（材料加工工程专业论文）piiid技术提高轴承钢抗疲劳性能的研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 滚动轴承在航空、航天、精密机械和汽车等高新技术领域起到十分关键 的作用。失效分析表明，滚动接触疲劳失效是其主要失效形式之一。为提高 滚动轴承的抗接触疲劳性能，本文采用等离子体浸没离子注入与沉积 f p i l l & d ) 技术对g c r l 5 轴承钢进行了氮离子注入，并在其表面合成了高硬 度、高耐磨性的y i c 薄膜和类金刚石( d l c ) 薄膜。 分析比较了处理前后试样在不同离子注入条件下的抗滚动接触疲劳性 能、摩擦磨损性能和纳米硬度，通过实验探索出提高轴承钢在服役条件下抗 滚动接触疲劳性能的有效途径。首先在g c r l 5 轴承钢基体表面分别进行氮离 子注入、t i c 和d l c 薄膜的合成，然后分别测定基体表面氮离子注入及合成 薄膜后的相关表面性能。摩擦磨损实验结果表明，氮离子注入对提高轴承 表面的耐磨性不如合成t i c 薄膜和d l c 薄膜效果明显，通过优化参数发现， 注入电压1 5 k v 、注入时间5 小时、主弧脉宽为1 0 0 0 i _ t s 时合成t i c 薄膜的试样 耐磨性最好；而注入电压3 5 k v 、注入时间3 小时、主弧脉宽为1 5 0 0 t s 时合成 d l c 薄膜的试样耐磨性更佳。表面纳米硬度测试揭示出，氮离子注入对提高 表面硬度和弹性模量的效果要优于合成t i c $ 1 d l c 薄膜的试样，且最优化参 数为注入电压3 5 k v 、注入时间4 小时。t i c 薄膜的最佳参数为注入电压 1 5 k v 、注入时间5 4 , 时、主弧脉宽1 0 0 0 i _ t s ，而d l c 膜的则为注入电压1 5 k v 、 注入时间3 小时、主弧脉宽2 0 0 0 1 a s 。 改性试样的滚动接触疲劳性能测试表明，氮离子注入、合成t i c 年i d l c 薄膜后试样的接触疲劳寿命与未注入试样相比分别提高了6 2 倍、6 1 倍和 6 7 倍。由此可以看出，氮离子注入、t i c 和d l c 薄膜合成都可以有效的提高 g c r l 5 轴承钢的抗接触疲劳性能。其中，氮离子注入主要是通过提高轴承钢 表面的硬度来加强抗接触疲劳性能，而t i c 和d l c 薄膜则主要是通过提高轴 承钢表面的耐磨性来提高抗接触疲劳性能。由此可见，通过p i i i & d 方法在 g c r l 5 轴承钢上进行氮离子注入、t i c 和d l c 薄膜的合成均能改善其抗接触 疲劳寿命。 关键词离子注入与沉积；接触疲劳；耐磨性；轴承钢 a b s t r a c t r o l l i n gb e a r i n gp l a y s 柚i m p o r t a n tr o l e i nt h ef i e l d so fa v i a t i o n ，s p a c e ， m e c h a n i s ma n da u t o m o b i l ei n d u s t r y f a i l u r e a n a l y s i s s h o w e dt h a tt h er o l l i n g c o n t a c tf a t i g u e ( r c f ) f a i l u r ei so n eo ft h em a i nd a m a g eb e h a v i o u r n + i s i m p l a n t e da n dt i cf i l m sa n dd i a m o n d - l i k ec a r b o n ( d l c ) f i l m sw e r es y n t h e s i z e d o ng c r l5b e a r i n gs t e e lb yp l a s m ai m m e r s i o ni o ni m p l a n t a t i o na n dd e p o s i t i o n r p i n & d ) t oi m p r o v er c f l i f eo f t h e b e a r i n g a n a p p r o p r i a t em e t h o d t oi m p r o v er c fl i f eo ft h eb e a r i n g - s t e e lb y a n a l y s i n g a n d c o m p a r i n g t h e p e r f o r m a n c e o fr c fr e s i s t a n c ei s p r o p o s e d t h e w e a r r e s i s t a n c et e s ta n dn a n o i n d e n t a t i o nw e r ep e r f o r m e d f i r s t l y ，n + i m p l a n t a t i o n ， t i ca n dd l cf i l m sw e r e p r e p a r e d o nt h eg c r l5 