一种高铁轴承用ti-v-w-n薄膜的制备方法
技术领域
1.本发明属于表面改性技术领域，涉及一种高铁轴承用ti-v-w-n薄膜的制备方法。
背景技术：
2.tin薄膜是目前应用最广泛的薄膜材料之一，具有优异的耐磨性能，由于薄膜表面光滑以及薄膜接触氧气会产生钛的氧化物，还会赋予良好的润滑性能。若将该薄膜应用于高速列车的轴承表面，会极大地改善轴承的耐磨性和提升其使用寿命。离子注入技术作为气相沉积技术中的一种，可以制备tin薄膜，其利用惰性气体（通常是氩气）辉光或弧光放电使气体或被蒸发物质在真空环境下离子化，在电场和磁场的作用下，离子和蒸发物质或其反应物轰击工件表面，沉积形成薄膜。该技术所制备的薄膜应用于航空轴承上，提高航空发动机轴承的可靠性和使用寿命。
3.中国发明专利cn201510329730.0公开了一种钛离子注入沉积对生物降解镁和镁合金进行表面改性的方法，包括如下步骤：第一步：基体预处理；第二步：离子注入制备混合氧化物过渡层；第三步：离子束增强沉积技术制备表层钛薄膜；通过离子注入方法在镁和镁合金表面形成了混合氧化物过渡层，该过渡层由钛氧化物和氧化镁构成，厚度在3~6μm；然后利用离子束增强沉积技术在该过渡层上制备了2~4μm钛薄膜；保证了钛沉积膜层与基体间较高的结合强度，钛沉积膜与过渡层共同提高了镁和镁合金的耐腐蚀性能。
4.然而通常tin薄膜作为硬质膜通常会产生明显的微裂纹，微裂纹的存在会导致薄膜在使用中发生剥离，此外，轴承在使用时薄膜发生磨损，在磨损过程中将发生微裂纹的扩展，从而加剧薄膜材料的磨损，影响薄膜的耐磨性和轴承的使用寿命。
技术实现要素：
5.本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种高铁轴承用ti-v-w-n薄膜的制备方法，采用离子注入技术在高铁用轴承表面上制备ti-v-w-n薄膜，有效地改善了薄膜的力学及高温耐磨性能，提高薄膜与轴承的结合强度，改善高铁轴承的可靠性和使用寿命，且本方法可以在真空条件下进行操作，易于实现。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高铁轴承用ti-v-w-n薄膜的制备方法，具体制备过程如下：（1）轴承表面预处理：利用砂纸打磨轴承表面后，将轴承浸于无水乙醇溶液中进行超声波处理，处理时间为10~20min，再将轴承于100℃下烘干10~30min，准备离子注入处理；（2）离子注入沉积ti-v-w-n薄膜：将装有ti-v-w合金靶材的铜坩埚与轴承放置于离子镀膜设备中，随即开启机械泵，待真空度降至5pa以下，开启分子泵，并将真空度抽至5
×
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pa，利用设备内的加热装置预热轴承，温度为800~900℃，随后通入2pa氩气并在800v的偏压下清洗轴承表面，清洗完毕后通入n2，气压控制在0.5~1pa之间，调节氮氩比为2:1~9:1和偏压为100~200v，随即打开靶电源，调节电流至70~90a，开始沉积薄膜，沉积时间为15~30min，即完成薄膜制备。
7.作为优选，步骤（2）中所述ti-v-w合金靶材各元素间的摩尔比百分比为ti：v：w：=1：1：1。
8.作为优选，步骤（2）中所制备ti-v-w-n薄膜的厚度为1~5μm。
9.作为优选，所述薄膜材料的显微硬度为2500~3000hk，膜基结合力为80~100n，摩擦系数为0.3~0.6。
10.作为优选，所使用的的轴承材料为8cr4mo4v轴承钢、9cr18轴承钢、g20crni2moa轴承钢、gcr15轴承钢、m50nil轴承钢、aisi52100轴承钢中的任意一种。
11.本发明的有益效果在于：（1）本发明采用离子注入技术在高铁用轴承表面上制备ti-v-w-n薄膜，有效地改善了薄膜的力学及高温耐磨性能，提高薄膜与轴承的结合强度，提高高铁轴承的使用寿命，且本方法可以在真空条件下进行操作，易于实现；（2）本发明引入w、v元素，两者结合形成固溶体新相wxvy（x、y为正整数或小数），一般固溶体都是纳米相并拥有较高的硬度，作为硬质相在磨损过程中起到抵抗外加应力的作用，从而减小薄膜材料的磨损量，进而改善薄膜的高温耐磨性；（3）由于硬质膜中微裂纹的形成与拉应力有密切关系，拉应力的产生与薄膜与轴承基材间的温度梯度相关，具体的，拉应力的大小与该温度梯度正相关，而本发明通过在离子注入沉积之前预先对轴承进行预热处理，目的是减小薄膜与轴承基材间的温度梯度，从而有效减小离子注入沉积过程中产生的拉应力，消除微裂纹；此外，结合离子注入沉积形成的ti-v-w-n薄膜中具有固溶体新相wxvy，由于该纳米相尺寸细小，因此微裂纹很难在硬质相上形成，从而防止薄膜发生剥落。
