专利名称：Cr<sub>4</sub>Mo<sub>4</sub>V钢轴承碳氮等离子体基离子升温注渗方法
技术领域：
本发明涉及一种钢轴承碳氮注渗方法。
背景技术：
随着我国航空技术的发展，对发动机的性能要求不断提高，发动机主轴轴承服役 的工况也越来越苛刻，导致轴承的寿命不断降低，Cr4Mo4V轴承钢具有非常优异的高温性能， 是我国航空发动机最主要的主轴轴承用钢，但是，Cr4Mo4V轴承钢轴承使用寿命已尽不能满 足一些重载条件下的使用要求，已经成为制约航空发动机寿命的一个瓶颈问题。目前，多采用表面改性方法对轴承表面强化处理来提高主轴轴承寿命，由于主轴 轴承服役条件的特殊性，轴承表面强化技术除了要求在不改变轴承表面光洁度和尺寸精 度，还要有很好的疲劳性能，传统的表面改性技术，如化学热处理，磁控溅射离子镀，多弧离 子镀和电镀等都不能完全满足主轴轴承表面改性技术要求。等离子体基离子注入是一种新 兴的材料表面改性技术，但是由于注入电压的限制，等离子体基离子注入的改性层深度较 浅，对于在高速重载环境下使用的主轴轴承仍然显得有所不足，为了提高等离子体基离子 注入改性层的厚度，一般都采用提高工件温度，通过扩散来增加改性层厚度，但是这样往往 会在工件表面形成一层连续的化合物层，不利于疲劳寿命的提高。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有提高工件温度的方法使工件表面形成一层连续的 化合物层的问题，提供了一种Cr4Mo4V钢轴承碳氮等离子体基离子升温注渗方法。本发明Cr4Mo4V钢轴承碳氮等离子体基离子升温注渗方法如下一、超声清洗将 Cr4Mo4V钢轴承放入纯度为99. 9%以上的丙酮溶液中在超声频率为40kHz的条件下超声清 洗两次，每次超声清洗时间为8min 15min ；二、预溅射处理将经过步骤一处理的Cr4Mo4V 钢轴承放到真空室试样台上，抽真空至真空度为1.0父10_41^ 1.0\10_^1，升高温度至 300°C 400°C，然后在工作气压为5Pa lOPa、射频功率为0. 8kff 2kW、电压为500V 700V、电流为0. 2mA/cm2 0. 5mA/cm2的条件下，调节射频功率，使产生的氩气等离子浓度为 1.0X IOVcm3 1. OX IOuVcm3，进行预溅射清洗IOmin 30min ；三、碳、氮离子注入在经 过步骤二处理的Cr4Mo4V钢轴承缓慢绕自身轴线勻速旋转的同时，将纯度为99. 999at%的 氮气和纯度为99. 999at%的甲烷同时通入到真空室中，在甲烷与氮气分压比为1 30 5、总气压为0. 5Pa 1. 5Pa的条件下，采用射频功率为300W 500W的射频激发等离子体， 使碳氮等离子体密度为1.0 X 109/cm3 1.0 X IOuVcm3，然后在注入电压为30kV 50kV、 注入电流密度为30A/cm2 ΙΟΟΑ/cm2的条件下处理4 10小时，然后将Cr4Mo4V钢轴承 冷却至室温；四、二次氮离子注入将经过步骤三处理的Cr4Mo4V钢轴承在气源采用纯度为 99. 999at%的氮气、气压为0. 08Pa 0. 2Pa的条件下，用射频功率为300W 500W的射频 激发等离子体，使碳氮等离子体密度为1.0 X 109/Cm3 1.0 X IOuVcm3，然后在注入电压为 30kV 50kV、注入电流密度为30A/cm2 ΙΟΟΑ/cm2的条件下，处理2 4小时，即得注渗碳氮等离子体基离子的Cr4Mo4V钢轴承。本发明通过在注入过程中提高轴承的温度，利用扩散效应增加改性层的厚度，解 决了等离子体基离子注入技术改性层浅的问题。本发明方法具有以下优点(1)克服视线加工的局限，实现全方位注入由于在等离子体基离子注入过程中，工件(Cr4Mo4V钢轴承)湮没在等离子体中，依 靠施加在工件上的脉冲负偏压所产生的强电场，每个暴露的金属表面均可吸引离子，从而 可从四面八方对工件进行全方位的离子注入，解决了离子注入在复杂形状工件上的应用问 题。