專利名稱：耐磨耐腐蝕不銹鋼齒輪及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化學(xué)機械拋光設(shè)備用的齒輪，尤其涉及耐磨耐腐蝕的不銹鋼齒輪。
背景技術(shù)：
目前化學(xué)機械拋光設(shè)備，比如硬盤盤片的拋光設(shè)備，通常由中心齒輪及其驅(qū)動、 外部環(huán)齒輪及其驅(qū)動、設(shè)置在這兩齒輪之間的芳綸纖維齒輪片以及設(shè)置在該齒輪片上下方的拋光墊及其驅(qū)動等機構(gòu)組成，其中，中心齒輪的直徑在30厘米以上，外部環(huán)齒的直徑則超過1米。在硬盤盤片的拋光工藝過程，工件設(shè)置在齒輪片中的工位上，在各驅(qū)動的配合下實現(xiàn)拋光。現(xiàn)有的中心齒輪普遍采用未經(jīng)過表面處理的奧氏體不銹鋼，其硬度偏低，為 80-250HV，耐磨性差。在化學(xué)機械拋光過程中，由于中心齒輪要與拋光液接觸，而拋光液是一種強腐蝕性混合液，對不銹鋼表面的腐蝕性很強，同時由于芳綸纖維齒輪片對中心齒輪的疲勞磨損，拋光液中的微顆粒對中心齒輪的磨損，以及拋光液對中心齒輪的化學(xué)腐蝕的共同作用，中心齒輪磨損很快，當(dāng)中心齒輪磨損超過Imm或纖維齒輪片頻繁卷邊，必須更換齒輪位置，每個中心齒輪最大可調(diào)整8次位置，整個中心齒輪使用壽命短于1年。此外，從中心齒輪磨損帶出的大量顆粒對加工盤片的表面容易造成劃傷，嚴重影響拋光質(zhì)量?，F(xiàn)有的幾種用于奧氏體不銹鋼制品的表面處理方法及其對中心齒輪的耐磨耐腐蝕性能的可能影響。(1)離子植入，通過離子植入一些金屬離子，表面比較薄，中心齒輪硬度沒有明顯提高且在拋光液中容易被腐蝕。(2)離子氮化，奧氏體不銹鋼離子氮化在一定程度上提高了表面硬度，硬度為 800-1300HV，但卻在氮化層中析出了氮化物，由于氮化物在奧氏體晶界擇優(yōu)生長，消耗了鉻，導(dǎo)致奧氏體基體中的鉻含量減少，結(jié)果使不銹鋼的耐蝕性降低。(3)對表面進行磁控濺射鍍膜處理，包括鍍TiN或CrN。陶瓷TiN或CrN具有很高的硬度，硬度為1200-M00HV，以及很強的耐磨性和耐腐蝕性。但是該方法提供的超硬、耐磨、耐腐蝕層薄膜厚度很薄，在中心齒輪上僅能成型l_3Mffl厚的CrN層；這是因為厚度大于 3Mffl的薄膜內(nèi)應(yīng)力大，與基體材料的附著性降低，在使用中容易大面積剝落。由于基體硬度不高，磁控濺射鍍膜處理提供的超硬層厚度不可能太厚，因此，使用磁控濺射鍍膜處理的齒輪對于壽命的提高有限?？梢?，這些現(xiàn)有表面處理的方法對于提高化學(xué)機械拋光設(shè)備的中心齒輪的耐蝕性及耐磨性的效果比較有限，而中心齒輪的較短壽命和較頻繁的更換，也會增加化學(xué)機械拋光工藝的成本，因此，提高中心齒輪的耐蝕性及耐磨性成為化學(xué)機械拋光工藝中亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提出一種耐磨耐腐蝕不銹鋼齒輪及其制造方法，可以提高化學(xué)機械拋光設(shè)備的中心齒輪的耐蝕性及耐磨性，增強其使用壽命，從而降低化學(xué)機械拋光工藝的成本。本發(fā)明針對上述技術(shù)問題而提出的技術(shù)方案包括，提出一種耐磨耐腐蝕不銹鋼齒輪的制造方法，包括采用不銹鋼材質(zhì)制造出齒輪的主體的過程，還包括在該齒輪的主體表面進行真空電弧離子鍍CrN層的過程，該CrN層的厚度為4-19Mm、表面硬度為 1400-2300HV。在真空電弧離子鍍CrN層之前先真空鍍Cr過渡層，該Cr過渡層的厚度為 200-1000 nm。 