一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法
【专利摘要】一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法，它涉及一种提高轴承寿命的方法。本发明的目的是要解决现有轴承存在寿命短，表层硬度低的问题，而提供一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法。方法：一、超声清洗；二、将超声清洗后的轴承内圈放入到真空室中；三、轴承内圈外表面氮离子注入；四、将超声清洗后的轴承外圈放入到真空室中；五、轴承外圈内表面氮离子注入，完成轴承全方位离子注入。本发明可提高轴承的表层硬度1倍～2倍，轴承的寿命提高了2.8倍～3.5倍。本发明可获得一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法。
【专利说明】一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种提高轴承寿命的方法。
【背景技术】
[0002]轴承一直是我国重点强调发展的战略性基础产业，但目前轴承产业的特点是大而不强，轴承制造企业有近2000家，但行业集中度较低，产值前30位的企业市场份额不足40%。产品以中低端轴承为主，高端轴承制造能力缺失。目前，轴承存在的最大问题是寿命不足。
[0003]目前，已有的技术研究主要集中于离子注入对轴承材料的性能的改善，还没有研究将全方位离子注入技术应用与轴承内外圈的强化处理来提高轴承的寿命，也没有相关的报道。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是要解决现有轴承存在寿命短，表层硬度低的问题，而提供一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法。
[0005]一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法具体是按以下步骤完成的:
[0006]一、超声清洗:将待处理的轴承内圈和待处理的轴承外圈分别放入到纯度高于99.0 %的乙醇溶液中超声清洗两次，每次超声清洗时间为15min?20min，得到超声清洗后的轴承内圈和超声清洗后的轴承外圈；
[0007]二、将超声清洗后的轴承内圈放入到真空室中:将超声清洗后的轴承内圈装夹到轴承内圈保护结构中，然后将轴承内圈保护结构的金属杆与真空室的旋转靶台相连接；
[0008]三、轴承内圈外表面氮离子注入:在旋转靶台匀速旋转的同时，通过射频辉光放电在真空室中产生氮气等离子体，然后在氮气的流量为1sccm?lOOsccm,氮气的气压在0.1Pa?0.6Pa,射频功率为0.1kff?lkW，注入电压为20kV?40kV，注入频率为50Hz?300Hz，注入脉宽为5μ s?50 μ s和注入时间为Ih?5h的条件下对超声清洗后的轴承内圈外表面进行氮离子注入，即完成轴承内圈外表面的氮离子注入；
[0009]四、将超声清洗后的轴承外圈放入到真空室中:将超声清洗后的轴承外圈装在轴承外圈保护套的保护槽中，再将保护槽盖板盖在保护槽上面，再使用螺钉将保护槽和保护槽盖板紧固，再将轴承外圈保护套与真空室的旋转靶台相连接；
[0010]五、轴承外圈内表面氮离子注入:在旋转靶台匀速旋转的同时，通过射频辉光放电在真空室中产生氮气等离子体，然后在氮气的流量为1sccm?lOOsccm,氮气的气压在0.1Pa?0.6Pa,射频功率为0.1kff?lkW，注入电压为20kV?40kV，注入频率为50Hz?300Hz，注入脉宽为5 μ s?50 μ s和注入时间为2h?8h的条件下对超声清洗后的轴承外圈内表面进行氮离子注入，即完成轴承外圈内表面氮离子注入。
[0011]本发明的优点:
[0012]一、本发明的靶台是以一定速度在注入过程中一直保持旋转，因此可以克服等离子体密度分布带来的不均匀性；通过控制注入时间可以来改变注入剂量，获得不同注入剂量的表面强化效果；
[0013]二、本发明轴承外圈内表面氮离子注入过程中，由于靶台与轴承外圈形成的电场可以使入射离子运动轨迹发生偏转而注入到外圈滚道；通过外圈滚道的不断旋转，可以使滚道圆周上的注入均匀性得到保证；通过控制注入时间可以来改变注入剂量，获得不同注入剂量的表面强化效果；