b e a r i n g s t e e l s u r f a c e ， r e s p e c t i v e l y a n dt h e nt h ep e r f o r m a n c ew a sm e a s u r e d i ti sf o u n dt h a tt i ca n d d l cf i l m sa r eb e t t e rt h a nn + i m p l a n t a t i o nb yc o m p a r i n gt h ep e r f o r m a n c eo fw e a r r e s i s t a n c e ，a n dt h e b e s t p a r a m e t e r s a r et h e i m p l a n t a t i o nv o l t a g e 15 k v , t h e i m p l a n t a t i o nt i m e5h o u r s t h ep l u s ew i d t ho fm a i na r c10 0 0 p sf o rt i cf i l m s t h e m o s tp e r f e c tp a r a m e t e r so fd l cf i l m sa r et h ei m p l a n t a t i o nv o l t a g e3 5 k v , t h e i m p l a n t a t i o n t i m e3h o u r s t h e p l u s e w i d t ho fm a i na r c15 0 0 l _ t s t h en + i m p l a n t a t i o n i sb e t t e rt h a nt h a to ft i ca n dd l cf i l m s b yc o m p a r i n g t h e n a n o h a r d n e s sa n de l a s t i cm o d u l u so ft h et r e a t e ds a m p l e s ，a n dt h eb e s tp a r a m e t e r s a r e3 5 k va n d4h o u r sf o rn + i m p l a n t a t i o n ；1 5 k v 5h o u r sa n d1 0 0 0 p st o s y n t h e s i z et i cf i l m s ，a n d1 5 k v , 3h o u r s a n d2 0 0 0 p st os y n t h e s i z ed l cf i l m s t h ec o n t a c t f a t i g u e t e s t sr e v e a l t h a tt h e a v e r a g e r c fl i f eo fn + i m p l a n t a t i o n ，t i ca n dd l c c o a t e ds a m p l e sa r ei n c r e a s e db y6 2t i m e s ，6 1 t i m e s a n d6 7t i m e s ，r e s p e c t i v e l y s oi tc a nb ec o n c l u d e dt h a tn + i m p l a n t a t i o n ，t i cf i l m a n dd l cf i l mc a ni m p r o v er c f1 i f eo fo c r l5b e a r i n gs t e e l t h em a i nr e a s o no f i m p r o v i n gr c fl i f e o fb e a r i n gs t e e l b yn + i m p l a n t a t i o n i st h a tt h e s u r f a c e h a r d n e s si si m p r o v e d a n dt h em a i nr e a s o no fi m p r o v i n gr c f 1 i f eo f b e a r i n g s t e e l b yt i cf i l m sa n dd l c f i l m si st h a tt h ew e a rr e s i s t a n c ei si m p r o v e d a sar e s u l t ， n + i m p l a n t a t i o n ，t i cf i l m so rd l c f i l m ss y n t h e s i z e do nt h es u r f a c eo fg c r l 5 s t e e l su s i n gp i i i & dm e t h o da r eg o o dw a y st oi m p r o v er c f l i f eo ft h eb e a r i n g s t e e 】 i i 堕查堡三些垒兰三兰堡圭兰堡兰兰 k e y w o r d si o ni m p l a n t a t i o n a n dd e p o s i t i o n ；c o n t a c t f a t i g u e ；w e a rr e s i s t a n c e b e a r i n gs t e e l i 1 1 1 1 课题背景 第1 章绪论 轴承是当代机械设备中一种举足轻重的基础零部件，其应用范围广及各 类机械设备的转动机构或部位，用途广泛涉及汽车、机床、飞机、坦克、仪 器、仪表、自行车等众多领域，并且随着航空航天、核能工业、电子计算 机、光电磁仪器、精密机械等高新技术的飞速发展，轴承工业在国防、高科 技及其他工业领域的地位日益重要，与国计民生息息相关。