(2)高效率，操作控制安全方便由于离子注入可以在施加脉冲负电位的工件上同时进行，无需扫描，就可实现大 面积注入，故效率颇高，另外调节脉冲负偏压大小，波形和频率就可方便地控制离子注入过 程，操作方便。(3)批量生产加工过程中，阴极是工件本身，工件周围的等离子鞘层就是阳极，因此每个工件及 其周围的等离子体鞘层就形成了一个独立的离子注入系统，这样等离子体基离子注入就可 以实现批量生产。(4)生产成本降低由于是全方位离子注入，工件(Cr4Mo4V钢轴承)在传统离子注入过程中所必需的 往复、旋转等操作就可以省去，故此注入设备不需要复杂的转动靶台，也不需要离子束扫描 装置。再加上生产效率高，可批量生产，故总的生产成本相对传统离子注入技术有较大降 低。经本发明方法处理后的Cr4Mo4V轴承表面纳米硬度可达22GPa，为未处理Cr4Mo4V 轴承的1. 8倍，和有化合物层的轴承硬度相当；经过处理的Cr4Mo4V轴承表面没有化合物层， 适合于再高速重载环境下服役。可以有效地提高轴承的疲劳寿命，比有化合物层的轴承疲 劳寿命提高3倍；经本发明方法处理后的Cr4Mo4V钢的耐磨性为未处理Cr4Mo4V钢的5倍， 和有化合物层的轴承耐磨性相当；经本发明方法处理后的Cr4Mo4V轴承台架实验考核寿命 为未处理轴承的2. 5倍以上。
图1是具体实施方式
十制备的注渗碳氮等离子体基离子的Cr4Mo4V钢轴承的金相 照片。
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的 任意组合。
具体实施方式
一本实施方式中Cr4Mo4V钢轴承碳氮等离子体基离子升温注渗方 法如下一、超声清洗将Cr4Mo4V钢轴承放入纯度为99. 9%以上的丙酮溶液中在超声频率 为40kHz的条件下超声清洗两次，每次超声清洗时间为Smin 15min ；二、预溅射处理将 经过步骤一处理的Cr4Mo4V钢轴承放到真空室试样台上，抽真空至真空度为1. OX 10-4 1.0X 10 ,升高温度至300 °C 400 °C，然后在工作气压为5Pa 10Pa、射频功率为
0.8kff 2kW、电压为500V 700V、电流为0. 2mA/cm2 0. 5mA/cm2的条件下，调节射频功 率，使产生的氩气等离子浓度为1. OX 109/Cm3 1. OX IOuVcm3,进行预溅射清洗IOmin 30min;三、碳、氮离子注入在经过步骤二处理的Cr4Mo4V钢轴承缓慢绕自身轴线勻速旋转 的同时，将纯度为99. 999站％的氮气和纯度为99. 999at%的甲烷同时通入到真空室中， 在甲烷与氮气分压比为1 30 5、总气压为0.5 1.5Pa的条件下，采用射频功率 为300W 500W的射频激发等离子体，使碳氮等离子体密度为1. O X IOVcm3 1. O X 101°/ cm3，然后在注入电压为30kV 50kV、注入电流密度为30A/cm2 ΙΟΟΑ/cm2的条件下处理 4 10小时，然后将Cr4Mo4V钢轴承冷却至室温；四、二次氮离子注入将经过步骤三处理的 Cr4Mo4V钢轴承在气源采用纯度为99. 999at %的氮气、气压为0. 08Pa 0. 2Pa的条件下， 用射频功率为300W 500W的射频激发等离子体，使碳氮等离子体密度为1. OX 109/Cm3
