[发明专利]耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学机械抛光设备用的齿轮，尤其涉及耐磨耐腐蚀的不锈钢齿轮。

背景技术

目前化学机械抛光设备，比如：硬盘盘片的抛光设备，通常由中心齿轮及其驱动、外部环齿轮及其驱动、设置在这两齿轮之间的芳纶纤维齿轮片以及设置在该齿轮片上下方的抛光垫及其驱动等机构组成，其中，中心齿轮的直径在30厘米以上，外部环齿的直径则超过1米。在硬盘盘片的抛光工艺过程，工件设置在齿轮片中的工位上，在各驱动的配合下实现抛光。现有的中心齿轮普遍采用未经过表面处理的奥氏体不锈钢，其硬度偏低，为80-250HV，耐磨性差。在化学机械抛光过程中，由于中心齿轮要与抛光液接触，而抛光液是一种强腐蚀性混合液，对不锈钢表面的腐蚀性很强，同时由于芳纶纤维齿轮片对中心齿轮的疲劳磨损，抛光液中的微颗粒对中心齿轮的磨损，以及抛光液对中心齿轮的化学腐蚀的共同作用，中心齿轮磨损很快，当中心齿轮磨损超过1mm或纤维齿轮片频繁卷边，必须更换齿轮位置，每个中心齿轮最大可调整8次位置，整个中心齿轮使用寿命短于1年。此外，从中心齿轮磨损带出的大量颗粒对加工盘片的表面容易造成划伤，严重影响抛光质量。

现有的几种用于奥氏体不锈钢制品的表面处理方法及其对中心齿轮的耐磨耐腐蚀性能的可能影响。

（1）离子植入，通过离子植入一些金属离子，表面比较薄，中心齿轮硬度没有明显提高且在抛光液中容易被腐蚀。 

（2）离子氮化，奥氏体不锈钢离子氮化在一定程度上提高了表面硬度，硬度为800-1300HV，但却在氮化层中析出了氮化物，由于氮化物在奥氏体晶界择优生长，消耗了铬，导致奥氏体基体中的铬含量减少，结果使不锈钢的耐蚀性降低。

（3）对表面进行磁控溅射镀膜处理，包括镀TiN或CrN。陶瓷TiN或CrN具有很高的硬度，硬度为1200-2400HV，以及很强的耐磨性和耐腐蚀性。但是该方法提供的超硬、耐磨、耐腐蚀层薄膜厚度很薄，在中心齿轮上仅能成型1-3μm厚的CrN层；这是因为厚度大于3μm的薄膜内应力大，与基体材料的附着性降低，在使用中容易大面积剥落。由于基体硬度不高，磁控溅射镀膜处理提供的超硬层厚度不可能太厚，因此，使用磁控溅射镀膜处理的齿轮对于寿命的提高有限。

可见，这些现有表面处理的方法对于提高化学机械抛光设备的中心齿轮的耐蚀性及耐磨性的效果比较有限，而中心齿轮的较短寿命和较频繁的更换，也会增加化学机械抛光工艺的成本，因此，提高中心齿轮的耐蚀性及耐磨性成为化学机械抛光工艺中亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，而提出一种耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮及其制造方法，可以提高化学机械抛光设备的中心齿轮的耐蚀性及耐磨性，增强其使用寿命，从而降低化学机械抛光工艺的成本。

本发明针对上述技术问题而提出的技术方案包括，提出一种耐磨耐腐蚀不锈钢齿轮的制造方法，包括采用不锈钢材质制造出齿轮的主体的过程，还包括在该齿轮的主体表面进行真空电弧离子镀CrN层的过程，该CrN层的厚度为4-19μm、表面硬度为1400-2300HV。

在真空电弧离子镀CrN层之前先真空镀Cr过渡层，该Cr过渡层的厚度为200-1000 nm。

在进行真空镀Cr过渡层和真空电弧离子镀CrN层时，该齿轮的主体安装于真空室内可转动的支架上，靶材为金属Cr，该齿轮的主体的齿面正对Cr靶，该齿轮的主体与脉冲负偏压电源装置连接。

该真空电弧离子镀Cr过渡层的过程具体包括：将真空室内背底真空抽至10^-3 Pa以下，并打开加热器使该齿轮的主体温度升至300 ℃，烘烤5 min；通入一定流量的Ar，使真空室压力控制在2-3 Pa，打开脉冲负偏压电源，占空比为30%，频率为30 kHz，电压由100V逐渐加到1500V，产生Ar离子，对该齿轮的主体表面进行轰击，累计时间为30min，以清洁与活化该齿轮的主体表面；减小脉冲负偏压电源至100V，并关闭Ar，使真空恢复至10^-3 Pa以下；通入一定流量的Ar，使真空室压力控制在(3-5)×10^－1 Pa，打开离子源电源，工作电压为20-80 V，工作电流为40-100 A，同时，逐渐增加脉冲负偏压电源至200V，时间为5-15min，在该齿轮的主体表面镀上一层厚度为200-1000 nm金属Cr，以提高结合力。