基于磁控溅射与超声滚压复合强化轴承套圈表面的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于磁控溅射与超声滚压复合强化轴承套圈表面的方法，该方法先制备打底层，接着利用磁控溅射技术溅射所需的主体涂层，最后用超声波滚压技术进行轴承套圈表面强化，从而制得单层涂层。之后，在单层涂层表面继续进行磁控溅射所需涂层，在超声设备上再次超声滚压，制得多层涂层。本发明专利技术充分发挥了磁控溅射和超声波滚压这两种方法的优势，使轴承套圈表面产生剧烈的微观塑性变形，使得薄膜涂层与基体之间的结合强度有效提高，改善了磁控溅射后涂层结合力弱的缺点，并且涂层的均匀性和致密性显著增强。致密性显著增强。致密性显著增强。

【技术实现步骤摘要】
基于磁控溅射与超声滚压复合强化轴承套圈表面的方法


[0001]本专利技术涉及表面涂层及精密加工
，具体涉及一种基于磁控溅射与超声滚压复合强化轴承套圈表面的方法。

技术介绍

[0002]轴承常服役于变载、变速、高DN值、间歇服役、断油等恶劣工况下，为延长轴承的使用寿命、提高其工作可靠性，常在轴承及轴承套圈上喷涂涂层。目前，由于各行各业的机械部件正朝着长寿命、高稳定的方向发展，因此对涂层的性能要求日益提高。
[0003]近年来非平衡磁场、多靶磁场耦合、孪生磁控靶、脉冲溅射、中频交流溅射电源等新技术的出现和发展，使得磁控溅射技术在关键配合部件的涂层制备中得到广泛应用。
[0004]在磁控溅射技术的基础上，研究制备适用于极端工况下的轴承套圈涂层，以达到涂层超低摩擦因数、低磨损率和高承载力等优异性能，具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于磁控溅射与超声滚压复合强化轴承套圈表面的方法，能够提高涂层与基体之间的结合强度，使得涂层的均匀性、致密性显著增强。
[0006]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于磁控溅射与超声滚压复合强化轴承套圈表面的方法，包括以下步骤：S1、将轴承套圈基体清洗干净；S2、制备轴承套圈涂层：S21、安装：将磁控溅射的溅射靶安装在直流阴极上，基体装入样品台，处于正极，固定溅射靶与基体的距离为150mm；S22、中频偏压冲洗：将真空室抽真空至1x10
‑3pa，加热基体至450℃，向真空室通入Ar，控制Ar的流量为250sccm，工作气压为2.5Pa；开启中频电源，设定电压为1000V，对轴承套圈基体表面进行清洗，持续15min；S23、溅射打底层：调节Ar流量为100sccm，工作气压为1.0Pa，设置中频偏压电源电压为800V、占空比50%，同时开启溅射靶的溅射电极，设置电流为30A、溅射时间8min，在基体上溅射打底层；S24、溅射主体层：同时向真空室通入Ar和N2，调节Ar的流量为10sccm、N2的流量为400sccm、工作气压为1.0Pa；设置中频偏压电源电压为200V、占空比50%，设定溅射电源电流为80A、溅射时间30min，在打底层上溅射主体层；S3、制备磁控溅射涂层：同时向真空室通入Ar和N2，调节Ar的流量为50 sccm、N2的流量为50sccm、工作气压为0.6Pa，设置直流溅射功率150W、溅射时间为30min，形成磁控溅射涂层；S4、进行超声滚压强化：S41、将超声滚压装置以一预压深度压在轴承套圈的表面上，对轴承套圈施加背压
力；S42、在轴承套圈表面上滚动超声滚压装置的滚球工具头，通过输入电流驱动超声滚压装置做超声频的机械振动，完成超声滚压强化。
[0007]作为优选，完成步骤S42之后，继续重复一遍步骤S23、S24、S3和S4，制备得到双层涂层。
[0008]作为优选，完成步骤S42之后，继续重复两遍步骤S23、S24、S3和S4，制备得到多层涂层。
[0009]更进一步地，步骤S4中还包括用于控制超声滚压装置的控制器，控制器基于期望残余压应力和实时滚压力调节所述预压深度、背压力和输入电流中的至少一个。
[0010]更进一步地，所述超声滚压装置包括超声发生器、支架外壳、弹簧、换能器、变幅杆和滚球工具头，所述支架外壳通过夹持机构连接于机床刀架上，所述弹簧、换能器和变幅杆依次连接设置于支架外壳的内部，所述变幅杆上端伸出支架外壳后与滚球工具头连接，所述弹簧下端与支架外壳的上底面固定，所述换能器接收超声发生器发出的超声波信号，并将超声频机械振动传递至变幅杆。
[0011]更进一步地，所述溅射靶选自Cu、C、Cr、Ti、Ni、Al、Si、Zr中的任一金属材料或者为其中任两种以上金属材料组成的金属合金。
[0012]更进一步地，所述溅射靶为TiSi靶。
[0013]更进一步地，所述溅射靶为纯度为99.9％的铝铜靶或99.9％碳靶。
[0014]更进一步地，溅射靶的表面粗糙度Ra小于1mm，溅射靶的厚度为50mm以下，溅射靶为非磁性材料粒子分散型溅射靶。
[0015]更进一步地，所述轴承套圈基体为42CrMo金属材质。