在進行真空鍍Cr過渡層和真空電弧離子鍍CrN層時，該齒輪的主體安裝于真空室內(nèi)可轉(zhuǎn)動的支架上，靶材為金屬Cr，該齒輪的主體的齒面正對Cr靶，該齒輪的主體與脈沖負偏壓電源裝置連接。該真空電弧離子鍍Cr過渡層的過程具體包括將真空室內(nèi)背底真空抽至10_3 Pa 以下，并打開加熱器使該齒輪的主體溫度升至300 °C，烘烤5 min;通入一定流量的Ar， 使真空室壓力控制在2-3 Pa，打開脈沖負偏壓電源，占空比為30%，頻率為30 kHz，電壓由 100V逐漸加到1500V，產(chǎn)生Ar離子，對該齒輪的主體表面進行轟擊，累計時間為30min，以清潔與活化該齒輪的主體表面；減小脈沖負偏壓電源至100V，并關(guān)閉Ar，使真空恢復(fù)至10_3 1 以下；通入一定流量的Ar，使真空室壓力控制在(3-5) X10 — 1 Pa，打開離子源電源，工作電壓為20-80 V，工作電流為40-100 A，同時，逐漸增加脈沖負偏壓電源至200V，時間為 5-15min，在該齒輪的主體表面鍍上一層厚度為200-1000 nm金屬Cr，以提高結(jié)合力。該真空電弧離子鍍CrN層的過程具體包括打開N2閥門，同時調(diào)節(jié)Ar和N2流量， 使隊比例為10-40%，真空室壓力控制在(3-5) XlO 一1 Pa，在該齒輪的主體表面反應(yīng)沉積 CrN,時間為6-12小時，厚度為4-19Mm ；關(guān)閉離子源電源、脈沖負偏壓電源、加熱器電源以及 Ar與N2閥門，讓該齒輪溫度下降至35 °C以下。在真空電弧離子鍍CrN層之后，還包括對齒輪的表面進行拋光處理的過程。該拋光過程采用至少兩齒輪相互對磨，并使含有金剛石顆粒的溶液流到齒輪的齒本發(fā)明針對上述技術(shù)問題而提出的技術(shù)方案還包括，提出一種耐磨耐腐蝕不銹鋼齒輪，包括不銹鋼材質(zhì)的主體，還包括設(shè)置在該主體表面的Cr過渡層以及設(shè)置在該過渡層上的CrN層，該Cr過渡層的厚度為200-1000 nm，該CrN層的厚度為4-19Mm、表面硬度為 1400-2300HV。優(yōu)選地，該CrN層的厚度為8_16Mm、表面硬度不小于1800HV。該主體是304或316奧氏體不銹鋼材質(zhì)的。該Cr過渡層采用真空鍍工藝成型；該CrN層采用真空電弧離子鍍工藝成型。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的耐磨耐腐蝕不銹鋼齒輪及其制造方法，可以提高化學(xué)機械拋光設(shè)備的中心齒輪的耐蝕性及耐磨性，增強其使用壽命，從而降低化學(xué)機械拋光工藝的成本。


圖1是本發(fā)明的耐磨耐腐蝕不銹鋼齒輪的制造方法的流程示意。圖2是本發(fā)明的耐磨耐腐蝕不銹鋼齒輪表面的剖面結(jié)構(gòu)示意。圖3是本發(fā)明的CrN層的厚度與齒輪表面硬度以及使用壽命的關(guān)系示意。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明予以進一步地詳盡闡述。參見圖1，本發(fā)明的耐磨耐腐蝕不銹鋼齒輪的制造方法，大致包括步驟101 成型齒輪的主體；步驟102 采用真空鍍Cr過渡層；步驟103 采用真空電弧離子鍍CrN層；以及步驟104 對齒輪的表面進行拋光處理。參見圖2，采用上述方法制得的耐磨耐腐蝕不銹鋼齒輪，其大致結(jié)構(gòu)為不銹鋼材質(zhì)的主體1，設(shè)置在該主體1表面的Cr過渡層2以及設(shè)置在該過渡層2上的CrN層3。以下，對本發(fā)明的耐磨耐腐蝕不銹鋼齒輪的制造方法進行更詳盡的描述。1.對304或316奧氏體不銹鋼齒輪進行超聲清洗將齒輪裝在工件夾上，放置在含有堿性清洗劑的溶液的超聲槽內(nèi)，進行超聲除油除蠟處理，其中溶液溫度為20-80。