CN106521406B - 处理m50轴承钢的方法、强化m50轴承钢以及轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了处理M50轴承钢的方法、强化M50轴承钢以及轴承，该方法包括：(1)采用低能气体离子束对M50轴承钢清洗；(2)采用高能离子束在步骤(1)得到M50轴承钢表面注入第一稀土元素；(3)采用高能离子束在步骤(2)得到M50轴承钢表面注入碳和氮元素中的至少之一；(4)采用高能离子束在步骤(3)得到M50轴承钢表面注入第二稀土元素；(5)采用低能大束流离子对步骤(4)得到M50轴承钢进行轰击处理；(6)采用高能离子束在步骤(5)得到M50轴承钢表面交替注入金属离子和气体离子；(7)在气体保护下对步骤(6)得到M50轴承钢进行冷却处理，得到强化M50轴承钢。该方法可以大幅度提高M50轴承钢材料的摩擦磨损、抗疲劳、耐腐蚀等综合性能。

Description

处理M50轴承钢的方法、强化M50轴承钢以及轴承

技术领域

本发明属于金属材料的表面强化处理领域，具体而言，本发明涉及一种处理M50轴承钢的方法、强化M50轴承钢以及轴承。

背景技术

用于航空发动机配套的高可靠性、高精密度的轴承已成为中国在航空发动机研发中关键技术之一。以航空发动机主轴承为例，主轴承是航空发动机的关键部件之一。在高速、高温、受力复杂的条件下运转，主轴承质量和性能直接影响到发动机性能、寿命和可靠性，而航空发动机的关键的指标之一就是高可靠性。目前，M50轴承钢材料是航空轴承上大量使用的高温轴承材料，轴承在工作时承受着极大的压力和摩擦力，所以要求轴承滚动表面具有强韧一体化的改性层，从而提高轴承滚动表面的抗疲劳性和耐磨性。M50轴承钢材料具有普通轴承材料较高的高温性能，但此材料的硬度偏低，接触疲劳性能差。

因此，现有的强化M50轴承钢的性能有待进一步提升。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种处理M50轴承钢的方法、强化M50轴承钢以及轴承，该方法可以大幅度提高M50轴承钢材料的离子注入层深度和次深表层强化深度，同时进一步提高M50轴承钢材料的摩擦磨损、抗疲劳、耐腐蚀等综合性能。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种处理M50轴承钢的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：

(1)采用低能气体离子束对所述M50轴承钢进行清洗；

(2)采用高能离子束在步骤(1)得到的M50轴承钢表面注入第一稀土元素；

(3)采用高能离子束在步骤(2)得到的M50轴承钢表面注入碳和氮元素中的至少之一；

(4)采用高能离子束在步骤(3)得到的M50轴承钢表面注入第二稀土元素；

(5)采用低能大束流离子对步骤(4)得到的M50轴承钢进行轰击处理；

(6)采用高能离子束在步骤(5)得到的M50轴承钢表面交替注入金属离子和气体离子；

(7)在气体保护下对步骤(6)得到的M50轴承钢进行冷却处理，以便得到强化M50轴承钢。

由此，根据本发明实施例的处理M50轴承钢的方法可以大幅度提高M50轴承钢材料的离子注入层深度和次深表层强化深度，同时进一步提高M50轴承钢材料的摩擦磨损、抗疲劳、耐腐蚀等综合性能，并且采用该方法可以显著降低热处理污染和高耗能，同时注入和热处理一次完成，提高了处理效率。

另外，根据本发明上述实施例的处理M50轴承钢的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，步骤(1)～步骤(7)是采用一体化离子注入复合设备进行的，并且是在真空度为3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa条件下进行的。

在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述低能气体离子束采用纯度为99.99％的氩气源，离子束的引出电压为1～2kV，离子束清洗时间为20～30分钟。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)、(3)(4)中，所述高能离子束的注入能量分别独立地为70KeV～100KeV。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)和步骤(4)中，所述第一稀土元素和第二稀土元素分别独立地为钇、铈或镧。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)和步骤(4)中，所述第一稀土元素和所述第二稀土元素的注入剂量分别独立地为0.5×10¹⁷ions/cm²。

