[发明专利]一种轴承钢表面Ta薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。GCr15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℃的轴承。虽然GCr15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。

发明内容

本发明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，本发明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：

（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；

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≤0.1075μm；优选的，有机溶剂为无水乙醇或无水丙酮；

（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；

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≤2×10^-3Pa，真空室的漏气率≤0.05Pa·L/s；优选采用氩气电离产生的离子对工件表面进行溅射清洗，气压为0.2～0.3Pa，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0.8～1Pa，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80～100nm。

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8～11mA，注入剂量1×10¹⁷～5×10¹⁷ions/cm²。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3×10¹⁷ions/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GCr15钢。