专利名称：一种GCr15轴承钢球表面强化的离子注入工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于热处理技术领域，特别涉及到一种GCrl5轴承钢球表面强化的 离子注入工艺。
背景技术：
钢球是轴承关键零部件，它的质量优劣直接影响到轴承的使用寿命和可靠 性。据有关资料表明，在轴承疲劳失效中，由于钢球疲劳者占了 20%以上，因 此提高钢球疲劳寿命对于提高轴承寿命和可靠性至关重要。
滚动轴承的失效分析表明轴承的失效主要发生在其工作表面和次表面层， 就高精度等级的精密轴承而言，其失效形式也主要是表面损伤，包括微小点蚀、 腐蚀、磨损、表面疲劳损伤和塑性变形等。应用现代表面分析技术研究滚动轴 承工作表面的微观结构，可以发现其表面层一定范围之内呈现复杂的多层结构 状态，其物理化学性能各不相同，必然对其表面耐摩擦磨损性能产生不同程度 的影响，而这也是提高轴承可靠性，延长轴承寿命的一道障碍，所以要改善轴 承的工作性能，最有效的方式是表面强化。表面强化的方法有很多种，象物理 气相沉积，化学气相沉积，离子注入技术等，其中离子注入技术是最适合精密 轴承的一种表面强化技术，是提高其使用寿命和可靠性的一种好方法，是投资 少、见效快的先进技术。
由于离子注入技术大大多应用在航空领域，因此针对钢球的注入工艺和方 法，到目前为止，国外资料尚未见详细报道。国内针对轴承钢离子注入方面的 研究也大多仅限于试样表面的注入工艺研究，而对于表面曲率大，形状特殊的 GCrl5轴承钢球的表面离子注入工艺尚未见报道。
发明内容
本发明设计了一种GCrl5轴承钢球表面强化的离子注入工艺，使用该注入 工艺可以使钢球表面离子注入的深度、浓度及均匀性得到保证，具有较高的硬 度、较好的耐磨耐蚀性能、较长的疲劳寿命及较高的可靠性。
为实现上述发明目的，本发明釆用如下技术方案
所述的GCrl5轴承钢球表面强化的离子注入工艺选用氮和钛两种注入元素， 通过束线性强流双元素离子注入机注入，注入方式为单能量，采用100KeV的 注入能量，先注入钛后注入氮，注入剂量控制在2.0 3.0X1017 Ti +2.0 3.0 X10"N;将直线离子朿注入到表面为曲面的钢球上，不同直径的钢球产生不同 的折射效应，故注入剂量需按照钢球实际尺寸和性能要求在注入剂量范围内调 整，使注入钢球的表面氮离子浓度达到18%以上，钛离子浓度达到10%以上，均 匀性大于85%。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性
1) 注入钢球的表面显微硬度即复合硬度可提高20%以上。
2) 注入钢球的表面处于压应力状态，应力值较未注入钢球提高20%以上。
3) 钢球表面采用氮+钛双元素注入可以显著提高耐腐蚀性能，在恶劣的盐 雾试验条件下，可使目视腐蚀锈班发生的时间推迟80 100倍。
4) 经过双元素离子注入的轴承钢材料表面的平均摩擦系数和平均相对磨损 量比未注入材料分别降低了 3 5倍和2 6倍
5) 采用氮+钛双元离子注入的表层组织中含有高密度位错，析出有许多尺 寸约10nm左右的颗粒状TiC. 2N. 8相，并有非晶态组织存在。
6) 双元素离子注入钢球的接触疲劳寿命试验结果表明注入钢球的额定寿 命(U)为未注入钢球的5倍左右，中值寿命(U)为0.5倍以上，P-N曲线 的斜率(b)增大50%以上，表征其离散性减小，可靠性增大。
具体实施例方式
本发明的GCrl5钢球离子注入工艺是一种双元素注入工艺，即选用氮和钛 两种注入元素，采用100KeV的注入能量先后进行注入，先注入钛离子后注入 氮离子。由于离子注入的过程是将直线的离子束注入到表面为曲面的钢球上， 不同直径的钢球会产生不同的折射效应，故注入剂量需耍按照钢球的实际尺寸 和性能要求作出适当的调整。
实施例1
注入剂量3. 0X1017Ti+3. 0X1017N; 实施例2
钢球规格13/16〃
注入剂量2. 0X1017Ti+3. 0X1017N; 实施例3
注入剂量2. 0X1017Ti+2. 0X1017N;
选择氮+钛双元素离子注入精密轴承用高精度等级钢球是科学的、现实的、 可行的。无论从强化机理和强化工艺方面都具有可直接推广应用的意义，不仅 可在发动机主轴轴承中应用该技术，在其它配套研制中更可考虑应用该技术提 高轴承的寿命和可靠性。
权利要求
1、一种GCr15轴承钢球表面强化的离子注入工艺，其特征在于选用氮和钛两种注入元素，通过束线性强流双元素离子注入机注入，注入方式为单能量，采用100KeV的注入能量，先注入钛后注入氮，注入剂量控制在2.0～3.0×1017Ti+2.0～3.0×1017N；将直线离子束注入到表面为曲面的钢球上，不同直径的钢球产生不同的折射效应，故注入剂量需按照钢球实际尺寸和性能要求在注入剂量范围内调整，使注入钢球的表面氮离子浓度达到18％以上，钛离子浓度达到10％以上，均匀性大于85％。
全文摘要
一种GCr15轴承钢球表面强化的离子注入工艺选用氮和钛两种注入元素，通过束线性强流双元素离子注入机注入，注入方式为单能量，采用100KeV的注入能量，先注入钛后注入氮，注入剂量控制在2.0～3.0×10<sup>17</sup>Ti+2.0～3.0×10<sup>17</sup>N；将直线离子束注入到表面为曲面的钢球上，不同直径的钢球产生不同的折射效应，故注入剂量需按照钢球实际尺寸和性能要求在注入剂量范围内调整，使注入钢球的表面氮离子浓度达到18％以上，钛离子浓度达到10％以上，均匀性大于85％。使用该注入工艺可以使钢球表面离子注入的深度、浓度及均匀性得到保证，具有较高的硬度、较好的耐磨耐蚀性能、较长的疲劳寿命及较高的可靠性。
文档编号C23C14/48GK101187009SQ20071019313
公开日2008年5月28日 申请日期2007年11月30日 优先权日2007年11月30日
发明者仇亚军, 叶健熠, 张延芳, 华 梁, 梁林霞, 雷建中, 高元安 申请人:洛阳轴研科技股份有限公司