在本发明的一些实施例中，在步骤(5)中，所述采用大束流离子对步骤(4)得到的M50轴承钢进行轰击处理的同时在所述步骤(3)得到的M50轴承钢上加正偏压或负偏压，轰击处理时间为1～3小时。

在本发明的一些实施例中，在步骤(6)中，所述气体离子为氮离子，注入气体离子过程采用纯度为99.99％的氮气源，注入能量为70KeV～100KeV，注入剂量为1.0×10¹⁷ions/cm²～4.0×10¹⁷ions/cm²。

在本发明的一些实施例中，在步骤(6)中，所述金属离子为锆离子、钛离子、钽离子、铬离子或钼离子，注入金属离子采用纯度为99.98％的金属靶材，注入能量为50KeV～80KeV，注入剂量为1.2×10¹⁷ions/cm²～4.5×10¹⁷ions/cm²。

在本发明的一些实施例中，在步骤(7)中，所述气体为高纯氮气或高纯氩气，所述冷却处理的时间为1～3小时，优选2小时。

在本发明的一些实施例中，所述处理M50轴承钢的方法进一步包括：在采用低能气体离子束对M50轴承钢进行清洗之前，预先对所述M50轴承钢表面进行去油脂、去锈点、去杂质、去有机物残留、超声清洗。

在本发明的第二个方面，本发明提出了一种强化M50轴承钢。根据本发明的实施例，所述强化M50轴承钢是采用上述所述的方法制备得到的。因此，该强化M50轴承钢具有较高的摩擦磨损、抗疲劳、耐腐蚀等综合性能。

在本发明的第三个方面，本发明提出了一种轴承。根据本发明的实施例，所述轴承是采用上述所述的强化M50轴承钢制备得到的。由此，该轴承具有较高的摩擦磨损、抗疲劳、耐腐蚀等综合性能，从而具有较高的使用寿命。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的处理M50轴承钢的方法流程示意图；

图2是根据本发明再一个实施例的处理M50轴承钢的方法流程示意图；

图3为未强化和强化后的M50材料的纳米压痕硬度对比曲线；

图4为未强化和强化后的M50材料的摩擦磨损对比曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本申请是基于本申请发明人的下列发现完成的：M50轴承钢材料是航空发动机轴承上大量使用的高温轴承材料，轴承在工作时承受着极大的压力和摩擦力，所以要求轴承滚动表面具有强韧一体化的改性层，从而提高轴承滚动表面的抗疲劳性和耐磨性。M50轴承钢材料具有普通轴承材料较高的高温性能，但此材料的硬度偏低，接触疲劳性能差，现有技术中通过渗氮热处理进行强化，在大幅度提高材料硬度的同时，M50轴承在高负载工作条件下，容易断裂；由于航空发动机轴承工作负载较大，常规的离子注入注入深度比较浅，使得耐磨性能不够，如果在较高温度下注入增加深度，较高的温度容易引起轴承精度变形和回火，过高能量的离子注入，辐照损伤又会降低轴承的表面改性强度。本发明的发明人通过对M50轴承钢的强化工艺进行积极探索，旨在解决现有技术中的缺陷，得到具有较高的摩擦磨损、抗疲劳、耐腐蚀等综合性能的强化M50轴承钢。

为此，在本发明的一个方面，本发明提出了一种处理M50轴承钢的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)采用低能气体离子束对所述M50轴承钢进行清洗；(2)采用高能离子束在步骤(1)得到的M50轴承钢表面注入第一稀土元素；(3)采用高能离子束在步骤(2)得到的M50轴承钢表面注入碳和氮元素中的至少之一；(4)采用高能离子束在步骤(3)得到的M50轴承钢表面注入第二稀土元素；(5)采用低能大束流离子对步骤(4)得到的M50轴承钢进行轰击处理；(6)采用高能离子束在步骤(5)得到的M50轴承钢表面交替注入金属离子和气体离子；(7)在气体保护下对步骤(6)得到的M50轴承钢进行冷却处理，以便得到强化M50轴承钢。

