表面改性技术[轴承知识讲座]

作者：bearingpower        发表时间：2010-12-12

5.2 离子注入 离子注人与其他表面强化技术相比，具有以下的显著优点：(1)离子注人后的零件，能很好地保持原有的尺寸精度和表面粗糙度，不需要再做其它表面加工处理,很适合于航空轴承等精密零件生产的最后一道工序；(2)原则上不受冶金学或平衡相图的限制，可根据零件的工作条件和技术要求，选择需要的任何注人元素，注人剂量和能量，获得预期的高耐磨性或耐腐蚀性等特殊要求的轴承表面，灵活性大，实用性强，对基体材料的选择也可以适当放宽，从而可节省贵重的高合金钢材和其它贵重金属材料；(3)注入层与基体材料结合牢固可靠、无明显界面，在使用中不会产生脱落和剥皮现象，这对提高轴承寿命和工作可靠性来说非常重要；(4)离子注人是一个非高温过程，可以在较低的温度下完成，零件不会发生回火、变形和表面氧化；（5）具有很好的可控性和重复性。欧美等国对离子注入进行了大量的研究[30~37]。 美国海军实验室从1979年起进行了轴承零件离子注入的研究，英国、丹麦和葡萄牙等国从1989年开始进行与美国海军实验室类似的工作。结果表明：注入铬离子能显著提高M50钢的抗腐蚀性能，而且抗接触疲劳性能也有所提高；此外还用注人硼离子来提高仪表轴承的抗磨损能力；对轴承钢52100进行氮等离子源离子注入（PSⅡ）后在表面形成薄层氮化物，可提高轴承钢的耐蚀性，用于代替昂贵的不锈钢；对SUS440C不锈钢球轴承进行氮、硼离子注入可减小球轴承微小摆动的微振磨损及轴承的灰尘排放，另外，对不锈钢进行（Ti+N）或（Ta+N）等离子体浸没离子注入（PSⅢ）可显著提高其显微硬度、耐磨性和寿命。 5.2 表面涂覆 表面涂覆技术包括：物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、射频溅射（RF）、离子喷涂（Plasma spraying coating, PSC）、化学镀等[38~42]。PVD与CVD相比，其工艺过程中被处理工件的温生低，镀后不需再进行热处理，再轴承零件的表面处理中得到较广泛的应用。100Cr6、440C等钢制轴承零件经PVD、CVD或RF镀TiC、TiN、TiAlN等后，可提高轴承零件的耐磨性、接触疲劳抗力，降低表面摩擦系数。 SKF公司近年来开发了两种涂镀技术：一是采用PVD在轴承套圈及滚动体表面镀硬度极高的金刚石结构的碳（Diamond-Like Carbon, DLC），表面硬度比淬硬轴承钢高40~80%、摩擦系数类似于PTFE或MoS2，具有自润滑特性，且与基体结合良好、无剥落，轴承寿命、耐磨性大幅度提高，在断油的情况下仍可正常工作，被称为“NoWear bearing”[38]; 二是采用PSC在轴承的外圈外圆面喷涂一层100μm后的氧化铝，使轴承的绝缘能力高达1000V以上，通过增加氧化铝的厚度使轴承具有更高绝缘能力。涂镀的氧化铝与基体结合牢固，还可提高轴承的耐蚀性，镀后的轴承（INSOCOATTM bearing）可像一般轴承一样进行安装[39]。 低温离子渗硫是20世纪80年代后期出现的表面改性技术。其基本原理与离子渗氮相似，在一定的真空度下，利用高压直流电使含硫气体电离，生成的硫离子轰击工件表面，在工件表面与铁反应生成以FeS为主的10μm左右厚的硫化物层。硫化物是良好的固体润滑剂，有效地降低钢件接触表面的摩擦系数，且随载荷增大，摩擦系数进一步降低，因此可以大大提高重载下轴承的耐磨性，轴承的寿命可提高3倍左右。 低温磷化与渗硫的作用相似。通过把工件放置于40℃的TAP溶液（磷酸十三烷酸脂）中浸渗4h可在工件表面获得0.05~0.25μm厚的Fe2O3和Fe4(P2O7)3的表面层，降低摩擦系数、提高耐磨性。经磷化的M50钢轴承在短期断油的情况下不出现卡死，提高了轴承的可靠性[36]。 扩散渗铬是用气体方法（粉末法）在850~1100℃进行，时间为1~9h，根据零件所用钢种（ШХ15、95Х18、55СМ5ФА）及性能需要选用相应的温度和时间，在轴承生产及修复中均可使用。渗后扩散层由Cr2(NC)3、(Cr, Fe)23C6及(Cr, Fe)7C3组成，层深16~27μm，硬度1650~1900HV。渗铬并进行常规热处理后，耐热性、耐蚀性、耐磨性及接触疲劳强度均明显提高[42]。