高质量、高性能 轴承，不仅对世界机械工业的发展举足轻重，而且也对世界其它产业的发展 贡献卓著。可以说，轴承就是工业水平的代表。现代轴承工业，作为一项基 础工业，代表一个国家的工业水平，列为屈指可数的工业之- - 1 1 , 2 1 。 轴承材料包括金属材料和非金属材料，金属材料主要有高碳铬轴承钢、 渗碳轴承钢、不锈钢及高温轴承钢四种【3 】；非金属材料有陶瓷、塑料、石墨 和碳纤维等。从大的类型上，轴承粗略地分为滚动轴承、滑动轴承、空气轴 承和直线轴承。科学技术的发展不断对世界轴承行业提出各种近乎苛刻的新 要求( 诸如精度、速度、性能、寿命、耐热、耐蚀、适应恶劣环境等) 【2 】。近 年来随着新材料、制造工艺、润滑及结构设计等诸方面的研究，在各个领域 中，滚动轴承得到了广泛的应用。随着工业的发展，对滚动轴承的性能、寿 命和可靠性提出了更高的要求。所以，目前在世界范围内正广泛开展着以滚 动轴承为主要研究对象的研究工作，在结构设计、计算理论、试验方法、制 造技术、装配技术、材料科学、润滑研究及应用选型设计等方面取得重要进 展，使滚动轴承的性能、寿命和可靠性已有大幅度的提高f ”。滚动轴承既要 保持高精度，还需在高负荷与高速条件下，具有摩擦小，无早期疲劳破坏， 磨损与烧伤，以及噪音不大等特点，而且能长期耐久使用。既要求材料有高 硬度、高耐磨强度和疲劳强度大的特点。与滚动轴承寿命有关的因素实际上 是相当多的，而且相互间的影响是复杂的。虽然进行了很多的研究，可是尚 未得出正确的结论，缺乏统一的解释，不明之处还不少，又因为轴承疲劳寿 命试验具有长期性和非重复性，从而增加了研究它的困难。 根据统计，轴承零件的破坏大部分为疲劳破坏。特别是近三十年来，随 着机械向高温、高速和大型方向发展，机械的应力越来越高，使用条件越来 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 越恶劣，疲劳破坏越来越严重。因此，许多发达国家非常重视提高轴承疲劳 强度的研究工作。疲劳强度不仅在航天、航空、造船和原子能等尖端工业部 门有着十分重要的意义，也是影响一般机械产品使用可靠性和使用寿命的一 个重要问题。由于轴承疲劳破坏和轴承材料、轴承设计与制造工艺、及轴承 表面强化处理等多种因素有关，涉及到的研究范围很广，研究工作的难度较 大：而且轴承疲劳破坏的实验研究周期非常长，所需要的研究经费多，因而 我国对轴承疲劳破坏的研究比较分散，规模很小，与国外存在较大差距。与 国外同类轴承相比，使用寿命往往比发达国家低，而且对有效地提高轴承疲 劳寿命的技术措施研究得比较少【5 】。滚动轴承的运行故障件数虽少，但危害 很大，其中的疲劳故障是轴承失效的典型现象，主要与承力、运行时间( 或 循环次数) 和材质有关。轴承疲劳故障就特征而言，可以分为两类：在金属 内部产生的疲劳根源和在金属表面发生的局部疲劳根源。由金属内部产生疲 劳根源而产生的故障件数比例并不高，件数比例高的主要是源于滚动面的表 面疲劳破坏，它是微滑行现象产生的 6 1 。 前期研究表明轴承疲劳主要发生在表面层或近表面层【7 1 。疲劳裂纹通常 萌生于试样表面，这是因为外表面的应力水平往往最高，外表面的缺陷往往 也最多。另外，表面层材料的约束小，滑移带最易开动。因此，零部件的表 面状态对其疲劳强度有着显著影响。由于零部件表面层对零部件的疲劳强度 有着重要的影响，人们通过各种表面处理工艺来提高表面层的疲劳强度。如 表面热处理、离子注入、激光束表面改性、电子束表面改性、物理气相沉 积、化学气相沉积和表面喷丸强化等等【引。其中离子注入技术对精密轴承的 表面强化提供了有效的手段。这是因为离子注入是一个低温过程，不需对零 件再进行热处理，改性后的工件表面亦无形变、无氧化、无脱碳现象，能保 持原有精度和表面光洁度；同时离子注入技术不存在明显的膜基界面，所以 不会存在膜层剥落问题。表1 1 列出了一些表面处理技术的应用实例【9 1 。 但传统的离子注入技术存在所固有的“视线限制”，对于非平面样品，处 理费用很高，其工业应用至今仍受到限制。对于轴承来说，其主要的工作表 面包括滚动体表面，轴承内、外圈滚道表面。由于其复杂的形状限制，滚道 表面很难实现离子束的均匀垂直注入，而且注入效率也十分低，这样就限制 了离子注入技术在轴承表面改性方面的应用 1 0 - 1 2 1 。等离子浸没离子注入 ( p i i i ) 技术是近1 0 年来发展的新技术【1 3 ，l 引。它消除了束线离子注入的“视 线限制”，特别适合于处理形状复杂、尺寸较大、较重的靶，并可对靶进行批 量处理。