专利名称：多种离子混合注入减摩自润滑轴承的制作方法
技术领域：
材料科学与机械工程领域，背景技术 轴承作为机械工业的“关节”几乎无处不在。世界每年因轴承磨损造成的机械报损及能源损耗多达上百亿美元。工业界、科技界在轴承耐磨损、减摩方面的研究从未间断过。目前，轴承的滚珠已开发出陶瓷材料如SiC、ZrC、ZrO、Al2O3等，对轴承的减摩有很大作用。但陶瓷材料的使用，轴承的滚珠寿命延长，相比之下轴承的内、外环的耐磨损及寿命明显不足。采用本发明，有望解决轴承的内、外环自润滑，耐磨损及延长使用寿命问题。发明内容本方法是应用新型金属蒸汽真空弧离子源，即MEVVA源离子注入机，以离子强渗透的方式，将金属离子和非金属离子按一定的比例组合、一定的深度分布、一定的入射角度及适当的温度条件，以一定的能量分布，将多种元素组合离子束，注入到被处理的轴承内环、外环与滚子运动接触面。在被处理轴承环表面与工件基体之间，形成纳米陶瓷浓度逐渐增加及至表面的过渡层。因此，纳米陶瓷注入层与机体之间没有明显的界面。此纳米陶瓷注入层，有着非常良好的自润滑性能和耐磨损性能。
图1.能同时产生多种金属离子的，新型金属蒸汽真空弧离子源、即MEVVA源离子注入机示意图；图2.Mo+C双元素同时电离，离子注入俄歇电子能谱图；图3.Ti+C双元素同时电离，离子注入Gr15轴承钢，纳米——显微硬度随深度分布的曲线，与未进行离子注入的轴承钢，即对照试样的纳米——显微硬度随深度分布曲线的对照图。此图表明Ti+C同时电离，离子注入Gr15轴承钢，表面纳米——显微硬度，比较对照样品有显著提高，由8.5GPa以下提高到16GPa以上，轴承钢试样表面机械强度明显提高；图4.为Ti+C双元素同时电离，离子注入Gr15轴承钢试样干摩擦曲线，与未离子注入对照试样的干摩擦曲线对比图，此图显示在同样的实验条件下，Ti+C双元素同时电离，离子注入Gr15轴承钢，干摩擦时，摩擦平稳，摩擦系数低。Ti+C双元素同时电离，离子注入纳米陶瓷层有很强的抗黏着磨损能力。而未离子注入的Gr15轴承钢对照试样，由于表面强度低，干摩擦时，有磨销出现，并黏着在摩擦副上，产生黏着磨损，并伴随着剧烈震动(黏着—黏着点拉开—黏着，周而复始)，使摩擦系数增大。此实验表明双元素同时电离，离子注入轴承钢，生成的纳米陶瓷离子注入层，有很好的摩擦学性能。此发明应用在轴承上，有显著的降低摩擦系数、减少磨损、降低机械运行能耗之作用。
具体实施例方式
一、取一种金属或合金，此金属或合金只要再配以适当的其它金属和非金属元素，即可合成所需的纳米陶瓷成份。上述非金属元素可以是气体、也可以是固体。1、非金属元素是固体时，用纯金属或合金制成阴极。固体非金属，按纳米陶瓷注入层原子比，及各参与元素的电离能比关系，设计各元素的量比。将固体非金属依比量制成细柱状，按蜂巢排列方式或莲蓬状排列方式镶嵌到纯金属或合金制成的阴极中。用此阴极触发、电离、配以适当能量分布进行离子注入。可得到所需的纳米陶瓷注入层。采用此方法获取纳米陶瓷注入层的有TiC、ZrC、MoC、WC、SnC、YC、GrC、AgC等，纯金属也可以换成固体非金属制成阴极，生成如下纳米陶瓷层BC、SiC、SiBC等。上述金属也可以是一种金属配以另一种或几种纯金属，再配以非金属或两种及种两种以上非金属，生成纳米陶瓷层如TiZrC、ZrBC、ZrGrC、GrMoC、TiZrVBC等。用上述方法可引出金属和固体非金属多种离子混合离子束。用金属和固体非金属多种离子混合离子束注入轴承内环、外环，可使轴承内、外环产生减摩润滑性能，并降低机械运行之能耗。
2、非金属元素是气体时，用通气铜管配以针阀，安装在离子源阴极放电室。通入单一气体，调整适当气压，使离子源保持正常电离工作状态。调整触发电压、引出电压、引出离子的成份，达到纳米陶瓷注入层成份的要求。配以适当的能量分布进行离子注入。形成纳米陶瓷注入层。如TiN、ZrN、TiO、ZrO、TiZrN；上述气体也可以是混合气体或固体加气体，生成纳米陶瓷注入层，如TiNO、ZrNO、TiZrCN、TiZrCNO、GrMoCO等；上述金属也可换成非金属，生成纳米陶瓷注入层，如BN、CN、BCN、SiCN、BNO、AgO、AgN、AgCN、SiNO等。用此方法可引出金属和气体非金属多种离子混合离子束。用金属和气体非金属多种离子混合离子束注入轴承内环、外环，也可使轴承内、外环产生减摩润滑性能。
