本发明专利技术属于表面膜层强化技术领域，特别涉及一种轴承钢表面Ta基薄膜的制备方法，首先将轴承钢表面的预处理，将轴承钢表面打磨、抛光后置于有机溶剂中超声清洗并吹干；然后将工件在真空状态下进行表面溅射清洗，并在工件表面进行非金属离子注入；再将Ta表面进行溅射清洗，并将上述工序得到的工件表面沉积Ta基薄膜；最后将Ta基薄膜进行非金属离子注入。采用本发明专利技术方法得到的轴承钢的硬度高、耐磨性好，经过测试，轴承钢的硬度至少提高了80%，磨损率下降了65%左右，有效延长了轴承钢的使用寿命。而且所制备的薄膜与基体间没有明显的界面，能够实现冶金结合，提高了结合力，同时也提高了工件的硬度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于表面膜层强化
，特别涉及一种轴承钢表面Ta基薄膜的制备方法。
技术介绍
轴承钢是重要的冶金产品，主要应用于机械制造、铁路运输、汽车制造、国防工业等领域。GCrl5钢是常用的高碳铬轴承钢，其优异的性能及低廉的价格使其广泛的被应用于制造各类使用温度不超过170°C的轴承。虽然GCrl5钢经过淬火加回火后具有较高的硬度、均匀的组织、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能，但随着科技的进步，对于轴承的性能要求也越来越高，如何延长轴承使用寿命，一直是材料工作者研究的重要课题，通过表面处理方法提高材料的性能是一条切实可行的途径，离子注入就是一种这样的方法。目前离子注入被用于金属及其合金材料的表面改性，相对于等离子参氮、物理气象沉积和化学气象沉积而言，离子注入具有独特的优越性。但是，轴承钢经过离子注入后性能有很大提升，但是常温下离子注入的深度比较浅，不能满足高速重载轴承的要求。Ta是第V族元素，硬度和熔点较高，能够与多种非金属(C、N、B等元素)形成高硬度高熔点化合物，高硬度可以增加材料表面的耐磨性，高熔点可以使材料抵抗摩擦过程中表面产生的瞬间高温，也可以提高材料的摩擦磨损性能，因而制备Ta/N、Ta/C化合物薄膜的研究很多。目前此类薄膜的制备多采用反应磁控溅射沉积、化学气相沉积、离子束辅助沉积等方法；采用离子注入与沉积的方式，可以消除Ta与基体间的界面增加薄膜与基体间的结合强度，沉积层与注入的非金属元素作用，形成一些化合物，进一步提高薄膜的性能，更重要的是这个过程可以在常温下进行，对于轴承的尺寸精度和基体硬度没有任何影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种轴承钢表面Ta基薄膜的制备方法，在轴承钢的形成一种具有冶金结合的高硬度、高耐磨性的Ta基薄膜，以提高轴承钢的表面性能，延长轴承钢的使用寿命。为了实现以上技术效果，本专利技术是通过如下步骤实现一种轴承钢表面Ta基薄膜的制备方法，其步骤包括(I)轴承钢表面的预处理，将轴承钢表面打磨、抛光后置于有机溶剂中超声清洗并吹干；优选为，轴承钢采用金相纸打磨后，以金刚石研磨膏作为抛光剂抛光至Ra ( O. 1075 μ m ;优选的,有机溶剂为无水乙醇或无水丙酮；( 2)将步骤(I)中的工件在真空状态下进行表面溅射清洗，然后在工件表面进行非金属离子注入；优选为，将工件放在真空室内进行表面溅射清洗，真空室的背底真空度彡2X 10_3Pa，真空室的漏气率彡O. 05Pa -L/s ;优选采用氩气电离产生的离子对工件表面进3行溅射清洗，气压为O. 2 O. 3Pa，工件偏压为-600 750V，清洗时间为30 40分钟。(3)将Ta表面进行溅射清洗，然后采用非平衡磁控溅射的方法，在步骤(2)中得到的工件表面沉积金属Ta薄膜；优选的，采用氩气电离产生的离子对Ta表面进行溅射清洗，磁控电流为300 400mA，清洗电流为300 400mA，溅射气压为O. 8 IPa，清洗时间为12 17分钟；(4)将步骤(3)中的Ta薄膜层进行非金属离子注入。所述步骤(3)中，工件表面沉积金属Ta薄膜时，磁控电流为300 400mA，溅射电流为100 200mA，工件偏压-200 -220V，薄膜的厚度为80 lOOnm。所述步骤(2)和步骤(4)中，非金属离子注入电压为50 70kV，注入电流为8 111^，注入剂量1\1017 5父101710118/0112。优选的，所述非金属离子注入电压为60kV，注入电流为10mA，注入剂量3X1017ions/cm2。所述步骤(2)中的非金属离子为氮离子，所述步骤(4)中的非金属离子为氮离子或碳离子。所述轴承钢为GCr 15钢。本专利技术的有益效果是1、将轴承钢的表层初步处理后利用磁控溅射技术沉积金属Ta薄膜，然后采用离子注入技术对Ta沉积层进行非金属离子注入，得到高硬度、高耐磨性的Ta基薄膜，轴承钢的硬度至少提高了 80%，磨损率下降了 65%左右，有效延长了轴承钢的使用寿命。2、本专利技术方法的制备过程中，是在常温下进行，工件不存在温度升高现象，因此工件基体材料的硬度和轴承的尺寸精度不受影响。3、所制备的薄膜与基体间没有明显的界面，能够实现冶金结合，提高了结合力，同时也提高了工件的硬度。4、本专利技术采用离子注入技术，清洁无污染，而且可在工件表面形成压应力，减少表面裂纹的出现。