发明人发现，采用低能大束流离子源进行热处理，结合高能离子注入稀土元素和热扩散协同作用，能够对M50轴承钢进行表面性能强化。其中，稀土元素细化了晶粒，形成了高性能的合金相和化合物。同时，由于该类稀土与轴承钢中的化合物膨胀系数的差别，通过在该类稀土元素注入后经过深冷处理，在晶界处形成空位缺陷，降低疲劳裂纹的形成和发展，从而大幅度的提高M50轴承钢的接触疲劳性能。另外，发明人研究了稀土在离子注入层共渗中的稀土及离子注入工艺，共渗温度，共渗时间对渗层深度，硬度及渗层组织的影响，研究结果表明，稀土对离子注入共渗过程有明显的催渗作用，经试验选配注入元素和注入剂量，能形成较高耐热性能的M50轴承钢，并且采用稀土元素进行增强扩渗，可以更精确控制扩渗处理深度和注入深度，从而大幅度的提高M50轴承钢材料的摩擦磨损，抗疲劳和耐腐蚀等综合性能，用低能大束流离子扩渗处理增加注入元素的扩散深度和效率。另外本发明降低了热处理污染和高耗能，并且其注入和扩渗处理一次完成，提高了处理效率。

下面参考图1对本发明实施例的处理M50轴承钢的方法进行详细描述。根据本发明的实施例，该方法包括：

S100：采用低能气体离子束对M50轴承钢进行清洗

该步骤中，采用低能气体离子束对M50轴承钢进行清洗。由此，可以去除M50轴承钢表面的物理吸附层，从而有效避免对后续注入元素的污染。

根据本发明的一个实施例，清洗处理的具体操作条件并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个实施例，清洗处理的操作条件可以采用：低能气体离子束采用纯度为99.99％的氩气源，离子束的引出电压为1～2kV，离子束清洗时间为20～30分钟。发明人发现，电压过低使得离子能量不足以去除吸附在M50轴承钢表面的物理吸附层，而电压过高会导致吸附在M50轴承钢表面的物理吸附层被轰击进入到M50轴承钢材料内部形成污染元素，并且鉴于物理吸附层为1～10埃，根据以往的经验清洗20～30分钟可以清洗干净。

S200：采用高能离子束在步骤S100得到的M50轴承钢表面注入第一稀土元素

该步骤中，采用高能离子束在步骤S100得到的M50轴承钢表面注入第一稀土元素，使得稀土元素加入到高温轴承钢铁材料中形成相应的化合物(碳化物、氧化物、氮化物、金属间化合物等)，并且经过扩渗处理后，耐高温轴承钢材料中会含有稀土元素的化合物，从而可以显著提高M50轴承钢的硬度、韧性、红硬性等力学性能。

根据本发明的一个实施例，第一稀土元素的具体类型并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，第一稀土元素可以为钇、铈或镧。发明人发现，通过在清洗处理后的M50轴承钢表面注入该类稀土元素，可以显著优于其他类型稀土元素，实现细化晶粒，形成高性能合金相和化合物。同时，由于该类稀土与M50轴承钢中的化合物膨胀系数的差别，通过在该类稀土元素注入后再经过深冷处理，在晶界处形成空位缺陷，降低疲劳裂纹的形成和发展，从而大幅度的提高M50轴承钢的接触疲劳性能。

根据本发明的再一个实施例，第一稀土元素的高能离子束的注入能量并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，第一稀土元素的高能离子束的注入能量可以为70KeV～100KeV。发明人发现，若注入能量过高容易对M50轴承钢表面形成辐照损伤，而注入能量过低导致稀土元素无法注入到M50轴承钢材料内部。由此，采用该注入能量可以大幅度的提高M50轴承钢的接触疲劳性能。

根据本发明的又一个实施例，第一稀土元素的注入剂量并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，第一稀土元素的注入剂量可以为0.5×10¹⁷ions/cm²。发明人发现，注入该剂量的第一稀土元素可以明显提高M50轴承钢的接触疲劳性能。

S300：采用高能离子束在步骤S200得到的M50轴承钢表面注入碳和氮元素中的至少之一

该步骤中，采用高能离子束在步骤S200得到的M50轴承钢表面注入碳和氮元素中的至少之一，例如可以在步骤S200得到的M50轴承钢表面注入碳或氮元素。由此，通过在注入稀土元素的M50轴承钢表面进行渗氮或渗碳处理，可以显著提高M50轴承钢表面的渗氮或渗碳效果，从而可以更准确的控制后续热处理深度和注入深度，进而大幅度提高M50轴承钢材料的摩擦磨损、抗疲劳以及耐腐蚀等综合性能。