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表】1 表面处理技术应用实例【9 】 处理方法膜层材料基体膜层厚度膜层硬度接触应力疲劳寿命 ( m )r g p a ) ( 1 0 6 ) 热喷涂 h v o fw c 轴承钢5 0 ，15 0 ， 1 2 9 6 2 7 ，3 10 卜+ 7 0 1 2 c o2 5 0 r h v h r c ) 0 2 5 ，0 5 ， 反应溅射 t j nm 5 0 0 7 5 ，1 2 ， 3 0 g p a5 52 5 3 5 物理气反应溅射t j nm 5 0 2 5 ，5 n a5 5 1 0 ，3 3 相沉积 1 1 3 1 4 7 离子束 d l cm 5 0 o 5 一o 1 g p a ( 载荷 5 5 1 0 一3 0 0 2 5 m g ) 离子束 d l cm 一5 0o 3 3 n ，a4 8 5 0 9 0 化学气相沉积 c r c t i cm 5 0 56 4 h r c 2 7 6 1 0 一1 5 4 8 3 1 2p i i i 技术及其在轴承钢表面改性方面的研究状况 1 2 1p i i i 技术的研究状况 传统的离子注入技术具有处理温度低，工件变形小，基体不易在处理过 程中产生回火软化等优点。但传统的离子注入致命的缺点是注入过程是一个 视线过程，只有暴露在离子枪口下的工件表面才能被离子注入，对于工件中需 要表面改性的内表面、沟槽表面等，离子束则难以达到：并且一次只能注入一 个工件，注入效率低，设备复杂昂贵。这些缺点大大限制了离予注入的应用范 围。 1 9 8 7 年，美 w i s c o n s i n 大学c o n r a d 等人【l 6 】研制出了一项新型的等离子体 浸没式离子注入技术( 以下筒记为p i i i 技术) ，它完全不同于i b i i ，从根本上 克服了传统的离子注入的上述缺点，它消除了i b i i 所固有的视线限制，克服 了保持计量问题，使注入装置变得简单和廉价。p s i i 特别适用于i b i i 无法处 理的复杂形状的靶、大靶或重靶，并可批量处理f 】7 】。p i i i 处理的原理是将单 个或一定批量的被注工件置于真空室内，当真空度达1 1 0 p a 左右时，将气 态注入元素通入真空室内，经热阴极灯丝放电( 或射频放电) 将其电离成等离 子体，使所有工件完全“浸没”在等离子体中，这时以工件作为阴极被施加上 负偏压脉冲，以真空室壁作为阳极( 零电位) ，在脉动的强电场作用下，质量轻 的电子将迅速地冲向真空室壁，在工件周围将形成一层较厚的被注正离子鞘 层，被注正离子在鞘层与工件之间的强电场作用下获得巨大能量，高速全方位 地垂直射入到工件表层内，这样凡是暴露在等离子体中的工件表面均能同时 地被离子注入 1 8 】。如果增加等离子体空间容量，就能同时注入更多的工件， 大大提高加工频率，实现大规模的批量注入。 从p i i i 工艺来看，经过十几年的发展，已由起初的单纯气体离子注入扩 展到现在的p i i l 离子束混合、p i i i i b e d ( 离子束增强沉积) 、高温注入、类金 刚石膜沉积、金属离子注入与沉积、复合离子注入等多种形式，使改性层的 厚度增加或制备出表面特性十分优良且膜墓结合力很强的复合涂层。将p i i i 和离子束增强沉积技术结合在一起可以在复杂形状的表面上获得均匀、高质 量的膜层，这一技术己开始广泛地应用于刀具、钻头、模具、冲头、人工膝 关节的改性上，获得了良好的抗磨损性能。另外，通过提高p i i i 的处理温度 来增加被注入离子在基体中的扩散，也可以增加注入层的厚度，例如对f e n i 合金，在5 5 0 ，5 3 k v ，注入剂量为3 1 0 ”i o n s c m 2 扩条件下的离子注入处 理，其注入层厚度可以达到1 5 - 2 0 9 m t ”l 。 等离子体浸没离子注) k ( p i i i ) 技术源于其对工业试样表面改性的非视线 性，与传统的柬线离子注入相比它有许多优点 2 0 , 2 1 】。第一代多功能等离子体 浸没离子注入( m o d e l 1 p i i i ) 装置于1 9 9 5 年在哈尔滨工业大学表面改性实验 室研制成功，它们分别在哈尔滨工业大学和香港城市大学成功地用于现代材 料表面改性研究与技术开发工作。p i i i 又被称为全方位离子注入，它是一种 新颖的材料表面改性技术，它消除了常规离子束离子注入( i b i i ) 固有的直 射性限制，适合于处理复杂形状的零件。经p i i i 处理后，钻头、轴承等多种 金属零件的表面抗磨损、抗腐蚀、抗疲劳性能都有很大的改善。近十年 来，p i i i 技术受到国内外学者的广泛重视。最初的p i i i 主要是氮等离子体注 入。由于它缺少合金元素、抗磨元素及添加元素，因此，零件表面抗磨耐蚀性 能和表面强化的效果有限，改性层也较浅，注入剂量不均匀性依然存在。为此 实验室在对m o d e l 1 p i i i 装置进行重大改进的蒸础上，研制了第三代p i i i 装 置。新装置已在西南交通大学被成功地用于医药生物材料的处理和金属及其 合金的表面强化处理研究 2 2 1 。