[0014]三、本发明可提高轴承的表层硬度I倍?2倍，轴承的寿命提高了 2.8倍?3.5倍。
[0015]本发明可获得一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为【具体实施方式】一所述的轴承内圈保护结构的结构示意图，图1中I为金属杆,2为螺母,3为垫片,4为轴承内圈；
[0017]图2为【具体实施方式】一所述的轴承外圈保护套的结构示意图；图2中5为轴承外圈，6为保护槽，7为保护槽盖板，8为螺钉；
[0018]图3为试验一中完成全方位氮离子注入后的轴承疲劳寿命测试结果的威布尔分布曲线；
[0019]图4为试验一中未进行全方位氮离子注入后的轴承疲劳寿命测试结果的威布尔分布曲线。
【具体实施方式】
[0020]【具体实施方式】一:结合，图1和图2,本实施方式是一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法具体是按以下步骤完成的:
[0021]一、超声清洗:将待处理的轴承内圈和待处理的轴承外圈分别放入到纯度高于99.0 %的乙醇溶液中超声清洗两次，每次超声清洗时间为15min?20min，得到超声清洗后的轴承内圈和超声清洗后的轴承外圈；
[0022]二、将超声清洗后的轴承内圈放入到真空室中:将超声清洗后的轴承内圈装夹到轴承内圈保护结构中，然后将轴承内圈保护结构的金属杆I与真空室的旋转靶台相连接；
[0023]三、轴承内圈外表面氮离子注入:在旋转靶台匀速旋转的同时，通过射频辉光放电在真空室中产生氮气等离子体，然后在氮气的流量为1sccm?lOOsccm,氮气的气压在0.1Pa?0.6Pa,射频功率为0.1kff?lkW，注入电压为20kV?40kV，注入频率为50Hz?300Hz，注入脉宽为5μ s?50 μ s和注入时间为Ih?5h的条件下对超声清洗后的轴承内圈外表面进行氮离子注入，即完成轴承内圈外表面的氮离子注入；
[0024]四、将超声清洗后的轴承外圈放入到真空室中:将超声清洗后的轴承外圈装在轴承外圈保护套的保护槽6中，再将保护槽盖板7盖在保护槽6上面，再使用螺钉8将保护槽6和保护槽盖板7紧固，再将轴承外圈保护套与真空室的旋转靶台相连接；
[0025]五、轴承外圈内表面氮离子注入:在旋转靶台匀速旋转的同时，通过射频辉光放电在真空室中产生氮气等离子体，然后在氮气的流量为1sccm?lOOsccm,氮气的气压在0.1Pa?0.6Pa,射频功率为0.1kff?lkW，注入电压为20kV?40kV，注入频率为50Hz?300Hz，注入脉宽为5 μ s?50 μ s和注入时间为2h?8h的条件下对超声清洗后的轴承外圈内表面进行氮离子注入，即完成轴承外圈内表面氮离子注入。
[0026]图1为【具体实施方式】一所述的轴承内圈保护结构的结构示意图，图1中I为金属杆,2为螺母,3为垫片,4为轴承内圈；
[0027]图2为【具体实施方式】一所述的轴承外圈保护套的结构示意图；图2中5为轴承外圈，6为保护槽，7为保护槽盖板，8为螺钉；
[0028]本实施方式的优点:
[0029]一、本实施方式的靶台是以一定速度在注入过程中一直保持旋转，因此可以克服等离子体密度分布带来的不均匀性；通过控制注入时间可以来改变注入剂量，获得不同注入剂量的表面强化效果；
[0030]二、本实施方式轴承外圈内表面氮离子注入过程中，由于靶台与轴承外圈形成的电场可以使入射离子运动轨迹发生偏转而注入到外圈滚道；通过外圈滚道的不断旋转，可以使滚道圆周上的注入均匀性得到保证；通过控制注入时间可以来改变注入剂量，获得不同注入剂量的表面强化效果；
[0031]三、本实施方式可提高轴承的表层硬度I倍?2倍，轴承的寿命提高了 2.8倍?3.5 倍。
[0032]本实施方式可获得一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法。
[0033]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同点是:步骤二中所述的轴承内圈保护结构由金属杆1、螺母2和垫片3组成；所述的金属杆I穿过超声清洗后的轴承内圈，垫片3穿过金属杆I，覆盖在超声清洗后的轴承内圈的上端和下端，使用螺母2通过垫片3将超声清洗后的轴承内圈固定在金属杆I上。其他步骤与【具体实施方式】一相同。