根据本发明的一个实施例，该过程中，高能离子束的注入能量并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，该过程中，高能离子束的注入能量可以为70KeV～100KeV。发明人发现，若注入能量过高容易对M50轴承钢表面形成辐照损伤，而注入能量过低导致碳氮无法注入到M50轴承钢材料内部。由此，采用该注入能量可以大幅度的提高M50轴承钢的耐磨和抗疲劳性能。

S400：采用高能离子束在步骤S300得到的M50轴承钢表面注入第二稀土元素

该步骤中，采用高能离子束在步骤S300得到的M50轴承钢表面注入第二稀土元素，使得第二稀土元素与步骤S300所得M50轴承钢中渗入的氮元素和/或碳元素结合为相应的氮化物和/或碳化物，从而可以进一步提高M50轴承钢硬度的强化效应，并且第二稀土元素的注入后经过后续的深冷处理，形成的稀土化合物的收缩在晶界处形成空位缺陷，降低疲劳裂纹的形成和发展，从而进一步大幅度的提高M50轴承钢的接触疲劳性能。

根据本发明的一个实施例，该过程中，高能离子束的注入能量并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，该过程中，高能离子束的注入能量可以为70KeV～100KeV。发明人发现，若注入能量过高容易对M50轴承钢表面形成辐照损伤，而注入能量过低导致稀土元素无法注入到M50轴承钢材料内部。由此，采用该注入能量可以大幅度的提高M50轴承钢的接触疲劳性能。

根据本发明的再一个实施例，第二稀土元素的具体类型并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，第二稀土元素可以为钇、铈或镧。由此，可以进一步大幅度的提高M50轴承钢的接触疲劳性能。

根据本发明的又一个实施例，第二稀土元素的注入剂量并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，第二稀土元素的注入剂量可以为0.5×10¹⁷ions/cm²。发明人发现，注入该剂量的第二稀土元素可以明显提高M50轴承钢的接触疲劳性能。

S500：采用低能大束流离子对步骤S400得到的M50轴承钢进行轰击处理

该步骤中，采用低能大束流离子对步骤S400得到的M50轴承钢进行轰击处理，由此通过采用低能大束流离子对M50轴承钢进行扩渗热处理，可以显著提高注入元素的扩散深度和效率。具体的，可以采用氩或者氮气体低能大束流离子对步骤S400得到的M50轴承钢进行轰击，其中，轰击电压可以为0.1kV，轰击束流可以为0.1A。

具体的，采用大束流离子对步骤S400得到的M50轴承钢进行轰击处理的同时，在步骤S400得到的M50轴承钢上加正偏压或负偏压，并且轰击处理时间为1～3小时。需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需要对正偏压和负偏压的具体条件进行选择。

S600：采用高能离子束在步骤S500得到的M50轴承钢表面交替注入金属离子和气体离子

该步骤中，采用高能离子束在步骤S500得到的M50轴承钢表面交替注入金属离子和气体离子，其中，先注入气体离子，再注入金属离子，气体离子可以为氮离子，金属离子可以为锆离子、钛离子、钽离子、铬离子或钼离子。由此，通过注入金属元素，该注入的金属元素可以在注入深度范围内导致晶粒细化，形成置换、填隙等固溶体，并且导致晶格畸变，使注入层表面和次表面产生压应力，这些效应可以大幅增加轴承材料的抗磨损和抗接触疲劳性能，而同时注入气体元素，使得与M50轴承钢材料本身元素形成新的化合物，而这些化合物弥散分布，从而可以显著增加M50轴承钢材料的强度和耐磨性能。

根据本发明的一个实施例，注入气体离子过程可以采用纯度为99.99％的氮气源，注入能量为70KeV～100KeV，注入剂量为1.0×10¹⁷ions/cm²～4.0×10¹⁷ions/cm²，注入金属离子可以采用纯度为99.98％的金属靶材，注入能量为50KeV～80KeV，注入剂量为1.2×10¹⁷ions/cm²～4.5×10¹⁷ions/cm²。