第三代多功能等离子体浸没离子注入装置的 强流脉冲阴极弧金属等离子体源既具有强的镀膜功能，同时也具有强的金属 离子注入功能；它的脉冲高压电源能输出大的电流：并可获得高的注入剂量均 匀性。该装置既能执行离子注入，又能把离子注入与溅射沉积、镀膜结合在 一起，形成多种综合性表面改性工艺。 1 2 2p i i i 技术在轴承钢表面改性方面的研究状况 经p i i i 技术处理后，轴承钢表面的表面硬度、耐磨性及耐腐蚀性都有相 应的提高，又由于p i i i 技术对轴承表面的精度影响很小。因此，p i i i 技术很 适合被应用于航空等要求精密的工业中。 9 c r l 8 - 5 氏体不锈钢是常用的轴承材料，由于其良好的耐蚀性而被广泛应 用于航空、航天、核工业和其它特种工业。曾照明等人【2 3 j 采用新改进的阴 极弧金属等离子体源，对9 c r l 8 n 承钢进行了金属等离子体浸没离子注入( p i i i ) 处理。首先将t i ，m o 和w 离子分别注入至1 9 c r l 8 钢的表面，然后再对其进行n 等离子体漫没离子注入，从而在9 c r l 8 钢表面形成了一层超硬耐磨的改性层。 对p i i i 处理后的试样进行了显微硬度和磨损特性测试，结果表明，经p i i i 处理 后的试样表面的显微硬度和耐磨性显著提高，而其中经t i 和m o 注入再进行n 离子注入的试样效果更为明显。与仅进行n 离子注入的试样相比。金属j j i ：i n 离 子注入的试样表面耐磨性提高幅度更大，表明金属p i i i 在改善9 c r l8 钢表面性 能方面具有广阔的应用前景。x p s 分析结果表明，p i i i 处理后试样表面形成了 超硬的氮化物相，它们在改善材料表面特性中起到了重要的作用。 王钧石等人【2 4 l 用等离子体源离子注入技术对g c r l 5 钢进行了氮离子注 入。对注入层的成分进行了俄歇剖面分析，对注入层的显微硬度和摩擦性能 进行了测试，对摩擦磨损表面进行了扫描电镜分析。研究结果表明：g c r l 5 钢经p s i i 氮离子注入后，表层氮浓度沿深度的分布具有离子注入所特有的高 斯分布特征，注入层的硬度和耐磨性均获得了明显的提高。 y a f e n gl i a n 等人【2 副在g c r l 5 轴承钢上注入三种不同剂量的铈离子，并用 s r v 磨损机在干摩擦条件下对未注入试样和注入试样进行了摩擦磨损测试。 同时在液态石蜡润滑下也测试了试样的耐磨性。测试结果表明随着铈离子注 入剂量的增加，其耐磨性有明显的提高。在干摩擦条件下注入试样的摩擦系 数在0 1 - 4 2 之间，并且随着注入剂量的增加其摩擦系数变小。x 射线电子显 微镜分析结果显示在注入试样的摩擦面上铈元素以c e 4 + 价态存在。 轴承作为一种极为广泛的零件，国内外许多学者用p i i i 技术对轴承的 表面强化与延寿处理工艺做过大量的研究，但研究对象大多是轴承的滚珠， 对轴承内外套圈滚道的注入均匀性缺乏研究。实际上经离子注入处理的套圈 滚道的注入剂量均匀性极差，一般只在3 0 左右，严重的注入剂量不均匀 性将使滚道各处磨损不一致，导致滚道加速磨损失效。因此对轴承内外套圈 滚道的注入不均匀性研究极为重要。轴承内外圈的滚道表面均存在注入不均 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 匀性，在滚道中心附近注入剂量较大，边缘附近注入剂量较小，而且外圈滚 道比内圈滚道的注入不均匀更严重。短的注入脉冲宽度和高的等离子体密度 有利于鞘层与工件表面之间的共形性，从而获得更好的注入剂量均匀性。注 入电压较低，鞘层厚度较薄，有利于鞘层与工件表面问的共形性，从而获得 更好的注入剂量均匀性。但低的注入电压使注入深度较小，不利于表面改 性的效果。不同尺寸的轴承内圈，滚道内获得的注入剂量大小和均匀性相差 不大；对于不同尺寸的轴承外圈，尺寸越小，滚道的注入剂量不均匀性越 大。实验结果表明：当脉宽由1 0 1 t s 减为5 9 s 时，等离子体密度由2 2 1 0 9 c m 。3 提高到3 5 1 0 9 c m 一，轴承内圈滚道表面的注入剂量不均匀性将从 6 0 下降到3 2 ，而轴承外圈滚道表面的注入剂量不均匀性由5 l 下降到 3 3 2 6 1 。 1 3 氮离子注入及t i c 和d l c 膜的研究状况 l - 3 1 氨离子注入的研究及应用状况 p i i i 技术与其他技术相比有许多优点，特别是在低温下对钢进行氮离子 注入是非常有意义的1 2 ”。氮离子注入不但可以提高材料表匿的硬度，同时 还可以减少表面的粗糙度。氮离子注入同时可以提高材料表面的残余压应 力，在表面上产生的这些残余压应力可以有效的提高疲劳寿命1 2 8 1 。 c o n r a d 及其助手应用热灯丝产生直流辉光放电在4 0 k v 电压下对5 1 6 0 钢进行氮离子注入，努普显微硬度测试结果显示在注入剂量为3 1 0 1 7 c m 也 时其硬度值提高了2 5 。对n i f e 合金进行氮离子注入后的磨损显示其磨损 量有了明显的减小，其原因可能是产生了t i n 和a i n 相。大量结果表明经 p i i i 处理过的金属及合金其磨损寿命都有不同程度的提高。