通過轉軸設置在所述靶材支架的一端，所述靶材支架的另一端與所述直線運動機構連接。

一種利用離子濺射鍍層機的類金剛石涂層軸承加工方法，包括以下步驟：

使用離子源對相對旋轉基板作往復運動的由類金剛石材料制作而成的靶材進行轟擊，將從移動鍍膜靶濺射的靶材原子沉積在處于旋轉運動的待鍍層軸承表面形成涂層。

進一步的，使用離子源相對旋轉基板作往復運動的靶材進行轟擊之前，還包括利用射頻濺射儀對真空室進行預清洗。

一種類金剛石涂層軸承加工方法，在使用離子源對相對旋轉基板作往復運動的由類金剛石材料制作而成的靶材進行轟擊時，真空室內通入達到預設工作壓力的工作氣體，工作氣體包括氬氣、氪氣、氮氣、乙炔、甲烷、氫氣中的任一氣體。

進一步的，工作氣壓為6.0～8.0Pa。

進一步的，將從移動鍍膜靶濺射的靶材原子沉積在處于旋轉運動的待鍍層軸承表面的時間為14～17min。

一種基于以上類金剛石涂層軸承加工方法的類金剛石涂層軸承表面形成有涂層。

進一步的，類金剛石涂層軸承包括軸承本體。軸承本體包括軸承內圈和軸承外圈，軸承內圈和軸承外圈之間設置有滾動體。軸承內圈與滾動體接觸面、軸承外圈與滾動體接觸面都設置有類金剛石涂層。

進一步的，金剛石涂層的厚度為0.5～0.8μm。

上述方案的有益效果：

本發明提供了一種類金剛石軸承，通過在軸承的表面鍍有類金剛石的涂層，增強了軸承內圈和軸承外圈接觸面的表面硬度和耐磨性，使軸承的抗疲勞壽命得到了顯著的提高。

本發明還提供了一種加工類金剛石軸承的方法，實現了軸承表面涂層的均勻、涂層結構致密，從而實現了軸承耐磨性和表面硬度的增強。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發明提供的軸承結構示意圖；

圖2為本發明提供的離子濺射裝置結構示意圖。

附圖標記說明：

圖標：100-類金剛石涂層軸承；200-離子濺射裝置；110-軸承本體；111-軸承外圈；112-滾動體；113-軸承內圈；114-類金剛石涂層；201-真空室；202-離子源；203-真空泵；204-移動鍍膜靶；205-加熱器；206-直線運動機構；207-靶材；208-靶材支架；209-旋轉基板支架；210-鍍膜夾具；211-離子中和器。

具體實施方式

下面將結合實施例對本發明的實施方案進行詳細描述，但是本領域技術人員將會理解，下列實施例僅用于說明本發明，而不應視為限制本發明的范圍。實施例中未注明具體條件者，按照常規條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規產品。

以下針對本發明實施例提供的類金剛石涂層軸承100進行具體說明：

由圖1可知，類金剛石涂層軸承100包括軸承本體110，軸承本體110包括軸承內圈113和軸承外圈111，軸承內圈113和軸承外圈111之間設置有滾動體112，軸承內圈113與滾動體112接觸面、軸承外圈111與滾動體112接觸面都設置有類金剛石涂層114。類金剛石涂層的厚度為0.5～0.8μm，在本實施例中，類金剛石涂層114的厚度優選為0.6μm。

由圖2可知，一種加工類金剛石涂層軸承100的離子濺射鍍膜機200，包括真空室201、離子源202、真空泵203、加熱器205、離子中和器211、移動鍍膜靶204和旋轉基板支架209。

移動鍍膜靶204設置在真空室201內底部，旋轉基板支架209設置在移動鍍膜支架上方，旋轉基板支架209設置有鍍膜夾具210。移動鍍膜靶204包括直線運動機構206、靶材支架208和靶材207。靶材207的兩側通過轉軸設置在靶材支架208的一端，靶材支架208的另一端與直線運動機構206連接。

本實施例提供的離子濺射裝置200，通過設置有直線運動機構206使靶材207相對離子束轟擊方向可以調整位置，增加了有效涂層的面積。通過設置有鍍膜夾具210可根據涂層均勻性調整其相對于靶材207的不同位置，使涂層均勻、應力減小，涂層均勻性容易控制。

本實施例提供的離子濺射裝置200的工作原理如下：

將靶材207放置在靶材支架208上，把待涂層的軸承放置在鍍膜夾具210上，開始進行濺射工作前，先對真空室201進行預清洗。清洗結束后，接通旋轉基板支架209使帶鍍層軸承旋轉，接通移動鍍膜靶204使待鍍層軸承向離子中和器211方向移動，接通離子中和器211轟擊待鍍層軸承表面，然后對移動鍍膜靶204施加負電壓，產生輝光發電，接通離子源202產生離子轟擊靶材207表面，將靶材207原子從移動鍍膜靶204表面濺射，沉積于待鍍層軸承表面，形成涂層。