S700：在气体保护下对步骤S600得到的M50轴承钢进行冷却处理

该步骤中，在气体保护下对步骤S600得到的M50轴承钢进行冷却处理，由于稀土与轴承钢中的化合物膨胀系数的差别，可以通过稀土化合物的收缩在晶界处形成空位缺陷，降低疲劳裂纹的形成和发展，从而大幅度的提高M50轴承钢的接触疲劳性能，即得到强化M50轴承钢，然后将得到的强化M50轴承钢放入丙酮中清洗30分钟，并将其真空密封封存。

根据本发明的一个实施例，气体可以为高纯氮气或高纯氩气，冷却处理的时间可以为1～3小时，优选2小时。

根据本发明的实施例，步骤S100～步骤S700是采用一体化离子注入复合设备进行的，并且步骤S100～步骤S700是在真空度为3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa条件下进行的。具体的，将M50轴承钢材料放到真空室工装台上，对真空室抽真空至真空度为3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa，真空室工装台沿自身轴线匀速缓慢旋转的同时，用一体化离子注入设备对M50轴承钢材料进行表面强化。发明人发现，通过在真空中，一次性的实现热处理和离子注入稀土元素表面强化，局部一定深度强化M50材料的强度，又保持芯部的韧性，增加抗断裂能力。并且此种工艺，可以在增强材料性能的基础上，渗入和真空注入一次加工完毕，提高了效率，整个过程无污染，耗能也大大降低。

参考图2，根据本发明实施例的处理M50轴承钢的方法进一步包括：

S800：在采用低能气体离子束对M50轴承钢进行清洗之前，预先对M50轴承钢表面进行去油脂、去锈点、去杂质、去有机物残留、超声清洗

具体的，首先采用金属除脂溶剂去除M50轴承钢材料上油脂，使其表面不能有油脂，然后将待处理的M50轴承钢材料放入无污染的四氯乙烯中浸泡20～30分钟后取出，再用宣纸吸净残留溶剂后，最后用干净的丝绸进行擦拭，然后用金属除锈溶剂浸泡清洗去油脂后的M50轴承钢材料10～15分钟，去除材料表面锈点；接着将经过上述处理过的M50轴承钢材料放入丙酮中，超声清洗20～30分钟后取出使用干净绸布擦干，擦干时，在材料的光滑表面上沿同一方向进行擦拭，保证其表面没有水渍和杂质残留，同时不使用已经被污染、浸湿的绸布对试件进行擦拭，然后采用具有有机物清除功能的金属清洗剂浸泡清洗上述处理后的M50轴承钢材料10～15分钟，使金属试样表面不能有有机物残留；最后将上述处理后的M50轴承钢材料放入去离子水中，超声清洗20～30分钟后取出，逐个使用干净绸布擦洗、擦干并放置于烘箱中烘干10～15分钟。需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需要对采用的金属除脂溶剂、金属除锈溶剂和金属清洗剂的具体类型进行选择，例如金属除脂溶剂可以采用市售普通金属除油脂溶剂，成分包括硅酸钠、碳酸钠、氢氧化钠、溶剂水等；清洗用的四氯乙烯为市售普通有机溶剂，也可用其他有机溶剂代替；金属除锈溶剂可以为市售普通除锈剂，成分包括：有机酸、缓蚀剂、去离子水、表面活性剂等；金属清洗剂可以为是由非离子表面活性剂、有机碱和纯水混合组成的一种环保金属清洗剂。

在本发明的第二个方面，本发明提出了一种强化M50轴承钢。根据本发明的实施例，所述强化M50轴承钢是采用上述所述的方法制备得到的。由此，该强化M50轴承钢具有较高的摩擦磨损、抗疲劳、耐腐蚀等综合性能。需要说明的是，上述针对处理M50轴承钢的方法所描述的特征和优点同样适用于该强化M50轴承钢，此处不再赘述。

在本发明的第三个方面，本发明提出了一种轴承。根据本发明的实施例，所述轴承是采用上述所述的强化M50轴承钢制备得到的。由此，该轴承具有较高的摩擦磨损、抗疲劳、耐腐蚀等综合性能，从而具有较高的使用寿命。需要说明的是，上述针对强化轴M50承钢所描述的特征和优点同样适用于该轴承，此处不再赘述。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