[0016]本专利技术所带来的有益效果是：1.本专利技术首先采用磁控溅射技术制备表面涂层，再通过超声波滚压技术将涂层与基体进一步强化，有效提高了轴承套圈表面的涂层结合强度。
[0017]2.本专利技术通过重复磁控溅射和超声滚压步骤，来制备多层涂层，由于溅射的每层涂层均经过了超声滚压强化，使轴承套圈表面产生剧烈的微观塑性变形，使得轴承套圈表面的涂层与基体之间的结合强度更高，涂层的均匀性、致密性显著增强。
[0018]3.本专利技术采用静态载荷与超声动态载荷结合的加工方式，对轴承套圈表层进行高频振动冲击，充分发挥了磁控溅射和超声波滚压两种技术的优势，所制备的薄膜涂层的均匀性、致密性比单纯采用磁控溅射或超声滚压有了显著增强，且具有超低摩擦因数、低磨损率和高承载力的特性，使轴承在缺油、乏油、断油状况下的自润滑性能得到提高。
[0019]4.本专利技术中溅射靶的表面粗糙度Ra小于1mm，溅射靶的厚度为50mm以下，溅射靶为非磁性材料粒子分散型溅射靶，使得靶材在溅射时能够稳定地放电，溅射效果得到明显提高。
附图说明
[0020]图1为本专利技术实施例中超声滚压装置的结构示意图；图2为本专利技术实施例中磁控溅射的原理图；图3为本专利技术实施例中磁控溅射装置与样品台的示意图；
图4为本专利技术实施例中磁控溅射后涂层晶粒的微观组织图；图5为本专利技术实施例中磁控溅射与超声滚压复合强化后涂层晶粒的微观组织图。
[0021]图中标记：1.超声发生器；2.支架外壳；3.弹簧；4.换能器；5.变幅杆；6.滚球工具头；7.轴承套圈；8.机床刀架；9.溅射靶；10.磁场；11.样品台。
具体实施方式
[0022]下面结合图1至图5以及具体实施例对本专利技术做进一步详细的说明。
[0023]实施例一一种基于磁控溅射与超声滚压复合强化轴承套圈表面的方法，包括以下步骤：S1、将42CrMo金属材质的轴承套圈7基体清洗干净；S2、制备轴承套圈涂层：S21、安装：将磁控溅射的溅射靶9安装在直流阴极上，轴承套圈7装入样品台11，处于正极，固定溅射靶9与基体的距离为150mm；其中溅射靶9选自Cu、C、Cr、Ti、Ni、Al、Si、Zr中的任一金属材料或者为其中任两种以上金属材料组成的金属合金。本实施例中溅射靶的表面粗糙度Ra小于1mm，溅射靶的厚度为50mm以下，溅射靶9为TiSi靶。
[0024]参见图2、图3，图2为本实施例中磁控溅射的原理图，图3为本实施例中磁控溅射装置与样品台的示意图。磁控溅射装置包括多组电磁增强的磁控溅射阴极，溅射靶9数量与磁控溅射阴极数量一致，磁控溅射装置能够形成环形的闭合磁场10，样品台11置于磁控溅射装置的中心区域。环形的闭合磁场10与中心阳极电场形成复合电磁场，能够提高电子的运动行程，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于磁控溅射与超声滚压复合强化轴承套圈表面的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将轴承套圈基体清洗干净；S2、制备轴承套圈涂层：S21、安装：将需要磁控溅射的溅射靶安装在直流阴极上，基体装入样品台，处于正极，固定溅射靶与基体的距离为150mm；S22、中频偏压冲洗：将真空室抽真空至1x10
‑3pa，加热基体至450℃，向真空室通入Ar，控制Ar的流量为250sccm，工作气压为2.5Pa；开启中频电源，设定电压为1000V，对轴承套圈基体表面进行清洗，持续15min；S23、溅射打底层：调节Ar流量为100sccm，工作气压为1.0Pa，设置中频偏压电源电压为800V、占空比50%，同时开启溅射靶的溅射电极，设置电流为30A、溅射时间8min，在基体上溅射打底层；S24、溅射主体层：同时向真空室通入Ar和N2，调节Ar的流量为10sccm、N2的流量为400sccm、工作气压为1.0Pa；设置中频偏压电源电压为200V、占空比50%，设定溅射电源电流为80A、溅射时间30min，在打底层上溅射主体层；S3、制备磁控溅射涂层：同时向真空室通入Ar和N2，调节Ar的流量为50 sccm、N2的流量为50sccm、工作气压为0.6Pa，设置直流溅射功率150W、溅射时间为30min，形成磁控溅射涂层；S4、进行超声滚压强化：S41、将超声滚压装置以一预压深度压在轴承套圈的表面上，对轴承套圈施加背压力；S42、在轴承套圈表面上滚动超声滚压装置的滚球工具头，通过输入电流驱动超声滚压装置做超声频的机械振动，完成超声滚压强化。2.根据权利要求1所述的基于磁控溅射与超声滚压复合强化轴承套圈表面的方法，其特征在于，完成步骤S42之后，继续重复一遍步骤S23、S24、S3和S4，制备得到双层涂层。3.根据权利要求1所述的基于磁控溅射...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓强，付浩然，王排岗，王浩杰，曹丽茹，张彪，靳园园，刘志飞，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：