類金剛石涂層軸承100加工方法，具體包括以下步驟：

(1)放靶材207，將壓制成型的類金剛石粉放置于靶材支架208，將待鍍層軸承放置在所述鍍膜夾具210上；

(2)預清洗，向真空室201內通入氬氣并開啟射頻濺射儀對真空室201進行預清洗，射頻濺射儀為13.5MHz、2kW的射頻濺射儀；

(3)離子濺射沉積，對真空室201進行抽真空至8×10^-5Pa，然后再通入氬氣、氪氣、氮氣、乙炔、甲烷、氫氣中的任一氣體至6.0～8.0Pa，接通旋轉基板支架209使帶鍍層軸承旋轉，接通移動鍍膜靶204使待鍍層軸承向離子中和器211方向移動，接通離子中和器211轟擊待鍍層軸承表面14～17min，然后對移動鍍膜靶204施加400～1000V的負電壓，產生輝光發電，接通離子源202產生離子轟擊靶材207表面，將靶材207原子從移動鍍膜靶204表面濺射，沉積于待鍍層軸承表面；

(4)成涂層，待靶材207原子在待鍍層軸承表面堆積一段時間后，形成厚度為0.5～0.8μm的涂層，停止加工作業。

本實施例提供的離子濺射加工類金剛石軸承100的方法實現了軸承表面涂層的均勻、涂層結構致密，從而實現了軸承耐磨性和表面硬度的增強，經過被處理軸承內圈113、軸承外圈111表面的最大納米硬度和彈性模量比未處理前軸承提高了270％和96％。

以下結合實施例對本發明的類金剛石涂層軸承的加工方法作進一步的詳細描述。

實施例一

參閱圖2，一種類金剛石涂層軸承的加工方法，具體包括以下步驟：

(1)放靶材207，將壓制成型的類金剛石粉放置于靶材207支架，將待鍍層軸承放置在所述鍍膜夾具210上；

(2)預清洗，向真空室201內通入氬氣并開啟射頻濺射儀對真空室201進行預清洗，射頻參數為13.5MHz、2kW；

(3)離子濺射沉積，對真空室201進行抽真空至8×10^-5Pa，然后再通入氬氣至6.0Pa，接通旋轉基板支架209使待鍍層軸承旋轉，接通移動鍍膜靶204使待鍍層軸承向離子中和器211方向移動，接通離子中和器211轟擊待鍍層軸承表面14min，然后對移動鍍膜靶204施加400V的負電壓，產生輝光發電，接通離子源202產生離子轟擊靶材207表面，將靶材207原子從移動鍍膜靶204表面濺射，沉積于待鍍層軸承表面；

(4)成涂層，待靶材207原子在待鍍層軸承表面堆積一段時間后，形成厚度為0.5μm的涂層，停止加工作業。

即得內圈溝道接觸面和外圈溝道接觸面涂有類金剛石涂層的軸承。將得到的類金剛石涂層軸承進行滾動接觸疲勞壽命測試。

選用同批次的8套6308ETN1型軸承用于試驗，套圈和鋼球材料均為GCr15，保持架材料為聚酰胺PA66-GF25.采用離子濺射工藝對其中4套軸承進行離子濺射類金剛石表面處理，涂層位置為內、外圈溝道，膜厚0.5μm。

將8套軸承逐一編號，其中1～4號為涂層軸承，5～8號為未涂層軸承。將涂層軸承和未涂層軸承交叉進行兩兩分組，共分為四組。并將四組軸承先后轉入同一臺試驗機進行試驗，安裝在不同的號位。試驗時關閉試驗機潤滑油爐，軸承轉速為5000r/min，徑向荷載為2KN，連續運轉8h后用Taylor、圓度儀等檢測軸承內、外溝道涂層前后的圓度、表面粗糙度和溝曲率半徑的變化，結果如表1所示。

表1涂層前后內、外溝道圓度、表面粗糙度和溝曲率半徑對比。

從測試結果看，涂層前后的軸承的溝道圓度、溝曲率都有一定的變化，但變化并不大。軸承的表面粗糙度有降低，整體結果說明離子濺射類金剛石表面處理對軸承硬度和耐磨損效果有提高。

實施例二

參閱圖2，一種類金剛石涂層軸承的加工方法，具體包括以下步驟：

(1)放靶材207，將壓制成型的類金剛石粉放置于靶材支架208，將待鍍層軸承放置在所述鍍膜夾具210上；

(2)預清洗，向真空室201內通入氬氣并開啟射頻濺射儀對真空室201進行預清洗，射頻參數為13.5MHz、2kW；

(3)離子濺射沉積，對真空室201進行抽真空至8×10^-5Pa，然后再通入氬氣至7.0Pa，接通旋轉基板支架209使待鍍層軸承旋轉，接通移動鍍膜靶204使待鍍層軸承向離子中和器211方向移動，接通離子中和器211轟擊待鍍層軸承表面15min，然后對移動鍍膜靶204施加800V的負電壓，產生輝光發電，接通離子源202產生離子轟擊靶材207表面，將靶材207原子從移動鍍膜靶204表面濺射，沉積于待鍍層軸承表面；