首先用金属除脂溶剂去除M50轴承钢材料上油脂，使其表面不能有油脂，然后将待处理的M50轴承钢材料放入无污染的四氯乙烯中浸泡20分钟后取出，用宣纸吸净残留溶剂后，用干净的丝绸进行擦拭；再用金属除锈溶剂浸泡清洗M50轴承钢材料15分钟，去除材料表面锈点；然后将其放入丙酮中，超声清洗30分钟后取出使用干净绸布擦干；最后用具有有机物清除功能的金属清洗剂浸泡清洗M50轴承钢材料15分钟，使金属试样表面不能有有机物残留，然后将处理过的M50轴承钢材料放入去离子水中，超声清洗20分钟后取出，逐个使用干净绸布擦洗、擦干并放置于烘箱中烘干15分钟，得到前处理过的M50轴承钢材料，然后将上述前处理过的M50轴承钢材料放到真空室工装台上，抽真空至真空度为3.0×10^-4Pa后，真空室工装台沿自身轴线匀速缓慢旋转的同时，用一体化离子注入设备对M50轴承钢材料进行表面强化，先用低能氩气离子束清洗，然后高能离子束注入镧离子，接着高能离子束注入氮离子，然后高能离子束注入钇离子，接着大束流离子轰击处理在工件上同时加正偏压，然后高能离子束注入气体氮离子，接着高能离子束注入金属钛离子，最后采用高纯氩气保护冷却，其中，低能氩气离子束清洗采用纯度为99.99％的氩气，离子束的引出电压为1kV，离子束清洗时间为30分钟，离子注入镧离子剂量为0.5×10¹⁷ions/cm²，高能离子注入氮离子时注入能量为80KeV；高能离子注入钇离子剂量为0.5×10¹⁷ions/cm²，其中交替注入金属钛离子和气体氮离子1次，离子注入气体氮离子采用纯度为99.99％的氮气，注入能量为80KeV，注入剂量为2.0×10¹⁷ions/cm²，离子注入金属钛离子采用99.98％的金属钛靶材，注入能量为50KeV，注入剂量为3.0×10¹⁷ions/cm²，大束流离子轰击处理在工件上加正偏压，时间为2小时；其中，高纯氩气保护冷却时间为2小时，然后将强化处理后的M50轴承钢材料放入丙酮中清洗30分钟，并将其真空密封封存。

实施例2

首先用金属除脂溶剂去除M50轴承钢材料上油脂，使其表面不能有油脂，然后将待处理的M50轴承钢材料放入无污染的四氯乙烯中浸泡30分钟后取出，用宣纸吸净残留溶剂后，用干净的丝绸进行擦拭；再用金属除锈溶剂浸泡清洗M50轴承钢材料15分钟，去除材料表面锈点；然后将其放入丙酮中，超声清洗30分钟后取出使用干净绸布擦干；最后用具有有机物清除功能的金属清洗剂浸泡清洗M50轴承钢材料15分钟，使金属试样表面不能有有机物残留，然后将处理过的M50轴承钢材料放入去离子水中，超声清洗20分钟后取出，逐个使用干净绸布擦洗、擦干并放置于烘箱中烘干15分钟，得到前处理过的M50轴承钢材料；然后将上述前处理过的M50轴承钢材料放到真空室工装台上，抽真空至真空度为3.0×10^-4Pa后，真空室工装台沿自身轴线匀速缓慢旋转的同时，用一体化离子注入设备对M50轴承钢材料进行表面强化，先用气体氩离子低能离子束清洗，然后高能离子束注入钇离子，接着高能离子束注入氮离子，然后高能离子束注入镧离子，然后交替离子注入金属锆离子和气体氮离子1次，接着大束流离子轰击处理在工件上同时加负偏压，最后采用高纯氩气保护冷却，其中，低能气体离子束清洗采用纯度为99.99％的氩气，离子束的引出电压为2kV，离子束清洗时间为20分钟，离子注入钇离子剂量为0.5×10¹⁷ions/cm²，高能离子注入氮离子时注入能量为80KeV，离子注入镧离子剂量为0.5×10¹⁷ions/cm²，其中交替注入金属锆离子和气体氮离子1次，离子注入气体氮离子采用纯度为99.99％的氮气，注入能量为100KeV，注入剂量为1.0×10¹⁷ions/cm²，注入金属锆离子采用99.98％的金属锆靶材，注入能量为60KeV，注入剂量为2.0×10¹⁷ions/cm²，大束流离子轰击处理在工件上加负偏压，时间为1小时，高纯氩气保护冷却时间为2小时，然后将强化处理后的M50轴承钢材料放入丙酮中清洗30分钟，并将其真空密封封存。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明采用低能大束流离子源扩渗处理，结合离子注入稀土元素和热扩散协同作用，对M50轴承钢进行表面性能强化，采用稀土元素增强了注入和渗氮效果，更精确地控制了热处理深度和注入深度，可以大幅度提高M50轴承钢材料的摩擦磨损、抗疲劳、耐腐蚀等综合性能。其还采用大束流离子束轰击处理增加注入元素的扩散深度和效率，注入和热处理一次完成，降低了热处理污染和高耗能，提高了处理效率。并且参考图3，对M50轴承钢和强化后的M50轴承钢进行纳米压痕硬度测试的结果表明，进行注渗协同强化表面性能后的M50轴承钢比未进行强化M50轴承钢的硬度提高20％以上，参考图4，对M50轴承钢与强化后的M50轴承钢进行摩擦磨损试验后的结果表明，进行注渗协同强化表面性能后的M50轴承钢比未进行强化M50轴承钢的抗摩擦磨损性能提高了近3倍。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种处理M50轴承钢的方法，其特征在于，包括：