[0034]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二之一不同点是:步骤三中射频辉光放电使用的氮气纯度为99.999%。其他步骤与【具体实施方式】一或二相同。
[0035]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同点是:垫片3的小端直径与超声清洗后的轴承内圈的内径相匹配。其他步骤与【具体实施方式】一至三相同。
[0036]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同点是:步骤五中射频辉光放电使用的氮气纯度为99.999%。其他步骤与【具体实施方式】一至四相同。
[0037]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同点是:步骤五中所述的轴承外圈保护套由保护槽6、保护槽盖板7和螺钉8组成；所述的保护槽盖板7覆盖在保护槽6上面，螺钉8将保护槽6和保护槽盖板7紧固。其他步骤与【具体实施方式】一至五相同。
[0038]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】一至六之一不同点是:步骤三中在旋转靶台匀速旋转的同时，通过射频辉光放电在真空室中产生氮气等离子体，然后在氮气的流量为1sccm?50sccm，氮气的气压在0.1Pa?0.3Pa，射频功率为0.1kff?0.5kW，注入电压为20kV?30kV，注入频率为50Hz?150Hz，注入脉宽为5 μ s?30 μ s和注入时间为Ih?3h的条件下对超声清洗后的轴承内圈外表面进行氮离子注入，即完成轴承内圈外表面的氮离子注入。其他步骤与【具体实施方式】一至六相同。
[0039]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】一至七之一不同点是:步骤三中在旋转靶台匀速旋转的同时，通过射频辉光放电在真空室中产生氮气等离子体，然后在氮气的流量为50sccm?lOOsccm，氮气的气压在0.3Pa?0.6Pa,射频功率为0.5kff?lkW，注入电压为30kV?40kV，注入频率为150Hz?300Hz，注入脉宽为30 μ s?50 μ s和注入时间为3h?5h的条件下对超声清洗后的轴承内圈外表面进行氮离子注入，即完成轴承内圈外表面的氮离子注入。其他步骤与【具体实施方式】一至七相同。
[0040]【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】一至八之一不同点是:步骤五中在旋转靶台匀速旋转的同时，通过射频辉光放电在真空室中产生氮气等离子体，然后在氮气的流量为1sccm?50sccm，氮气的气压在0.1Pa?0.3Pa，射频功率为0.1kff?0.5kW，注入电压为20kV?30kV，注入频率为50Hz?150Hz，注入脉宽为5 μ s?30 μ s和注入时间为Ih?3h的条件下对超声清洗后的轴承外圈内表面进行氮离子注入，即完成轴承外圈内表面氮离子注入。其他步骤与【具体实施方式】一至八相同。
[0041]【具体实施方式】十:本实施方式与【具体实施方式】一至九之一不同点是:步骤五中在旋转靶台匀速旋转的同时，通过射频辉光放电在真空室中产生氮气等离子体，然后在氮气的流量为50sccm?lOOsccm，氮气的气压在0.3Pa?0.6Pa，射频功率为0.5kW?lkW，注入电压为30kV?40kV，注入频率为150Hz?300Hz，注入脉宽为30 μ s?50 μ s和注入时间为3h?5h的条件下对超声清洗后的轴承外圈内表面进行氮离子注入，即完成轴承外圈内表面氮离子注入。其他步骤与【具体实施方式】一至九相同。
[0042]采用以下试验验证本发明的有益效果:
[0043]试验一:一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法具体是按以下步骤完成的:
[0044]一、超声清洗:将待处理的轴承内圈和待处理的轴承外圈分别放入到纯度为99.5%的乙醇溶液中超声清洗两次，每次超声清洗时间为15min?20min，得到超声清洗后的轴承内圈和超声清洗后的轴承外圈；
[0045]二、将超声清洗后的轴承内圈放入到真空室中:将超声清洗后的轴承内圈装夹到轴承内圈保护结构中，然后将轴承内圈保护结构的金属杆I与真空室的旋转靶台相连接；
[0046]三、轴承内圈外表面氮离子注入:在旋转靶台匀速旋转的同时，通过射频辉光放电在真空室中产生氮气等离子体，然后在氮气的流量为50sccm，氮气的气压在0.3Pa，射频功率为0.5kW，注入电压为30kV，注入频率为150Hz，注入脉宽为30 μ s和注入时间为3h的条件下对超声清洗后的轴承内圈外表面进行氮离子注入，即完成轴承内圈外表面的氮离子注A ；
[0047]四、将超声清洗后的轴承外圈放入到真空室中:将超声清洗后的轴承外圈装在轴承外圈保护套的保护槽6中，再将保护槽盖板7盖在保护槽6上面，再使用螺钉8将保护槽6和保护槽盖板7紧固，再将轴承外圈保护套与真空室的旋转靶台相连接；
[0048]五、轴承外圈内表面氮离子注入:在旋转靶台匀速旋转的同时，通过射频辉光放电在真空室中产生氮气等离子体，然后在氮气的流量为50sccm，氮气的气压在0.3Pa，射频功率为0.5kW，注入电压为30kV，注入频率为150Hz，注入脉宽为30 μ s和注入时间为5h的条件下对超声清洗后的轴承外圈内表面进行氮离子注入，即完成轴承外圈内表面氮离子注入。
[0049]本试验所述的轴承型号为GCrl5钢轴承；
[0050]采用疲劳寿命试验机对本试验完成全方位氮离子注入后的轴承进行测试，如图3所示，图3为试验一中完成全方位氮离子注入后的轴承疲劳寿命测试结果的威布尔分布曲线；由图3可知，失效概率为50%时本试验全方位氮离子注入后的轴承的寿命为2.4X107r ；
[0051]图4为试验一中未进行全方位氮离子注入后的轴承疲劳寿命测试结果的威布尔分布曲线；由图4可知，失效概率为50 %的寿命为9.5 X 106r ；
[0052]从图3和图4中可以看出，采用离子注入后，GCr15钢轴承的50%失效概率的寿命提高了约2.8倍。
【权利要求】
1.一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法，其特征在于一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法具体是按以下步骤完成的: 一、超声清洗:将待处理的轴承内圈和待处理的轴承外圈分别放入到纯度高于99.0%的乙醇溶液中超声清洗两次，每次超声清洗时间为15min?20min，得到超声清洗后的轴承内圈和超声清洗后的轴承外圈； 二、将超声清洗后的轴承内圈放入到真空室中:将超声清洗后的轴承内圈装夹到轴承内圈保护结构中，然后将轴承内圈保护结构的金属杆(I)与真空室的旋转靶台相连接； 三、轴承内圈外表面氮离子注入:在旋转靶台匀速旋转的同时，通过射频辉光放电在真空室中产生氮气等离子体，然后在氮气的流量为1sccm?lOOsccm，氮气的气压在0.1Pa?0.6Pa,射频功率为0.1kff?lkW，注入电压为20kV?40kV，注入频率为50Hz?300Hz，注入脉宽为5μ s?50μ s和注入时间为Ih?5h的条件下对超声清洗后的轴承内圈外表面进行氮离子注入，即完成轴承内圈外表面的氮离子注入； 四、将超声清洗后的轴承外圈放入到真空室中:将超声清洗后的轴承外圈装在轴承外圈保护套的保护槽(6)中，再将保护槽盖板(7)盖在保护槽(6)上面，再使用螺钉(8)将保护槽(6)和保护槽盖板(7)紧固，再将轴承外圈保护套与真空室的旋转靶台相连接； 五、轴承外圈内表面氮离子注入:在旋转靶台匀速旋转的同时，通过射频辉光放电在真空室中产生氮气等离子体，然后在氮气的流量为1sccm?lOOsccm，氮气的气压在0.1Pa?0.6Pa,射频功率为0.1kff?lkW，注入电压为20kV?40kV，注入频率为50Hz?300Hz，注入脉宽为5 μ s?50 μ s和注入时间为2h?8h的条件下对超声清洗后的轴承外圈内表面进行氮离子注入，即完成轴承外圈内表面氮离子注入。