之后，t e n d y s 等 人采用频率为1 3 5 m h z 的射频源对中低碳钢进行氮等离子注入，在射频功 率为2 0 0 w ，气压为1 m t o r r 时的氮等离子体密度为3 1 0 9 c m 一。若采用旋 转磁场其产生的离子密度可高达3 1 0 ”e m 一。在注入脉冲电压为2 0 k v 时， 硬度测试表明在近表面区硬度最多提高了5 0 ，同时针盘磨损测试也显示 其磨痕宽度明显变小。这些结果在c o l l i n s 等人处理a i s l 3 0 4 不锈钢时也有 相同的趋势。 除了铁合金外，p i i i 技术还特别适用于非铁基材料，如铝、钛及其铝合 金和钛合金。由于铝很软，且对温度较敏感，因此可以通过在其表面形成硬 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的表面层来提高其应用范围。g u n z e l 等人用氮气和氧气在3 5 k v 电压下对铝 进行p i i i 处理，注入剂量在1 1 0 1 7 c m 。至4 1 0 c m 2 之间。显微硬度测试 显示其表面硬度提高了2 0 。w a l t e r 等人【29 】对经氮等离子体浸没离子注入 ( p i i i ) 处理后的铝及铝合金进行了磨损和腐蚀测试，合金是在低温、注入 电压为5 0 k v 下进行处理的，分析结果表明在合金表面形成了一层0 1 5 9 m 厚的a i n 多晶体，a 1 n 晶粒平均宜径为3 0 p m 。努普显微硬度测试结果显示 在0 1 5 9 m 深度处其硬度提高了2 5 倍。在浓度为3 5 w t 的n a c i 溶液中对 合金进行电化学极化测试，结果表明未处理试样的腐蚀电位为一1 0 4 3 v s c e ， 而经p i i i 处理后的阳极电位在一0 3 v 至一0 2 v 之间。 由于p i i i 技术的处理温度比较低，所以他可以有效的提高钢表面的性 能。在不提高处理时间和处理温度的条件下，有许多参数可以优化以使氨离 子注入的效果最好。其中最主要的实验参数是等离子体密度和气压，通过提 高他们可以增强离子注入效果。同样在优化实验参数时被处理材料的类型也 是非常重要的一个因素。如果材料是奥氏体不锈钢，则氮将以固溶的形式存 在，那么可以通过提高离子流密度和平均注入剂量的方法实现参数优化；如 果材料是低碳钢，则氮将在材料表面成核形成氮化物，这时要提高材料表面 的氮浓度就要通过提高高压脉冲频率来实现【3 。 i 3 2t i c 膜的研究及应用状况 t i c 为间隙相，亮灰色，属于n a c i 形式的晶体结构。由于t i c 薄膜有许 多的重要性质，如高熔点、高硬度、好的耐磨损性及低的摩擦系数等，所以 难溶碳化物t i c 是一种非常有意义的科技材料，t i c 薄膜被广泛的应用。由 于t i c 可以很好的满足高温稳定性的要求，使得其在结构材料和功能材料中 都得到了广泛的应用，但是在氧气氛中它很容易氧化，这同时也限制了它的 应用范围1 3 l 】。 通过等离子体基离子注入( p b i i ) 方法制得的t i c 。薄膜的含碳量范围很 广p “。当薄膜中含碳量比较低时，t i c 是柱状晶且沿着生长方向排列。当薄 膜中含碳量比较多时，t i c 以等轴晶粒为主。除了间隙原予外，其余多出的 碳原子在t i c x 薄膜中以无定形含氢碳、类聚合体碳的形式和有机化合物钛 存在。p k a e s t n e r 等人p 3 j 应用赢流脉冲辉光放电产生等离子体在t i a l 6 v 4 上 进行碳等离子体扩散处理，然后用x r d 方法分析出在合金表面上形成了y i c 膜层，通过测试表明等离子体渗碳预处理可以提高t i c 膜层的结合力，与基 些堡型鳖塑塑些型篁坠一 体相比其承受载荷能力提高了8 0 ，且随着膜层的变厚，合金的承载能力越 大，最大承载能力可达3 3 n 。 p h u b e r 等人【3 4 】应用等离子体浸没离子注入与沉积( p i i i d ) 技术合成了 t i n t i c 和t i c n 薄膜。之后b a o y i nt a n g - 等a ”j 应用p i i i d 技术在9 c r l 8 轴承 钢上合成了t i c 薄膜，对其显微硬度测试的结果显示经p i i i d 处理后表面硬度 都有提高，其中硬度值最大达到了1 0 2 5 k g f m m 2 ，比基体提高了7 0 8 ；磨 损测试也显示摩擦系数由基体的0 8 7 减少n o 1 ：阳极极化测试表明处理后 的试样其耐腐蚀性得到了显著的提高。 m p a n c i e l e j k o 等人 3 6 】通过阴极弧等离子体沉积( c a p d ) 方法在高速钢 上合成了t i c 膜，并对乙炔流量与t i c 膜性能的关系进行了分析。结果表明 随着乙炔气流量的增加，试样的摩擦系数变小，最小值达到了o 2 ；显微硬 度测试显示，在气体流量为7 0 s c c m 时膜层硬度值最大，为4 3 g p a 。 此外，t i c 薄膜还是很好的过度层1 3 ”，在w c c o 切削钢上先用 m e p i i i d 技术形成一层o 2 9 i n 厚的t i c 膜层，之后在其上可以很好的合成 d l c 膜，这主要是因为t i c 膜层有较好的膜基结合力，使d l c 膜可以牢固 的在表面上生长。