1.OX 101Q/cm3，然后在注入电压为30kV 50kV、注入电流密度为30A/cm2 ΙΟΟΑ/cm2的条 件下，处理2 4小时，即得注渗碳氮等离子体基离子的Cr4Mo4V钢轴承。本实施方式步骤三中所述Cr4Mo4V钢轴承缓慢绕自身轴线勻速旋转的实现很简 单，只要将多个Cr4Mo4V钢轴承固定在试样台上，利用简单装置就能实现每个Cr4Mo4V钢轴 承轴承绕自身轴线自转。(详见专利号为921137176的专利)经本实施方式中的方法处理后的Cr4Mo4V轴承表面纳米硬度可达22GPa，为未处 理Cr4Mo4V轴承的1. 8倍，和有化合物层的轴承硬度相当；经过本实施方式中的方法处理的 Cr4Mo4V轴承表面没有化合物层，适合于再高速重载环境下服役。可以有效地提高轴承的疲 劳寿命，比有化合物层的轴承疲劳寿命提高3倍；经本实施方式中的方法处理后的Cr4Mo4V 钢的耐磨性为未处理Cr4Mo4V钢的5倍，和有化合物层的轴承耐磨性相当；经实施方式中的 方法处理后的Cr4Mo4V轴承台架实验考核寿命为未处理轴承的2. 5倍以上。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中将Cr4Mo4V钢 轴承进行预溅射清洗20min，射频功率为1. 2kff 1. 5kff,电压为550V 650V。其它与具体 实施方式一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中将Cr4Mo4V钢 轴承进行预溅射清洗30min，射频功率为0. Skff 1. 5kff,电流为0. 25mA/cm2。其它与具体 实施方式一相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤三甲烷与氮气分压 比为1 30 10，注入电压为40kV 50kV，处理时间为6小时。其它与具体实施方式
一 相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤三中总气压为 0. 8Pa 1. 5Pa，注入电压为40kV 50kV，注入电流密度为50A/cm2 ΙΟΟΑ/cm2，处理时间 为10小时。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中每次超声清洗 时间为8min。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中每次超声清洗 时间为lOmin。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中将Cr4Mo4V钢轴承放到真空室试样台上，抽真空至真空度为1. OX 1. OX 10_3Pa，升高温度至 300°C。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤三中甲烷与氮气分 压比为1 10。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤三中氮气气压为 0. 2Pa,注入电压为 40kV 45kV,注入剂量为 3. 5 X 1017ions/cm2 3. 7 X 1017ions/cm2，在注 入过程中注入电流密度为2. 2A/cm2 2. 4A/cm2。其它与具体实施方式
一相同。由图1看出本实施方式制备的注渗碳氮等离子体基离子的Cr4Mo4V钢轴承的表面 获得表面没有连续化合物层。本实施方式方法处理后的Cr4Mo4V轴承表面纳米硬度可达 22GPa,为未处理Cr4Mo4V轴承的1. 8倍，和有化合物层的轴承硬度相当。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤三中甲烷与氮气 分压比为1 20 10，总气压为0. 51 l.OPa，注入电压为40kV 50kV，注入电流密度 为30A/cm2 ，70A/cm2，处理时间为4小时。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤四中在气压为 0. 11 0. 2Pa，注入电压为，45kV 50kV，注入电流密度为30A/cm2 ΙΟΟΑ/cm2的条件下， 处，3小时。其它与具体实施方式
一相同。
权利要求