C， 超聲頻率為40-120 kHz，清洗時間為5-30min，然后使用純凈水進行超聲清洗，清洗時間為 5-20min，最后采用80 士 5 °C的清潔熱空氣，烘干時間為lOmin。2.將清洗后的齒輪安裝于真空電弧離子鍍設(shè)備的真空室內(nèi)可轉(zhuǎn)動的支架上，齒輪的齒面正對Cr靶，并將齒輪與脈沖負偏壓電源裝置相連。3.將本底真空抽至10_3 1 以下，并打開加熱器使齒輪工件溫度升至300 °C，烘烤 5 min。4.通入一定流量的Ar，使真空室壓力控制在2-3 Pa，打開脈沖負偏壓電源，占空比為30%，頻率為30 kHz,電壓由IOOV逐漸加到1500V，產(chǎn)生Ar離子，對齒輪表面進行轟擊， 累計時間為30min，清潔齒輪表面，同時活化表面。5.減小脈沖負偏壓電源至100V，并關(guān)閉Ar，使真空恢復(fù)至10_3 Pa以下。6.通入一定流量的Ar，使真空室壓力控制在(3-5) X 10 —1 Pa，打開離子源電源， 工作電壓為20-80 V，工作電流為40-100 A，同時，逐漸增加脈沖負偏壓電源至200V，時間為 5-15min，在齒輪表面鍍上一層厚度為200-1000 nm金屬Cr，以提高結(jié)合力。7.打開N2閥門，同時調(diào)節(jié)Ar和N2流量，使N2比例為10_40%，真空室壓力控制在 (3-5) X 10 — 1 Pa，在齒輪表面反應(yīng)沉積CrN，時間為6_12小時，厚度為4_19Mm。8.關(guān)閉離子源電源、脈沖負偏壓電源、加熱器電源、Ar和N2閥門，讓齒輪溫度下降至35°C以下，停機，取出工件。9.采用齒輪對磨方式對鍍膜后中心齒輪表面進行拋光，直至去除表面大顆粒，表面光滑為止。具體方法采用一個能承受較大軸向力的軸承，將軸垂直固定在一個矩形槽體內(nèi)，齒輪水平放置于軸上，兩個或兩個以上的齒輪嚙合，在其中一個齒輪旁設(shè)置一與其嚙合的小齒輪，該小齒輪可由電機驅(qū)動，在槽體上方外加一管道使金剛石顆粒溶液流到齒輪齒面上，小齒輪為主動齒輪，由電機驅(qū)動，可以帶動各齒輪轉(zhuǎn)動，從而通過各齒輪的對磨，在齒輪運動過程中實現(xiàn)各齒輪的表面機械拋光。10.對拋光后的齒輪進行清洗，其步驟是將齒輪裝在工件夾上，放置在含有堿性清洗劑的溶液的超聲槽內(nèi)，溶液溫度為20-80 °C，超聲頻率為40-170 kHz，清洗時間為 5-30min，然后使用純凈水進行超聲清洗，清洗時間為5-20min，最后采用80 士 5 °C的清潔熱空氣，烘干時間為lOmin。11.參見圖3所示的CrN層的厚度與齒輪表面硬度以及使用壽命的關(guān)系示意。
當(dāng)齒輪表面CrN鍍層厚度為4um，表面硬度1450HV，將鍍膜后經(jīng)過拋光清洗的齒輪，也就是在大型CMP (化學(xué)機械拋光)拋光機中的中心齒輪，換入大型CMP拋光機中試用， 中心齒輪每個位置使用壽命為50天(以每一道磨損痕跡使用時間)，相比未鍍膜的中心齒輪使用壽命30天提高了 66. 67%。當(dāng)齒輪表面CrN鍍層厚度為6um，表面硬度1600HV，將鍍膜后經(jīng)過拋光清洗的中心齒輪換入大型CMP拋光機中試用，中心齒輪使用壽命為56天，相比未鍍膜的中心齒輪使用壽命提高了 86. 67%。當(dāng)齒輪表面CrN鍍層厚度為8um，表面硬度2000HV，將鍍膜后經(jīng)過拋光清洗的中心齒輪換入大型CMP拋光機中試用，中心齒輪使用壽命為59天，相比未鍍膜的中心齒輪使用壽命提高了 96. 67%。當(dāng)齒輪表面CrN鍍層厚度為12um，表面硬度2256HV，將鍍膜后經(jīng)過拋光清洗的中心齒輪換入大型CMP拋光機中試用，中心齒輪使用壽命為75天，相比未鍍膜的中心齒輪使用壽命提高了 150. 