附图说明图I是实施例I中试样的硬度对比图。图2是实施例2中试样的摩擦系数与摩擦时间曲线图。具体实施例方式下面结合实施例，对本专利技术作进一步说明本实验所用到的设备DLZ-01型等离子体基离子注入机。实施例I( I )、轴承钢表面的预处理GCr15钢表面抛光及清洗本实施例所用到的轴承钢为GCrl5钢，先用金相砂纸将轴承钢表面打磨磨光，金相砂纸依次采用200 #、600 #、1000 #、1500 #、2000 #砂纸，然后以金刚石研磨膏作为抛光剂经机械抛光至Ra ( O. 1075 μ m，最后将经抛光后的工件分别置于无水乙醇和无水丙酮中并利用超声清洗10分钟，表面吹干备用；(2)、基本非金属离子的注入将经过预处理过的轴承钢放在真空室中，真空室的背底真空度彡2X 10 以下，真空室的漏气率< O. 05Pa · L/s ;利用氩气电离产生的离子对工件表面进行溅射清洗，溅射气压为O. 2 O. 3Pa，工件偏压-600 750V，清洗30 40min，溅射清洗的目的为除去工件表面可能残存的氧化物和油污；利用等离子体基离子注入技术对基体进行氮离子注入，等离子体发生气体为高纯N2,注入电压为60kV，注入电流为10mA，注入剂量为3 X 1017ions/2cm ο( 3 )、金属Ta薄膜的沉积利用氩气电离产生的离子体对Ta溅射清洗，磁控电流为400mA，清洗电流为400mA，溅射气压O. 8 IPa，清洗时间为15分钟；利用非平衡磁控溅射的方法在工件表面沉积金属Ta薄膜，采用的磁控电流为400mA，溅射电流100mA，工件偏压-200V，薄膜的厚度为 IOOnm0(4)、Ta基薄膜非金属离子的注入利用高纯N2作为等离子体发生源，对Ta薄膜进行氮离子注入，注入电压为60kV，注入电流为10mA，注入剂量lX1017ionS/cm2，标记为1#试样；其他条件不变的情况下，仅调节Ta基薄膜氮离子的注入量，将注入剂量改为3 X 1017ions/cm2,标记为2#试样，将注入剂量改为5X 1017ionS/cm2，标记为3#试样，与外表面不加任何处理的0#试样进行硬度对比测试，测试结果如图I所示，当Ta基薄膜氮离子量注入了达到3X1017ionS/cm2时，表面硬度达到了 17.86 &，比不加任何表面处理的0#试样提高了 110%，随着氮离子量注入量的提高，表面硬度反而下降了。同时，又对2#试样的磨损状况作了检测，实验结果表明2#试样的摩擦系数为O. 2，而0#试样的摩擦系数为O. 8，2#试样磨损率比0#试样下降了 88%，说明Ta基薄膜氮离子量注入后材料的耐磨性大大增强了 ；而且薄膜与基体间存在约20nm的混合层，该混合层为强化层，提高了基体的硬度。实施例2(I)、轴承钢表面的预处理、基本非金属离子的注入及金属Ta薄膜的沉积三个步骤同实施例I。(2)、Ta基薄膜非金属离子本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种轴承钢表面Ta基薄膜的制备方法，其步骤包括：（1）轴承钢表面的预处理，将轴承钢表面打磨、抛光后置于有机溶剂中超声清洗并吹干；（2）将步骤（1）中的工件在真空状态下进行表面溅射清洗，然后在工件表面进行非金属离子注入；（3）将Ta表面进行溅射清洗，然后在步骤（2）中得到的工件表面沉积Ta基薄膜；（4）将步骤（3）中的Ta基薄膜进行非金属离子注入。
【技术特征摘要】
1.一种轴承钢表面Ta基薄膜的制备方法，其步骤包括 (I)轴承钢表面的预处理，将轴承钢表面打磨、抛光后置于有机溶剂中超声清洗并吹干; (2 )将步骤(I)中的工件在真空状态下进行表面溅射清洗，然后在工件表面进行非金属离子注入； (3)将Ta表面进行溅射清洗，然后在步骤(2)中得到的工件表面沉积Ta基薄膜； (4)将步骤(3)中的Ta基薄膜进行非金属离子注入。2.根据权利要求I所述的轴承钢表面Ta基薄膜的制备方法，其特征在于所述步骤(I)中，轴承钢采用金相纸打磨后，以金刚石研磨膏作为抛光剂抛光至Ra ( 0. 1075 u m03.根据权利要求I所述的轴承钢表面Ta基薄膜的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中，将抛光后的工件分别置于无水乙醇和无水丙酮中超声清洗5-15分钟。4.根据权利要求I所述的轴承钢表面Ta基薄膜的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中，将工件放在真空室内进行表面溅射清洗，真空室的背底真空度<2X10_3Pa，真空室的漏气率彡0. 05Pa L/s。5.根据权利要求I所述的轴承钢表面Ta基薄膜的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中，采用氩气电离产生的离子对工件表面进行溅射...
【专利技术属性】
技术研发人员：李忠文，唐光泽，马欣新，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：
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