1.Cr4Mo4V钢轴承碳氮等离子体基离子升温注渗方法，其特征在于Cr4Mo4V钢轴承碳氮 等离子体基离子升温注渗方法如下一、超声清洗将Cr4Mo4V钢轴承放入纯度为99. 9%以 上的丙酮溶液中在超声频率为40kHz的条件下超声清洗两次，每次超声清洗时间为Smin 15min ；二、预溅射处理将经过步骤一处理的Cr4Mo4V钢轴承放到真空室试样台上，抽真空 至真空度为1. OX KT4Pa 1.0\10-^1，升高温度至3001 4001，然后在工作气压为 5Pa lOPa、射频功率为0. 8kff 2kW、电压为500V 700V、电流为0. 2mA/cm2 0. 5mA/cm2 的条件下，调节射频功率，使产生的氩气等离子浓度为1.0 X 109/Cm3 1.0 X IOuVcm3，进行 预溅射清洗IOmin 30min ；三、碳、氮离子注入在经过步骤二处理的Cr4Mo4V钢轴承缓慢 绕自身轴线勻速旋转的同时，将纯度为99. 999at %的氮气和纯度为99. 999at %的甲烷同 时通入到真空室中，在甲烷与氮气分压比为1 30 5、总气压为0.51 1.5Pa的条件 下，采用射频功率为300W 500W的射频激发等离子体，使碳氮等离子体密度为1. OXlO9/ cm3 1. OX IOicVcm3,然后在注入电压为30kV 50kV、注入电流密度为30A/cm2 100A/cm2 的条件下处理Cr4Mo4V钢轴承4 10小时，然后将Cr4Mo4V钢轴承冷却至室温；四、二次氮 离子注入将经过步骤三处理的Cr4Mo4V钢轴承在气源采用纯度为99. 999at%的氮气、气压 为0. OSPa 0. 2Pa的条件下，用射频功率为300W 500W的射频激发等离子体，使碳氮等 离子体密度为1. OX 109/cm3 1. OX 101Q/cm3，然后在注入电压为30kV 50kV、注入电流密 度为30A/cm2 lOOA/cm2的条件下，处理Cr4Mo4V钢轴承2 4小时，即得注渗碳氮等离子 体基离子的Cr4Mo4V钢轴承。
2.根据权利要求1所述Cr4Mo4V钢轴承碳氮等离子体基离子升温注渗方法，其特征在 于步骤二中将Cr4Mo4V钢轴承进行预溅射清洗20min，射频功率为1. 2kff 1. 5kff,电压为 550V 650V。
3 根据权利要求1所述Cr4Mo4V钢轴承碳氮等离子体基离子升温注渗方法，其特征在 于步骤二中将Cr4Mo4V钢轴承进行预溅射清洗30min，射频功率为0. Skff 1. 5kff,电流为 0. 25mA/cm2。
4.根据权利要求1所述Cr4Mo4V钢轴承碳氮等离子体基离子升温注渗方法，其特征在 于步骤三甲烷与氮气分压比为1 30 10，注入电压为40kV 50kV，处理时间为6小时。
5.根据权利要求1所述Cr4Mo4V钢轴承碳氮等离子体基离子升温注渗方法，其特征在 于步骤三中总气压为0. 81 1. 5Pa，注入电压为40kV 50kV，注入电流密度为50A/cm2 ΙΟΟΑ/cm2，处理时间为10小时。
全文摘要
Cr4Mo4V钢轴承碳氮等离子体基离子升温注渗方法，它涉及一种钢轴承碳氮注渗方法。本发明解决了现有提高工件温度的方法使工件表面形成一层连续的化合物层的问题。本方法如下一、超声清洗；二、预溅射处理；三、碳、氮离子注入；四、二次氮离子注入。经本发明方法处理后的Cr4Mo4V轴承表面纳米硬度可达22GPa，为未处理Cr4Mo4V轴承的1.8倍，和有化合物层的轴承硬度相当，表面没有化合物层，比有化合物层的轴承疲劳寿命提高3倍；经本发明方法处理后的Cr4Mo4V钢的耐磨性为未处理Cr4Mo4V钢的5倍，经本发明方法处理后的Cr4Mo4V轴承台架实验考核寿命为未处理轴承的2.5倍以上。
文档编号C23C8/02GK102134696SQ20111005132
公开日2011年7月27日 申请日期2011年3月3日 优先权日2011年3月3日
发明者唐光泽, 李忠文, 马新欣 申请人:哈尔滨工业大学