一种齿轮轴承组表面抗滚动接触疲劳薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种齿轮轴承组表面抗滚动接触疲劳薄膜及其制备方法，包括自下而上设置的金属Cr底层、CrTi金属过渡层、Ti

【技术实现步骤摘要】
一种齿轮轴承组表面抗滚动接触疲劳薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及表面工程
，涉及航空发动机齿轮轴承组等力矩传递构件的表面耐磨、滚动接触疲劳防护方法，具体涉及一种齿轮轴承组表面抗滚动接触疲劳薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]齿轮作为机械设备中重要的旋转零件，能将一根轴的转动传递给另一根轴，也可以实现减速、增速、变向和换向等动作，同样也是重要故障源之一。近年来，齿轮的主要失效模式与微点蚀、磨损、黄化、擦伤、涂抹和宏观点蚀有关，所有这些都发生在表面或靠近表面。因此为防止这些摩擦学故障，目前正在考虑采用各种表面工程方法沉积耐磨薄膜来改变此类轴承和齿轮的表面特性。
[0003]然而齿轮表面耐磨薄膜长期处于高载荷、高速、高温等复杂工况下，薄膜长期遭受复杂交变应力和剪切应力作用。因此，薄膜极易在上述条件的综合作用下发生畸变、产生缺陷、萌生裂纹、微裂纹扩展直至导致薄膜剥落引起接触情况下的表面破坏(接触疲劳失效)，对运行中的齿轮组结构产生严重影响甚至导致齿轮组损毁。因此对于齿轮、轴承组的表面耐磨或润滑涂层的滚动接触疲劳失效方面的相关探究至关重要。
[0004]类金刚石薄膜，英文为Diamond like Carbon，简称DLC，它是一类性能非常类似于金刚石的非晶碳膜。具有和金刚石相似的性能，如高硬度、低摩擦系数、高弹性模量、高电阻率、良好的声学性能、高的红外透过率等，因此是一种非常有前途的材料。随着制备方法以及一系列掺杂元素的改变，所制备的DLC膜的性能和结构都差异较大，同时由于DLC本体中所存在的内应力与热应力较大，会导致薄膜脱落的现象。为此，如何在保证薄膜具有良好的抗滚动接触疲劳及耐磨的同时，降低DLC薄膜本身存在的内应力及热应力是DLC薄膜需要解决的关键问题之一。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种齿轮轴承组表面抗滚动接触疲劳薄膜及其制备方法，该薄膜具有良好结合力，并且不存在内应力及热应力。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用以下的技术方案：
[0007]一种齿轮轴承组表面抗滚动接触疲劳薄膜，包括自下而上设置的金属Cr底层、CrTi金属过渡层、Ti
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C纳米过渡层以及Ti
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DLC功能层。
[0008]进一步的，所述金属Cr底层的成分为Cr；
[0009]所述CrTi金属过渡层的成分包括Cr和Ti，其中，原子百分比at％:Cr：72.5％，Ti：27.5％；
[0010]所述Ti
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C纳米过渡层的成分包括C和Ti，其中，按原子百分比计，C：81.3％，Ti：18.7％；
[0011]所述Ti
‑
DLC功能层的成分包括C和Ti，其中，按原子百分比计，C：55.1～98.5％，Ti：1.5～44.9％。
[0012]进一步的，金属Cr底层的厚度为0.3～0.5μm；
[0013]CrTi金属过渡层的厚度为0.1～0.15μm；
[0014]Ti
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C纳米过渡层的厚度为0.05～0.1μm；
[0015]Ti
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DLC功能层的厚度为1.3～2.0μm。
[0016]一种如上所述的齿轮轴承组表面抗滚动接触疲劳薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0017]S1、在氩气气氛中，采用射频离子源对基体表面进行离子刻蚀，然后沉积Cr，在基体表面形成金属Cr底层；
[0018]S2、在氩气气氛中，在金属Cr底层表面同步进行第一直流磁控溅射和多弧离子镀沉积，得到CrTi金属过渡层；
[0019]S3、在氩气气氛中，在CrTi金属过渡层表面同步进行第一直流磁控溅射和第二直流磁控溅射，得到Ti
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C纳米过渡层；
[0020]S4、在氩气气氛中，在Ti
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C纳米过渡层表面同步进行第一直流磁控溅射和第二直流磁控溅射，得到Ti
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DLC功能层，形成齿轮轴承组表面抗滚动接触疲劳薄膜。
[0021]进一步的，所述步骤S1中，沉积Cr的工艺参数包括：偏压100～400V，纯Cr靶弧电流为100A，时间25～40min。
[0022]进一步的，步骤S1中离子刻蚀时，设置离子源电压为500V，占空比为50％，真空度0.3～0.7Pa，偏压为600～800V，刻蚀时间为20～30min。