2.根据权利要求1所述的一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法，其特征在于步骤二中所述的轴承内圈保护结构由金属杆(I)、螺母(2)和垫片(3)组成；所述的金属杆(I)穿过超声清洗后的轴承内圈，垫片(3)穿过金属杆(I)，覆盖在超声清洗后的轴承内圈的上端和下端，使用螺母(2)通过垫片(3)将超声清洗后的轴承内圈固定在金属杆(I)上。
3.根据权利要求1所述的一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法，其特征在于步骤三中射频辉光放电使用的氮气纯度为99.999%。
4.根据权利要求2所述的一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法，其特征在于垫片(3)的小端直径与超声清洗后的轴承内圈的内径相匹配。
5.根据权利要求1所述的一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法，其特征在于步骤五中射频辉光放电使用的氮气纯度为99.999%。
6.根据权利要求1所述的一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法，其特征在于步骤五中所述的轴承外圈保护套由保护槽(6)、保护槽盖板(7)和螺钉(8)组成；所述的保护槽盖板(7)覆盖在保护槽(6)上面，螺钉(8)将保护槽(6)和保护槽盖板(7)紧固。
7.根据权利要求1所述的一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法，其特征在于步骤三中在旋转靶台匀速旋转的同时，通过射频辉光放电在真空室中产生氮气等离子体，然后在氮气的流量为1sccm?50sccm，氮气的气压在0.1Pa?0.3Pa，射频功率为0.1kW?0.5kff,注入电压为20kV?30kV，注入频率为50Hz?150Hz，注入脉宽为5 μ s?30 μ s和注入时间为Ih?3h的条件下对超声清洗后的轴承内圈外表面进行氮离子注入，即完成轴承内圈外表面的氮离子注入。
8.根据权利要求1所述的一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法，其特征在于步骤三中在旋转靶台匀速旋转的同时，通过射频辉光放电在真空室中产生氮气等离子体，然后在氮气的流量为50sccm?lOOsccm，氮气的气压在0.3Pa?0.6Pa，射频功率为0.5kff?lkW，注入电压为30kV?40kV，注入频率为150Hz?300Hz，注入脉宽为30 μ s?50 μ s和注入时间为3h?5h的条件下对超声清洗后的轴承内圈外表面进行氮离子注入，即完成轴承内圈外表面的氮离子注入。
9.根据权利要求1所述的一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法，其特征在于步骤五中在旋转靶台匀速旋转的同时，通过射频辉光放电在真空室中产生氮气等离子体，然后在氮气的流量为1sccm?50sccm，氮气的气压在0.1Pa?0.3Pa，射频功率为0.1kff?0.5kW，注入电压为20kV?30kV，注入频率为50Hz?150Hz，注入脉宽为5 μ s?30 μ s和注入时间为Ih?3h的条件下对超声清洗后的轴承外圈内表面进行氮离子注入，即完成轴承外圈内表面氮离子注入。
10.根据权利要求1所述的一种提高轴承寿命的全方位离子注入方法，其特征在于步骤五中在旋转靶台匀速旋转的同时，通过射频辉光放电在真空室中产生氮气等离子体，然后在氮气的流量为50sccm?lOOsccm，氮气的气压在0.3Pa?0.6Pa，射频功率为0.5kW?lkW，注入电压为30kV?40kV，注入频率为150Hz?300Hz，注入脉宽为30 μ s?50 μ s和注入时间为3h?5h的条件下对超声清洗后的轴承外圈内表面进行氮离子注入，即完成轴承外圈内表面氮离子注入。
【文档编号】C23C14/48GK104342629SQ201410583301
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】王浪平, 王小峰 申请人:哈尔滨工业大学