12.本发明通过对薄膜的元素成分进行组合选用并配合薄膜制备工艺的改进，实现同时有效提高薄膜的结合强度和耐磨性能，且工艺方法易于实施，尤其适用于轴承表面改性技术领域。
附图说明
13.图1为实施例2中制备的ti-n-v-w薄膜sem图；图2为对比例1中制备的ti-n薄膜sem图。
具体实施方式
14.下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
15.实施例1一种高铁轴承用ti-v-w-n薄膜的制备方法，具体制备过程如下：（1）轴承表面预处理：利用240#砂纸打磨轴承表面，随后将轴承浸没装有无水乙醇溶液的塑料槽中进行超声波处理，处理时间为10min，最后轴承在干燥箱中于100℃下烘干10min，准备离子注入处理；（2）离子注入沉积ti-v-w-n薄膜：将装有ti-v-w合金靶材的铜坩埚与轴承放置于离子镀膜设备中，随即开启机械泵，待真空度降至5pa以下，开启分子泵，并将真空度抽至5
×
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pa，利用设备内的加热装置预热轴承，温度为800℃，随后通入2pa氩气并在800v的偏压下清洗轴承表面，清洗完毕后通入n2，气压控制在0.5pa之间，调节氮氩比为2:1和偏压为
100v，随即打开靶电源，调节电流至70a，开始沉积薄膜，沉积时间为15min，即完成薄膜制备。
16.制备过程中所使用的的轴承材料为8cr4mo4v轴承钢。
17.步骤（2）中所述ti-v-w合金靶材各元素间的摩尔比百分比为ti：v：w：=1：1：1。
18.步骤（2）中所制备ti-v-w-n薄膜的厚度为1μm。
19.所述薄膜材料的显微硬度为2500hk，膜基结合力为80n，摩擦系数为0.6。
20.实施例2一种高铁轴承用ti-v-w-n薄膜的制备方法，具体制备过程如下：（1）轴承表面预处理：利用240#砂纸打磨轴承表面，随后将轴承浸没装有无水乙醇溶液的塑料槽中进行超声波处理，处理时间为15min，最后轴承在干燥箱中于100℃下烘干15min，准备离子注入处理；（2）离子注入沉积ti-v-w-n薄膜：将装有ti-v-w合金靶材的铜坩埚与轴承放置于离子镀膜设备中，随即开启机械泵，待真空度降至5pa以下，开启分子泵，并将真空度抽至5
×
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pa，利用设备内的加热装置预热轴承，温度为850℃，随后通入2pa氩气并在800v的偏压下清洗轴承表面，清洗完毕后通入n2，气压控制在0.75pa之间，调节氮氩比为5:1和偏压为150v，随即打开靶电源，调节电流至80a，开始沉积薄膜，沉积时间为20min，即完成薄膜制备。
21.制备过程中所使用的轴承材料为m50nil轴承钢。
22.步骤（2）中所述ti-v-w合金靶材各元素间的摩尔比百分比为ti：v：w：=1：1：1。
23.步骤（2）中所制备ti-v-w-n薄膜的厚度为3μm。
24.所述薄膜材料的显微硬度为3000hk，膜基结合力为100n，摩擦系数为0.3。
25.实施例3一种高铁轴承用ti-v-w-n薄膜的制备方法，具体制备过程如下：（1）轴承表面预处理：利用240#砂纸打磨轴承表面，随后将轴承浸没装有无水乙醇溶液的塑料槽中进行超声波处理，处理时间为20min，最后轴承在干燥箱中于100℃下烘干30min，准备离子注入处理；（2）离子注入沉积ti-v-w-n薄膜：将装有ti-v-w合金靶材的铜坩埚与轴承放置于离子镀膜设备中，随即开启机械泵，待真空度降至5pa以下，开启分子泵，并将真空度抽至5
×
10-5
pa，利用设备内的加热装置预热轴承，温度为900℃，随后通入2pa氩气并在800v的偏压下清洗轴承表面，清洗完毕后通入n2，气压控制在1pa之间，调节氮氩比为9:1和偏压为200v，随即打开靶电源，调节电流至70~90a，开始沉积薄膜，沉积时间为30min，即完成薄膜制备。
26.制备过程中所使用的轴承材料为9cr18轴承钢。
27.步骤（2）中所述ti-v-w合金靶材各元素间的摩尔比百分比为ti：v：w：=1：1：1。
28.步骤（2）中所制备ti-v-w-n薄膜的厚度为5μm。
29.所使用的的轴承材料为8cr4mo4v轴承钢、9cr18轴承钢、g20crni2moa轴承钢、gcr15轴承钢、m50nil轴承钢、aisi52100轴承钢中的任意一种。
30.所述薄膜材料的显微硬度为2750hk，膜基结合力为90n，摩擦系数为0.45。
31.对比例1
与实施例2不同的是在步骤（2）中合金靶材为纯钛且离子注入沉积前未对轴承进行预热处理，制备出ti-n薄膜，所述薄膜材料的显微硬度为2300hk，膜基结合力为68n，摩擦系数为0.85。
32.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。