[发明专利]一种轴承钢的超低温离子注入强化系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种轴承钢的超低温离子注入强化系统及方法，属于金属表面强化处理技术领域。

背景技术

随着我国国民经济的不断发展，应用于航空、航天、医疗、石化、天然气、交通等高端装备领域的高性能轴承产品数量需求越来越大，特别是超低温环境下使用的特种轴承，超低温轴承产品性能如超低温条件下的耐磨损、抗疲劳、强韧性、硬度等性能有待进一步提升，各种轴承钢材料本身的性能结构特点较难改变，这就要求在轴承钢材料超低温强化处理技术方面要有新的创新和突破，轴承钢材料通过材料相关强化处理技术提高表面硬度、强度、芯部韧性、耐磨损、耐腐蚀等力学和机械性能，超低温轴承钢材料强化技术是促进我国特种机械工业提高经济效益最基础最关键中心环节之一。

为提高超低温等环境下使用的轴承钢材料综合性能，如提高其抗腐蚀、耐磨损及抗疲劳性能，提高表面硬度和强韧性等，目前已证明行之有效的方法之一是采用离子注入技术，离子注入技术是通过电场把高能量的离子加速，通过级联碰撞效应注入基材里面，析出金属化合物和合金相，形成离散强化相。离子注入改性层与基体材料溶合为一体，无明显界面，不存在界面失效剥落现象，离子注入过程可以通过控制温度﹑注入元素﹑注入元素剂量等参数，在注入层形成非晶和纳米晶逐渐过渡的梯度结构材料，可以有效提升轴承钢材料表面耐磨损、抗疲劳等性能。离子注入技术具有较高的可控性和重复度，十分适合进行轴承钢材料表面强化，且该技术绿色无污染，但是离子注入技术存在离子注入层过浅，注入层为亚稳态等问题。不过离子注入遇到低温会发生二次强化，引起新的轴承钢材料内部组织和性能变化，特别是针对超低温条件下使用的轴承，需要超低温条件下进行离子注入。

超低温技术强化金属材料是近年来研究的热点，特别是在工具钢和轴承钢研究方面，因为在超低温条件下马氏体碎化，碳化物细化，引起硬度增强和韧性提高即同素异构钢铁材料强化。但细化晶粒为微米量级，很难细化为纳米结构的晶粒，通过深冷制备特别小尺度的纳米晶粒时，往往带来金属材料的韧性性能降低。

超低温条件下注入延深纳米梯度结构强化层，是利用超低温和离子注入物理场激变的同时注入超饱和固溶杂质，制备具有梯度结构特点强化层，且强化层具有微结构层的协同强化效应，增强金属离子注入深度强化性能的同时提高深冷影响区的超韧功能，且超低温条件下注入具有超低温环境的稳定性，最终大幅度提高特种工况条件下轴承钢材料的强韧性、耐磨和抗剥落性能。目前现有技术对轴承钢材料进行离子注入和超低温处理，是将轴承钢材料在真空炉内离子注入后，一般冷却至室温，然后将轴承钢材料从真空炉取出，再送到深冷箱进行低温深冷处理，首先此方法强化过程中间要经过一段时间，不容易控制冷却温度，深冷后再注入，不能控制转移过程中的低温吸附而引入注入杂质污染，影响材料的处理质量，这种处理方式需要人工操作较多，容易出现误操作，而且真空离子注入需要氮或氩气源、金属靶材，超低温处理需要液氮，两种设备需要不同提供处理介质的装备，增加成本，生产率低，处理工件的质量不稳定。因此，需要开发轴承钢的在线超低温离子注入强化工艺提升金属材料相关力学和机械性能，并需要设计实施轴承钢的超低温离子注入强化工艺的自动化设备系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种轴承钢的超低温离子注入强化系统，所述强化系统能够实现超低温技术、离子注入技术在同一真空下同时强化轴承钢材料性能，真空及离子源系统稳定性高，在强化过程中可精确地控制冷却终端温度值，实现了智能化自动控制，降低成本，提高生产效率；利用本发明强化系统强化轴承钢，克服了离子注入改性层比较浅、强化效果仅仅局限于表层的缺陷，利用超低温离子注入在金属材料次表面下原位制备具有高强超韧等良好力学性能的无界面梯度结构复合材料，可以显著提高金属材料的强韧性、耐磨损、抗疲劳等力学和机械性能。

本发明所提供的轴承钢的超低温离子注入强化系统，可以单独实施超低温技术或离子注入技术强化轴承钢材料，也可以在同一真空下的同时实施超低温技术和离子注入技术强化轴承钢材料。

本发明所提供的超低温离子注入强化系统，包括一真空腔室、冷却工装系统、测温系统和智能控制系统；

所述真空腔室与抽真空系统相连通；

所述真空腔室的顶部设有金属离子源和气体离子源；