[发明专利]复合强化CSS‑42L轴承钢及其齿轮以及它们的超低温离子注入复合强化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合强化CSS-42L轴承钢及其齿轮以及它们的超低温离子注入复合强化方法，属于金属材料的冷处理和离子束表面强化处理领域。

背景技术

齿轮是机械传动中应用最广泛的零件之一，它的功用是按规定的速比传递动力和运动，在工作中，齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效；齿面各点都有相对滑动，会产生磨损；在换挡、启动和啮合不良时,齿轮还承受一定的冲击载荷，齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。因此要求齿轮具有优良的耐磨性能、抗接触疲劳性能和抗弯曲疲劳性能，即要求齿轮材料表面硬度高、强度高、芯部韧性好且硬化层分布合理。所以提高齿轮使用可靠性，就必须提高齿轮材料质量和热处理质量，所以说齿轮材料和热处理质量是促进我国机械工业上质量上品种上水平提高经济效益最基础最关键中心环节之一。

齿轮也是航空发动机中重要传动部件，主要用于各种航空发动机体内减速器，此外还用于各种飞机的传动附件，其性能的优劣会严重影响整个产品的质量水平。由于航空齿轮工作在高温、重载、腐蚀性强等恶劣环境中，对航空齿轮材料也提出了极为苛刻的要求，需要良好的抗腐蚀性能和很高的表面硬度来抵抗磨损，同时心部有良好的断裂韧性来祗抗运行过程的冲击。CSS-42L轴承钢是美国在20世纪90年代开发的，继GCrl5钢和M50-NiL钢之后的第三代轴承钢，心部还要保持良好的断裂韧性和强度。但随着我国经济的不断发展，应用于航空航天领域的高性能齿轮数量呈快速增长之势，其应用性能要求不仅包括了高速、高承载能力、高可靠性、长寿命等特征，而且在一些特殊应用条件下还要求其具有良好的高、低温性能和短时间的缺油运行能力，因此，现有的CSS-42L轴承钢的耐磨损、抗疲劳、强韧性、硬度等性能有待进一步提升，这就要求CSS-42L轴承钢强化处理技术方面也要有新的创新和突破。

为提高传动轴承钢的综合性能，如提高其抗腐蚀、抗氧化及抗疲劳性能，提高表面硬度和耐磨性能，降低齿面摩擦系数，改善齿面微观结构的低温或高温性能等，目前已证明行之有效的方法之一是采用齿面离子注入技术，注入的元素类别视具体要求的不同，可选择一种或多种不同的元素，各类离子的注入可有助于析出金属化合物和合金相，形成离散强化相，减少粘着和互扩散，增强氧化膜，提高润滑性能，显著提升轴承钢表面减磨耐磨性能，提高直升机齿轮的短时缺油运转能力，且该技术绿色无污染。但是离子注入改性层比较浅，强化效果仅仅局限于表层，无法改变内部组织及性能。

因此，现有的CSS-42L轴承钢的强韧性、耐磨损、抗疲劳、硬度等性能有待进一步提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种超低温离子注入强化CSS-42L轴承钢的方法，克服了现有离子注入改性层比较浅、强化效果仅仅局限于表层、无法改变CSS-42L轴承钢内部组织及性能、满足CSS-42L轴承钢高强韧性特征的缺陷；本发明方法能够大幅度提高CSS-42L轴承钢的次深表层强化深度，在CSS-42L轴承钢次深表层形成强韧一体化材料改性层，显著提升了其耐磨损、抗疲劳、强韧性、硬度等性能，降低了齿面摩擦系数，改善齿面微观结构的低温或高温性能等，提高传动轴承钢的综合性能。

本发明所提供的轴承钢的强化方法，包括如下步骤：

(1)采用气体离子束对轴承钢进行清洗；

(2)采用低能大束流气体离子对经步骤(1)处理后的所述轴承钢进行离子轰击热处理；

(3)采用离子注入方法，向经步骤(2)处理后的所述轴承钢的表面交替注入气体离子和金属离子；同时，采用液氮对所述轴承钢进行深冷强化处理，至此即实现对所述轴承钢的强化。

上述的强化方法中，所述轴承钢为CSS-42L轴承钢。

上述的强化方法中，步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)均在真空度为1.8×10^-4Pa～3.0×10^-3Pa的条件下进行，如在0.3×10^-3Pa的条件下进行；

均可在一体化离子注入复合设备中进行。

上述的强化方法中，步骤(1)中，所述气体离子束采用纯度为99.99％的氩气源；

所述清洗步骤用于去除是所述轴承钢表面的物理吸附层，从而有效避免对后续注入元素的污染；