专利名称：改善陶瓷表面润滑耐磨性的表面处理方法
技术领域：
本发明叙述了一种改善陶瓷表面润滑耐磨性的表面处理方法，它是利用离子加速器对红宝石陶瓷进行碳离子注入的表面改性方法。
陶瓷材料具有高硬度、高强度以及优异的化学稳定性和在高温下的力学性能优良等特点。随着陶瓷材料的应用向高、精、尖方向发展，其突出的问题是摩擦系数和磨损率比较高。因此，陶瓷材料的表面改性正日益受到人们的关注。金刚石上的Ti、Cr离子注入研究结果表明其将会用作电视录像圆盘触头上(Sato S,et al.Nucl.Instr and Meth.,1987,B19/20:822-825)以改善导电性。
本发明的目的在于提供一种改善陶瓷表面润滑耐磨性的离子注入技术，造成陶瓷表层的非晶化和陶瓷表面非晶石墨相的产生，减小陶瓷表面电阻和滑动的摩擦系数，降低其与钢的摩擦磨损。
具体地讲，本发明的目的通过以下措施来实现本发明是将单晶红宝石切片，依次用28～3微米金刚砂、钻石膏把样品抛光成镜面。在离子加速器上注入碳离子，注入能量10～220千伏，注入靶室静真空度1.0×10-3～1.0×10-5帕，光阑φ5～30毫米，注入束流密度4～120微安/厘米2，注入剂量1.0×1016～1.0×1019碳/厘米2，注入时红宝石基体水冷。
碳离子注入陶瓷表面引起表层的非晶化和陶瓷表面非晶石墨相的产生，使注入层的表面韧性及耐破碎临界负荷提高和减小了陶瓷与钢的滑动摩擦磨损。
本发明的陶瓷表面处理方法简单，陶瓷表面处理后与钢的摩擦系数低，应用性强，适合于精密机械、光学仪器、医疗器械、汽车发动机、电子机械等工业的干摩擦运动部件上。本发明所述的改善陶瓷表面润滑耐磨性的表面处理方法，具体条件为在200千伏离子注入机上进行碳离子注入，注入能量110千伏，动真空度1～2×10-3帕，光阑φ20-30毫米，束流密度10～20微安/厘米2，注入剂量1.0×1016～1.0×1018碳/厘米2。
本发明的特点如下1．润滑耐磨性SRV摩擦磨损试验机球(φ10毫米GCr15)-盘(注入陶瓷)点接触往复滑动方式。滑幅0.2毫米，往复频率20赫兹，载荷20牛顿。碳离子注入红宝石表面后的摩擦系数和磨痕宽度(900秒后)如表1。
表1
2．表面力学性能a)显微硬度载荷0.245牛顿，保载时间20秒。注入红宝石表面后的相对显微硬度(注入后样品的显微硬度/注入前样品的显微硬度)如
图1。
b)表面残余应力根据压头产生的裂纹长度计算。载荷4.900牛顿，保载时间10秒。注入红宝石表面后的表面残余应力如图2。
c)表面断裂韧性根据压头产生的裂纹长度计算。载荷4.900牛顿，保载时间10秒。注入红宝石表面后的相对表面断裂韧性(注入后样品的表面断裂韧性/注入前样品的表面断裂韧性)如图3。
d)注入层破碎临界负荷WS-92自动划痕试验机上进行，通过膜破碎时发出的声信号取得信息。所用金刚石压头锥角120°，直径0.2毫米。划痕速度0.033毫米/秒，加载速度0.420牛顿/秒。注入红宝石后的注入层相对破碎临界负荷(注入后样品的破碎临界负荷/注入前样品的破碎临界负荷)如图4。3．表面结构红宝石注入1×1018碳/厘米2剂量后表面与未注入红宝石表面的拉曼光谱相比。1560cm-1的非晶碳石墨峰明锐，这反映了注入红宝石表面非晶石墨化的产生(图5)。4．表面电阻利用两点法测量注入样品的表面电阻如表2所示。
表2
5．颜色随碳离子注入剂量的增加，红宝石表面颜色变深，直至5×1017碳/厘米2剂量时表面为亮黑色。
权利要求
1.一种改善陶瓷表面润滑耐磨性的表面处理方法，包括将单晶红宝石切片抛光，其特征是用离子加速器对陶瓷表面进行碳离子注入。离子注入技术的具体条件为注入离子 碳注入能量10～220千伏注入靶室静真空度1.0×10-3～1.0×10-5帕光阑 φ5～30毫米注入束流密度4～120微安/厘米2注入剂量 1.0×1016～1.0×1019碳/厘米2注入基体温度 基体水冷。
全文摘要
改善陶瓷表面润滑耐磨性的表面处理方法是利用离子加速器对红宝石陶瓷进行碳离子注入,造成陶瓷表层的非晶化和陶瓷表面非晶石墨相的产生。表面非晶石墨润滑相的出现,则会减小了表面电阻和滑动的摩擦系数,降低陶瓷与钢的摩擦。陶瓷表层的非晶化使注入层的表面韧性和耐破碎临界负荷提高,引起红宝石陶瓷表层的塑性变形,改善了磨损性能。
文档编号C04B41/00GK1221715SQ97126168
公开日1999年7月7日 申请日期1997年12月31日 优先权日1997年12月31日
发明者田军, 薛群基 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所