00%。當(dāng)齒輪表面CrN鍍層厚度為16um，表面硬度2100HV，將鍍膜后經(jīng)過拋光清洗的中心齒輪換入大型CMP拋光機中試用，中心齒輪使用壽命為64天，相比未鍍膜的中心齒輪使用壽命提高了 113. 33%。當(dāng)齒輪表面CrN鍍層厚度為19um，表面硬度2080HV，將鍍膜后經(jīng)過拋光清洗的中心齒輪換入大型CMP拋光機中試用，中心齒輪使用壽命為61天時，相比未鍍膜的中心齒輪使用壽命提高了 103. 33%。在CrN鍍層厚度為19um情況下，鍍層具有較大的應(yīng)力，中心齒輪表面可能看到鍍層脫落的碎片，影響工件效果?？梢?，在該CrN層的厚度為8_16Mm時，齒輪的表面硬度不小于1800HV，并且不易出現(xiàn)鍍層脫落的情形。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的耐磨耐腐蝕不銹鋼齒輪及其制造方法，在真空條件下， 采用低電壓、大電流的電弧放電技術(shù)，利用氣體放電使靶材蒸發(fā)并使被蒸發(fā)物質(zhì)與氣體都發(fā)生電離，利用電場的加速作用，使被蒸發(fā)物質(zhì)及其反應(yīng)產(chǎn)物沉積在工件上。由于離子能量高，使得膜層與工件表面的結(jié)合力強，更加持久和耐磨，同時，離子的繞射性能好，能夠鍍象齒輪這樣表面形狀復(fù)雜的工件，此外，膜層沉積速率快，且生長應(yīng)力不大，適宜制備厚度大于3Mm的薄膜。而為了克服使用真空電弧離子鍍方法制備的薄膜表面比較粗糙的情況，避免齒輪在使用過程中會有硬的顆粒脫落，混入拋光環(huán)境中容易造成工件表面劃傷，本發(fā)明在真空電弧離子鍍膜之后，可以進一步結(jié)合機械拋光技術(shù)，從而能夠最終制備出表面光滑、 超硬、耐磨、耐腐蝕的不銹鋼齒輪，可以增強其在拋光設(shè)備中用做中心齒輪時的使用壽命， 從而降低化學(xué)機械拋光工藝的成本。上述內(nèi)容，僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用于限制本發(fā)明的實施方案，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的主要構(gòu)思和精神，可以十分方便地進行相應(yīng)的變通或修改，故本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所要求的保護范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種耐磨耐腐蝕不銹鋼齒輪的制造方法，包括采用不銹鋼材質(zhì)制造出齒輪的主體的過程，其特征在于，還包括在該齒輪的主體表面進行真空電弧離子鍍CrN層的過程，該CrN 層的厚度為4-19Mm、表面硬度為1400-2300HV。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，在真空電弧離子鍍CrN層之前先真空鍍Cr過渡層，該Cr過渡層的厚度為200-1000 nm。
3.依據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其特征在于，在進行真空鍍Cr過渡層和真空電弧離子鍍CrN層時，該齒輪的主體安裝于真空室內(nèi)可轉(zhuǎn)動的支架上，靶材為金屬Cr，該齒輪的主體的齒面正對Cr靶，該齒輪的主體與脈沖負偏壓電源裝置連接。