[0023]进一步的，所述步骤S2中，在金属Cr底层表面同步进行第一直流磁控溅射和多弧离子镀沉积的工艺参数包括：偏压100V，Cr靶弧电流为100A，第一直流磁控溅射靶电流2.5A，时间10～25min。
[0024]进一步的，所述步骤S3中，第一直流磁控溅射和第二直流磁控溅射的工艺参数包括：偏压100V，第一直流磁控溅射靶电流2.5A，第二直流磁控溅射靶电流3.0A，时间20min。
[0025]进一步的，所述步骤S4中，Ti
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C纳米过渡层表面同步进行第一直流磁控溅射和第二直流磁控溅射的工艺参数包括：偏压100V，第一直流磁控溅射靶电流2.5A，第二直流磁控溅射靶电流3.0～7.0A，时间60～150min。
[0026]进一步的，步骤S2中，多弧离子镀沉积的靶材为金属Cr靶；所述步骤S2中和步骤S3中第一直流磁控溅射的靶材为Ti靶；所述步骤S3中第二直流磁控溅射的靶材为石墨靶。
[0027]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0028]本专利技术提供了一种齿轮轴承组表面抗滚动接触疲劳薄膜，该薄膜具有良好结合力。通过引入Ti元素，一方面掺杂的金属原子在DLC薄膜基体中形成团簇物，可以显著提高DLC薄膜的韧性，同时通过塑性变形释放内应力。另一方面，微量Ti掺杂时，TiC纳米微晶的存在能够调节薄膜结构，改善DLC薄膜的硬度和断裂韧性，使得DLC薄膜获得优异的摩擦学性能，同时显著提高薄膜在滚动接触时的表现。
[0029]本专利技术采用工业用多弧离子镀和磁控溅射技术相结合，利用真空气相沉积技术在不锈钢基体表面沉积Ti
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DLC复合薄膜。相较于单一的气相沉积技术，通过复合气相沉积技术在同一批样品上沉积薄膜，能够保证薄膜的沉积过程中的洁净程度，所制备的薄膜性能
更加优异。本专利技术提供的薄膜具有良好的结合力，通过改变薄膜制备方式，引入Ti元素，一方面改善薄膜的耐磨性能，另一方面获得金属掺杂的DLC薄膜，并达到良好的滚动接触疲劳性能效果。
[0030]进一步的，在沉积薄膜之前，采用离子刻蚀技术和反溅射技术对基体进行预处理，可以对基体表面吸附的杂质以及沾污物进行更加有效的清理，从而在基体表面产生相对粗糙的表面结构，从而增强薄膜与基体的结合力。
[0031]进一步的，本专利技术在不锈钢表面制备的以Ti
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DLC功能层为外层的抗滚动接触疲劳薄膜，通过金属和非金属靶材和沉积条件控制，实现了在发动机齿轮轴承组的日常服本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种齿轮轴承组表面抗滚动接触疲劳薄膜，其特征在于，包括自下而上设置的金属Cr底层(1)、CrTi金属过渡层(2)、Ti
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C纳米过渡层(3)以及Ti
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DLC功能层(4)。2.根据权利要求1所述的一种齿轮轴承组表面抗滚动接触疲劳薄膜，其特征在于，所述金属Cr底层(1)的成分为Cr；所述CrTi金属过渡层(2)的成分包括Cr和Ti，其中，原子百分比at％:Cr：72.5％，Ti：27.5％；所述Ti
‑
C纳米过渡层(3)的成分包括C和Ti，其中，按原子百分比计，C：81.3％，Ti：18.7％；所述Ti
‑
DLC功能层(4)的成分包括C和Ti，其中，按原子百分比计，C：55.1～98.5％，Ti：1.5～44.9％。3.根据权利要求1所述的一种齿轮轴承组表面抗滚动接触疲劳薄膜，其特征在于，金属Cr底层(1)的厚度为0.3～0.5μm；CrTi金属过渡层(2)的厚度为0.1～0.15μm；Ti
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C纳米过渡层(3)的厚度为0.05～0.1μm；Ti
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DLC功能层(4)的厚度为1.3～2.0μm。4.一种如权利要求1所述的齿轮轴承组表面抗滚动接触疲劳薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在氩气气氛中，采用射频离子源对基体表面进行离子刻蚀，然后沉积Cr，在基体表面形成金属Cr底层(1)；S2、在氩气气氛中，在金属Cr底层(1)表面同步进行第一直流磁控溅射和多弧离子镀沉积，得到CrTi金属过渡层(2)；S3、在氩气气氛中，在CrTi金属过渡层(2)表面同步进行第一直流磁控溅射和第二直流磁控溅射，得到Ti
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C纳米过渡层(3)；S4、在氩气气氛中，在Ti
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C纳米过渡层(3)表面同步进行第一直流磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：马大衍，王喆，邓俊楷，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：