(1)采用低能气体离子束对所述M50轴承钢进行清洗；

(2)采用高能离子束在步骤(1)得到的M50轴承钢表面注入第一稀土元素；

(3)采用高能离子束在步骤(2)得到的M50轴承钢表面注入碳和氮元素中的至少之一；

(4)采用高能离子束在步骤(3)得到的M50轴承钢表面注入第二稀土元素；

(5)采用低能大束流离子对步骤(4)得到的M50轴承钢进行轰击处理；

(6)采用高能离子束在步骤(5)得到的M50轴承钢表面交替注入金属离子和气体离子；

(7)在气体保护下对步骤(6)得到的M50轴承钢进行冷却处理，以便得到强化M50轴承钢，

其中，在步骤(6)中，所述气体离子为氮离子，注入气体离子过程采用纯度为99.99％的氮气源，注入能量为70KeV～100KeV，注入剂量为1.0×10¹⁷ions/cm²～4.0×10¹⁷ions/cm²，

所述金属离子为锆离子、钛离子、钽离子、铬离子或钼离子，注入金属离子采用纯度为99.98％的金属靶材，注入能量为50KeV～80KeV，注入剂量为1.2×10¹⁷ions/cm²～4.5×10¹⁷ions/cm²；

在步骤(7)中，所述气体为高纯氮气或高纯氩气，所述冷却处理的时间为1～3小时。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)～步骤(7)是采用一体化离子注入复合设备进行的，并且是在真空度为3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa条件下进行的。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述低能气体离子束采用纯度为99.99％的氩气源，离子束的引出电压为1～2kV，离子束清洗时间为20～30分钟。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)、(3)(4)中，所述高能离子束的注入能量分别独立地为70KeV～100KeV。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)和步骤(4)中，所述第一稀土元素和第二稀土元素分别独立地为钇、铈或镧。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤(2)和步骤(4)中，所述第一稀土元素和所述第二稀土元素的注入剂量分别独立地为0.5×10¹⁷ions/cm²。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述采用低能大束流离子对步骤(4)得到的M50轴承钢进行轰击处理的同时在所述步骤(4)得到的M50轴承钢上加正偏压或负偏压，轰击处理时间为1～3小时。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：在采用低能气体离子束对M50轴承钢进行清洗之前，预先对所述M50轴承钢表面进行去油脂、去锈点、去杂质、去有机物残留、超声清洗。

9.一种强化M50轴承钢，其特征在于，所述强化M50轴承钢是采用权利要求1～8中任一项所述的方法制备得到的。

10.一种轴承，其特征在于，所述轴承是采用权利要求9所述的强化M50轴承钢制备得到的。