(4)成涂層，待靶材207原子在待鍍層軸承表面堆積一段時間后，形成厚度為0.6μm的涂層，停止加工作業。

即得內圈溝道接觸面和外圈溝道接觸面涂有類金剛石涂層的軸承。將得到的類金剛石涂層軸承進行滾動接觸疲勞壽命測試。

選用同批次的8套7308/P4型軸承用于試驗，套圈和鋼球材料均為GCr15，保持架材料為聚酰胺PA66-GF30.采用離子濺射工藝對其中4套軸承進行離子濺射類金剛石表面處理，涂層位置為內、外圈溝道，膜厚0.5μm。

將8套軸承逐一編號，其中1～4號為涂層軸承，5～8號為未涂層軸承。將涂層軸承和未涂層軸承交叉進行兩兩分組，共分為四組。并將四組軸承先后轉入同一臺試驗機進行試驗，安裝在不同的號位。試驗時關閉試驗機潤滑油爐，軸承轉速為5000r/min，徑向荷載為2KN，連續運轉8h后用Taylor、圓度儀等檢測軸承內、外溝道涂層前后的圓度、表面粗糙度和溝曲率半徑的變化，結果如表2所示。

表2涂層前后內、外溝道圓度、表面粗糙度和溝曲率半徑對比。

從測試結果看，涂層前后的軸承的溝道圓度、溝曲率都有一定的變化，但變化并不大，說明離子濺射類金剛石對軸承精度影響不大。軸承的表面粗糙度降低較為明顯，說明離子濺射類金剛石表面處理對軸承硬度和耐磨損效果有提高。

實施例三

參與圖2，一種類金剛石涂層軸承的加工方法，具體包括以下步驟：

(1)放靶材207，將壓制成型的類金剛石粉放置于靶材支架208，將待鍍層軸承放置在所述鍍膜夾具210上；

(2)預清洗，向真空室201內通入氬氣并開啟射頻濺射儀對真空室201進行預清洗，射頻參數為13.5MHz、2kW；

(3)離子濺射沉積，對真空室201進行抽真空至8×10^-5Pa，然后再通入氬氣至8.0Pa，接通旋轉基板支架209使待鍍層軸承旋轉，接通移動鍍膜靶204使待鍍層軸承向離子中和器211方向移動，接通離子中和器211轟擊待鍍層軸承表面17min，然后對移動鍍膜靶204施加1000V的負電壓，產生輝光發電，接通離子源202產生離子轟擊靶材207表面，將靶材207原子從移動鍍膜靶204表面濺射，沉積于待鍍層軸承表面；

(4)成涂層，待靶材207原子在待鍍層軸承表面堆積一段時間后，形成厚度為0.8μm的涂層，停止加工作業。

即得內圈溝道接觸面和外圈溝道接觸面涂有類金剛石涂層的軸承。將得到的類金剛石涂層軸承進行滾動接觸疲勞壽命測試。

選用同批次的8套7308/P4型軸承用于試驗，套圈和鋼球材料均為GCr15，保持架材料為聚酰胺PA66-GF30.采用離子濺射工藝對其中4套軸承進行離子濺射類金剛石表面處理，涂層位置為內、外圈溝道，膜厚0.8μm。

將8套軸承逐一編號，其中1～4號為涂層軸承，5～8號為未涂層軸承。將涂層軸承和未涂層軸承交叉進行兩兩分組，共分為四組。并將四組軸承先后轉入同一臺試驗機進行試驗，安裝在不同的號位。試驗時關閉試驗機潤滑油爐，軸承轉速為5000r/min，徑向荷載為2KN，連續運轉8h后用Taylor、圓度儀等檢測軸承內、外溝道涂層前后的圓度、表面粗糙度和溝曲率半徑的變化，結果如表3所示。

表3涂層前后內、外溝道圓度、表面粗糙度和溝曲率半徑對比。

從測試結果看，涂層前后的軸承的溝道圓度、溝曲率都有一定的變化，但變化并不大，說明離子濺射類金剛石對軸承精度影響不大。軸承的表面粗糙度降低較為明顯，說明離子濺射類金剛石表面處理對軸承硬度和耐磨損效果有提高。

綜上，由實施例一到實施例三可以看出，與實施例一和實施例三相比，實施例二中的表面粗糙度變化要到。說明，使用實施例二中的技術方案產生得到的類金剛石涂層軸承的耐磨性能好。與實施例一和實施例三相比，實施例二中的溝道圓度、溝曲率的變化度最小，說明使用實施例二的技術方案對軸承的精度影響最低。而實施例二是三個實施例中真空度、離子轟擊時間、涂層厚度和通電強度處于中間的技術方案，由此可以看出，在一定的范圍內，離子轟擊時間、通電強度的提高會增加涂層厚度并提高軸承的耐磨度。也從側面證明本發明中的技術方案解決的技術問題是突出的，實現的技術效果也是有效的。

盡管已用具體實施例來說明和描述了本發明，然而應意識到，在不背離本發明的精神和范圍的情況下可以作出許多其它的更改和修改。因此，這意味著在所附權利要求中包括屬于本發明范圍內的所有這些變化和修改。