在不锈钢表面上形成陶瓷膜可以有效的减少氢的渗入，而 在陶瓷材料中t i c 膜层有特别好的应用，这主要是因为它有不一般的物理 性能，如较高的硬度、热稳定性、相对高的导热率和导电率。同时t i c 膜 层与不锈钢的结合强度对界面的质量影响很大，离子注入这种方法可以有效 的提高t i c 膜层与不锈钢之间的结合强度，通过离子注入可以在界面处形 成一种新的化学键。 1 3 3d l c 膜的研究及应用状况 类金刚石碳( d i a m o n d 1 i k ec a r b o n ，d l c ) 膜是一种短程有序而长程无序 的、具有非晶态和微晶结构的含氢碳膜，同时含有少量的金刚石微晶，是人 工合成的含有s p 3 和s p 2 碳混杂的非晶亚稳态结构。由于它具有类似金刚石膜 的高硬度、化学稳定性、高热传导率、高电阻率、高耐磨和抗腐蚀性、优异 的生物兼容性，以及其特有的、比金刚石膜更好的极低真空摩擦系数等特 性，使得它在光学、热学、声学、生物医学、机械、电子、计算机硬盘和红 外窗口等领域具有广阔的应用前景 1 。 k u s t a s 等人1 3 引应用双离子束沉积技术在4 4 0 c 轴承钢试样上成功的沉 积了d l c 膜，其摩擦系数只有0 0 4 ，且随着载荷的变大，抗摩擦能力也相 堕丝堡三些查兰三兰堡圭耋堡丝苎 应的提高。此外，曾照明等人【3 9 】应用等离子体浸没离子注入技术在9 c r l 8 轴承钢上先注入钨和钛离子，然后再用c 2 h 2 气合成d l c 膜。其中钨和钛离 子注入的时间分别为o 5 h 、l h 和2 h ，注入电压为2 5 k v ，频率为3 3 h z ，注 入脉宽为3 5 0 9 s ，主弧脉宽为2 3 0 p s ；合成d l c 膜的时间为2 h ，注入电压 为3 0 k v ，频率为1 0 0 h z 。在l o g 载荷下测得的膜层显微硬度比基体提高了 0 6 倍左右，在5 0 9 载荷下测得的摩擦系数保持在0 2 左右( 在3 0 0 0 转 内) ，而基体的摩擦系数很快升到0 9 左右。 r w e i 等人1 4 w 在m 5 0 钢上沉积了5 0 0 n m 厚的d l c 膜，并在室温下对 其进行了滚动接触疲劳测试，结果表明与未形成膜层的试样相比，有d l c 膜的试样其疲劳寿命得到了显著的提高。此外，l e w i sr o s a d 等人【4 1 1 通过离 子束增强沉积方法在m 5 0 钢测试棒上沉积一层d l c 膜，然后通过如图1 1 图1 - 1 滚动接触疲劳测试坑的示意图1 4 所示的滚动接触疲劳( r c f ) 测试机对棒状试样进行了疲劳测试。在图1 1 中，钢球由铜制保持架分开成1 2 0 0 ，同时三个钢球( 直径为1 2 7 m m ) 将转 动的测试棒( 直径为9 5 2 5 m m ，长1 5 2 4 m m ) 夹住。通过经较准的预压弹簧加 载两个锥型杯来加载。接触赫兹应力为4 8 g p a 。测试棒经打磨和热处理后 其硬度为6 2 r c ，平均表面粗糙度为轴向0 1 l g m ，径向0 1 0 i t m 。钢球为 m 5 0 钢，表面粗糙度为0 1 3 9 m 。每次测试之后都换新球，每测试十次之后 换锥型杯。测试样品( 球和棒) 用m i l l l 7 8 0 8 j 润滑油润滑，滴油率为10 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 滴每分钟，测试棒转速为3 6 0 0 r r a i n 。 在m 5 0 钢测试棒上沉积d l c 膜时的温度为6 6 。c ，膜厚为3 3 n m 。在 9 0 可信度下，未注入试样的l 1 0 寿命为1 6 6 x 1 0 6 圈，d l c 膜试样的l l o 寿 命为3 6 7 x 1 0 6 圈；未注入试样的l 5 0 寿命为8 9 9 1 0 6 圈，d l c 膜试样的 l 5 0 寿命为9 l - 3 x 1 0 6 圈；平均寿命分别为1 1 9 9 1 0 6 圈和9 6 5 1 0 6 圈；韦 布尔斜率分别为1 1 l 和2 0 7 。 在图1 2 中可以看出在室温下( 2 3 ) 未注入试样和有d l c 膜试样的 疲劳寿命并没有太大差别。 图1 - 2 在室温下未注入试样和d l c 膜试样的韦布尔分布图 由以上分析可知，d l c 膜可以有效的延长疲劳裂纹源的出现时间，从 而相应的提高疲劳寿命。表面强化处理( 如渗碳和离子注入技术) 可以使试 样表面和亚表面产生残余压应力，这些残余应力可以延迟裂纹源的产生和裂 纹扩展后的疲劳失效。以上实验结果表明疲劳数据和磨损数据是一致的，即 d l c 膜可以有效的提高滚动体的抗疲劳寿命和抗磨损寿命。d l c 膜可以有 效的减少疲劳坑出现前的磨损程度，进而延长了滚动体的整体疲劳寿命。实 践表明，由于最终机加工、腐蚀、热处理及打磨等工序造成的表面缺陷被认 为是引起r c f 的主要原因，并且这些缺陷是很难控制的。 s s t e w a r t 等人p 1 通过离子束方法沉积得到的d l c 膜也有同样相似的结 果，对r c f 来说膜的最大厚度在o 7 5 9 m 左右。