二、采用粉末冶金方法，1、按纳米陶瓷注入层金属与非金属的成份比例选取粉末冶金原料，按离子源阴极的尺寸制模，压制成型，适当烧结，制成阴极。用于离子注入，可得到相应的多种离子纳米陶瓷注入层。2、利用市场提供的硬质合金，选择纳米陶瓷成份所需要的成份相近的硬质合金，制成离子源阴极，用于离子注入，得到相应的多种离子纳米陶瓷注入层。用其处理轴承，也可得到多种离子混合，离子注入减摩自润滑轴承。
权利要求
1.多种离子混合注入减摩自润滑轴承，其多种离子混合注入特征在于采用两种或两种以上金属元素、非金属元素，同时电离，在电离室中混合、在电场中加速，形成均匀混合的离子束流，对被加工物体进行离子注入。其特征在于把金属元素、非金属元素同时电离，进行离子注入。
2.如权利要求1所述的金属材料的表面处理方法。其金属选自Ti.Zr.V.Nb.Ta.Cr.Mo.W.Fe.Co.Ni.Mn.Y.Zn.Ag.Au.Sn.Si.Sc.等一种或多种元素；其非金属元素选自B.C.N.O.S一种或多种。
3.权力要求2的轴承环金属材料表面处理方法中，金属元素与非金属元素组成范围是金属元素(0.005-99.005％)其余是非金属元素。
4.权力要求1、2、3所述轴承环金属材料的表面处理方法。其中元素组合为Ti+C+N、Zr+C+N、Ti+Zr+C+N、Ti+C、Zr+C、Ti+N、Zr+N、Mo+N、Mo+C、Gr+N、Gr+C、Ti+C+O、Zr+C+O、Ti+N+O、Zr+N+O、Zr+O、Ti+V+C、Ti+Nb+C、Zr+Cr+B、Zr+Cr+C+O、Ti+Nb+C、Mo+Gr+C、Ti+Cr+Mo+C、Zr+Mo+C+N、Cr+C+N、Cr+Mo+C+N、Cr+Mo+C+O、Mo+C+N、Y+C+N、Y+Cr+C、Y+Cr+C+N、Co+Cr+Mo+C、Ag+N、Ag+C、Ag+O、Ag+N+O、Ag+C+N、Sn+C、Sn+N、Sn+B+C、Co+Cr+Mo+C+N、Co+Cr+Mo+N+O等。
5.如权力要求1～4所述的轴承环金属材料的表面处理方法，其特征在于其中离子注入能量为0.5-500KV，离子注入剂量为1×1010-5×1020Ion/cm2。
6.如权力要求1～5所述的轴承环金属材料的表面处理方法，其特征在于将MEVVA源离子注入机，产生离子的阴极，由只产生单一离子，改造成能产生多种离子的阴极。即产生离子的阴极，是能产生多种离子的阴极。
7.如权力要求1～6所述的轴承环金属材料的表面处理方法，其特征在于此阴极制造采用，将一种固体注入元素制成阴极形状(一般采用所需注入元素含量最多的一种)，将其他一种或多种注入元素按陶瓷注入层原子比和各参与元素的电离能比关系，设计各元素的量比。将上述其他一种或多种注入元素依比量制成细柱状，按蜂巢排列方式或莲蓬状排列方式镶嵌到所述固体注入元素制成的阴极中。用此阴极触发、电离、配以适当能量分布进行离子注入。可得到所需的纳米陶瓷注入层。
8.如权力要求7所述的MEVVA源离子注入机，其特征在于此阴极制造采用，将一种固体注入元素制成阴极形状(一般采用所需注入元素最多的一种)，将其他一种或多种注入元素制成细柱状嵌入该阴极中。
9.如权力要求8所述的MEVVA源离子注入机阴极，其量比特征在于按纳米陶瓷注入层原子比和各参与元素的电离能比关系，设计各元素的量比及排列组合。用此阴极触发、电离、配以适当能量分布进行离子注入。可得到所需的纳米陶瓷注入层。
10.权力要求1-9中所述轴承金属材料为轴承钢、如Gr15钢、M50钢、65Mn钢、高速钢等，及用于轴承的铁基合金、铜基合金和镍基合金等。
全文摘要
多种离子混合注入减摩自润滑轴承，所属材料科学与机械工程领域。本发明公开了一种用MEVVA源离子注入机，引出混合离子束流，注入到金属材料表面的方法。该混合离子注入，用一种或多种金属元素与非金属元素同时电离、加速成混合离子束流，对轴承环内表面进行离子注入处理。混合离子注入可在轴承环内表面形成纳米级陶瓷注入层。混合离子束流金属离子选自Ti.Zr.V.Nb.Cr.Mo.Ta.W.Co.Ni.Mn.Y.Ag Sn.Zn.Sc.一种或多种元素；非金属离子选自B.C.N.O.S一种或多种元素。轴承经过上述多种离子束混合注入后不改变其外形尺寸及表面精度；同时具有降低轴承摩擦系数、节约能源、抗腐蚀、耐磨损，延长轴承使用寿命之特点。有很好的应用前景。
文档编号F16C33/14GK1854547SQ20051010522
公开日2006年11月1日 申请日期2005年9月27日 优先权日2004年12月22日
发明者丁晓纪, 王平, 刘安东, 周宏余, 陆挺, 米娜娃·马木提 申请人:北京师范大学