4.依據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法，其特征在于，該真空鍍Cr過渡層的過程具體包括將真空室內(nèi)背底真空抽至10_3 Pa以下，并打開加熱器使該齒輪的主體溫度升至300 °C，烘烤 5 min ；通入一定流量的Ar，使真空室壓力控制在2-3 Pa,打開脈沖負偏壓電源，占空比為 30%，頻率為30 kHz,電壓由100V逐漸加到1500V，產(chǎn)生Ar離子，對該齒輪的主體表面進行轟擊，累計時間為30min，以清潔與活化該齒輪的主體表面；減小脈沖負偏壓電源至100V，并關(guān)閉Ar，使真空恢復(fù)至10_3 Pa以下；通入一定流量的Ar，使真空室壓力控制在(3-5) X 10 —1 Pa，打開離子源電源，工作電壓為20-80 V，工作電流為40-100 A，同時，逐漸增加脈沖負偏壓電源至200V，時間為 5-15min，在該齒輪的主體表面鍍上一層厚度為200-1000 nm金屬Cr，以提高結(jié)合力。
5.依據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法，其特征在于，該真空電弧離子鍍CrN層的過程具體包括打開N2閥門，同時調(diào)節(jié)Ar和N2流量，使N2比例為10-40%，真空室壓力控制在 (3-5) X 10 — 1 Pa,在該齒輪的主體表面反應(yīng)沉積CrN，時間為6_12小時，厚度為4_19Mm ；關(guān)閉離子源電源、脈沖負偏壓電源、加熱器電源以及Ar與隊閥門，讓該齒輪溫度下降至35 °C以下。
6.依據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的制造方法，其特征在于，在真空電弧離子鍍CrN層之后，還包括對齒輪的表面進行拋光處理的過程。
7.依據(jù)權(quán)利要求6所述的制造方法，其特征在于，該拋光過程采用至少兩齒輪相互對磨，并使含有金剛石顆粒的溶液流到齒輪的齒面。
8.一種耐磨耐腐蝕不銹鋼齒輪，包括不銹鋼材質(zhì)的主體，其特征在于，還包括設(shè)置在該主體表面的Cr過渡層以及設(shè)置在該過渡層上的CrN層，該Cr過渡層的厚度為200-1000 nm，該CrN層的厚度為4_19Mm、表面硬度為1400-2300HV。
9.依據(jù)權(quán)利要求8所述的耐磨耐腐蝕不銹鋼齒輪，其特征在于，該CrN層的厚度為 8-16Mm、表面硬度不小于1800HV。
10.依據(jù)權(quán)利要求8所述的耐磨耐腐蝕不銹鋼齒輪，其特征在于，該主體是304或316 奧氏體不銹鋼材質(zhì)的；該Cr過渡層采用真空鍍工藝成型；該CrN層是采用真空電弧離子鍍工藝成型。
11.一種化學(xué)機械拋光設(shè)備，包括一中心齒輪，其特征在于，該中心齒輪是如權(quán)利要求 8至10任一所述的耐磨耐腐蝕不銹鋼齒輪。
全文摘要
一種耐磨耐腐蝕不銹鋼齒輪及其制造方法，該制造方法包括采用不銹鋼材質(zhì)制造出齒輪的主體的過程，還包括在該齒輪的主體表面進行真空電弧離子鍍CrN層的過程，該CrN層的厚度為4-19μm、表面硬度為1400-2300HV。該齒輪包括不銹鋼材質(zhì)的主體和設(shè)置在該主體表面的Cr過渡層、CrN層，該Cr過渡層的厚度為200-1000nm。本發(fā)明可以提高化學(xué)機械拋光設(shè)備的中心齒輪的耐蝕性及耐磨性，增強其使用壽命，從而降低化學(xué)機械拋光工藝的成本。
文檔編號C23C14/06GK102268646SQ20111016721
公開日2011年12月7日 申請日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月21日
發(fā)明者戚祖強, 李維民, 趙艷, 郭愛青 申請人:深圳開發(fā)磁記錄股份有限公司