d l c 膜可以有效的提高 龠墨*e客世 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 r c f 寿命，其原因在于在接触应力作用下从膜层剥落下来的碎片被混入润 滑剂，然后在接触处将表面抛光( 三体磨损) 。这种抛光作用可以减轻承载 压力和延缓表面裂纹的产生，再加之d l c 膜的低摩擦系数，所以可以延长 r c f 寿命。这也可以解释为什么当d l c 膜层被磨掉后疲劳寿命还有相应的 提高。此外，通过p v d 方法形成的膜层，其膜层内的残余应力通常是残余 压应力，当膜层的厚度在一定范围内这些残余压应力对提高r c f 寿命起到 了主要作用。当膜层的厚度小于1 u m 时，残余压应力可以阻止裂纹的成核 与扩展，但是当厚度大于1 9 m 时，就没有这种现象了。这主要是由加载产 生的应力和残余应力共同使膜层剥落及测试系统里磨损掉的颗粒加速磨损造 成的。 1 4 表面改性技术在提高轴承钢接触疲劳方面的研究 凡是零件在接触应力反复作用下而引起的表面疲劳破坏，称为接触疲 劳。工程上有许多零件出现接触疲劳表面损伤失效，例如齿轮，凸轮，摩擦 板，滚动轴承，火车轮与钢轨等等。以及一些在冲击接触应力下工作的零 件，如锻模、铆钉窝和风动工具的失效也包含有接触疲劳问题。接触疲劳的 类型分为三种1 4 2 ：第一种是裂纹源于次表层的麻点剥落。和其它疲劳一 样，接触疲劳也有一个裂纹产生和发展过程。裂纹萌生一般都是由于在切应 力作用下因塑性交形而引起。源于表层处的裂纹在最大剪切应力反复作用下 沿与滚动表面平行的方向扩展段后，可能产生垂直于表面或倾斜于表面的 分枝裂纹，当分技裂纹发展到表面时即发生麻点剥落，留下一个比较平直的 麻坑。这就是裂纹源于次表层的麻点剥落，如图1 3 所示。这种类型的疲劳 失效多发生在纯滚动，或摩擦力很小、接近于纯滚动的情况下。例如，滚动 轴承中滚动体与滚道之间基本上属于纯滚动，故在滚动轴承设计中采用麻点 剥落起源于次表层的观点；第二种是裂纹源于表层的麻点剥落。当一个零件 在弹性体平面上滚动带有滑动，并在表面有沿滚动方向的摩擦力作用时，最 大切应力的位置将发生改变。随着滑动比增加，摩擦系数增大，最大切应力 的位置会向表面移动。对整体硬化材料而言，当摩擦系数增大到0 1 以上， 最大切应力位置已移到表面，这时疲劳裂纹就从表面产生。裂纹沿与表面呈 小于4 5 。的夹角方向扩展。其倾角大小视摩擦大小而定。当裂纹发展到一 定深度，裂纹上部金属形同一悬臂梁，即在随后的加载中折断，造成剥落， 留下一个麻坑。这就是裂纹源于表面的麻点剥落。在齿轮设计中目前大多采 用麻点剥落起源于表层的观点；第三种是裂纹源于硬化层与心部交界处的表 层剥落。表层剥落仅发生在经过表面处理或表面化学热处理过的工件上。与 次表层麻点剥落不同，表层剥落的疲劳裂纹不是源于最大切应力处，而是源 干硬化层与心部交界处( 如图1 4 ) ，由于该处切应力与材料的抗切强度之比 超过某一数值面引起。 图1 3 表面麻点和次表面裂纹形成示意图f 4 2 对滚动滑动接触的元件( 如轴承、齿轮和凸轮轴等) 来说，滚动接触疲 劳是其失效的一个主要原因。对于延长疲劳寿命，提高轴承可靠性和轴承材 料的承载能力以及在各种恶劣环境中的工作能力的要求不断提高。虽然已经 有一些关于应用膜层技术来提高滚动接触疲劳的研究，但综合分析膜层各种 性能与滚动接触疲劳性能的关系还是很困难的【9 1 。通过比较陶瓷膜层材料和 金属膜层材料可以看出，金属膜层有更高的抗滚动接触疲劳的能力，这主要 是因为金属膜层有较大的残余应力存在。对通过用p v d 方法合成的膜层进 行疲劳试验表明：当接触应力较低时，膜层的预处理状况及表面粗糙度对疲 劳寿命的影响很大；但当接触应力较高时，它们对疲劳寿命的影响就比较小 了。当膜层硬度较低时，随着接触应力变小疲劳坑的数量变多：但当膜层硬 度变大时，随着接触应力变小疲劳坑的数量会变少。同时a p o l o n s k y 4 3 , 4 4 1 等人也通过p v d 技术在m 5 0 轴承钢棒上形成了t i n 膜，然后用球一棒测试 方法对其进行了疲劳测试。结果表明随着膜层厚度的不断增加，从韦布尔图 可以看出l 5 0 寿命不断得到提高，这种规律一直到膜层为1 9 m 为止，之后 随着膜层增加，疲劳寿命开始下降。要提高膜层的滚动接触疲劳寿命，膜层 必须有一定的厚度，有好的膜基结合力，且能够在承受大量的循环接触应力 之后不发生粘着失效。 堕堡鎏三些查兰三耋堡：兰堡鎏兰 图i - 4 表层剥落f 4 2 j i 5 课题来源和主要研究内容 该课题采用p i i i & d 结合射频辉光放电技术在g c r l 5 轴承钢基体表面注入 氮离子及合成了t i c 薄膜和d l c 薄膜。分析比较了合成薄膜在不同离子注入 条件下的抗滚动接触疲劳性能及相关的抗磨损性能、表丽纳米硬度和表面弹 性模量，通过实验探索出提高轴承钢在服役条件下抗滚动接触疲劳性能的有 效途径。具体内容包括以下几方面： 1 探索用p i i i & d 结合射频辉光放电技术在g c r l 5 轴承钢基体表面氮离 子注入及合成t i c 薄膜和d l c 薄膜的实验工艺，并测定基体表面合成薄膜后 的相关机械性能； 2 测试并分析用p i i i & d 结合射频辉光放电技术在不同工艺条件下台成 薄膜前后基体表面的滚动