本发明属于轴承加工技术领域，具体涉及一种提高滚动轴承疲劳寿命的轴承元件的加工处理工艺。
背景技术：
轴承是当代机械设备中一种非常重要零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。因此，轴承的应用相当广泛。按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。其中滚动轴承一般由外圈、内圈、滚动体和保持架四部分组成，严格的说是由外圈、内圈、滚动体、保持架、密封、润滑油六大件组成。简单来说，只要具备外圈、内圈、滚动体就可定义为滚动轴承。
滚动轴承是关键的机械部件，广泛应用于高档数控装备、交通运输工具、航天设别。高速电主轴等机床关键部件的大量使用，对滚动轴承的使用寿命、动态性能、精度等指标提出了很高的要求，而轴承的工作寿命是轴承性能的重要指标，国产滚动轴承的使用寿命与进口轴承尚存在较大差距，这与建设经济强国是不相称的。因此，必须大力研发长寿命高端轴承，成为长寿命高端轴承生产国与出口大国，成为轴承生产强国。例如中国专利cn201310217528x公开了一种滚动轴承套圈滚道离子注入与沉淀复合处理方法，该技术工艺通过对滚动轴承内外滚道采用进行处理，使得轴承的工作面硬度、抗磨损、耐腐蚀、抗疲劳性能得到显著提高，摩擦系数明显降低，从而非常有效地延长轴承使用寿命；通过提高轴承的工作面硬度以及降低摩擦系数，是一种简单高效的延长轴承使用寿命的方法，但是，高硬度轴承在工作过程中，接触载荷作用下易发生应力突变和应力集中，从而造成轴承中易出现微裂纹，并且微裂纹沿深度方向和长度方向扩展，从而导致轴承寿命的减少。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种提高滚动轴承疲劳寿命的轴承元件的加工处理工艺。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种提高滚动轴承疲劳寿命的轴承元件的加工处理工艺，具体加工方法如下：
1）将碳纤维均匀缠绕在高纯石墨制成的石墨框上，要保证碳纤维处于拉紧状态，并且碳纤维不会有破损，将形成的纤维预制体置于化学气相沉积反应炉内，先驱体源物质为丙烯，流量为10-15sccm，氩气为稀释气体，流量为80-100sccm，沉积温度为900-950℃，沉积时间4-6min，待处理结束后，将表面沉积有热解炭界面层的碳纤维预制体置于管式炉中，在氩气气氛中，1800-1830℃热处理1-2h，随炉冷却至室温，将碳纤维从石墨框取下，粉碎研磨后得到粒度为100-150nm的预处理碳纤维粉末；本发明中，通过将碳纤维缠绕在石墨框，然后在碳纤维表面沉积形成热解炭界面层，然后经过高温热处理，使得碳纤维表面光滑，并且纤维排列规则而有序；
2）将待处理滚动轴承元件置于超声波清洗机中，清洗介质为丙酮，清洗时间10-15min，清洗温度20-25℃，待清洗结束后放入加热炉中进行烘干加热，加热温度为200-230℃，加热时间30-50min，将加热后的轴承元件的温度维持在150-170℃，向高能喷丸机中弹丸仓内加入预处理碳纤维粉末，预处理碳纤维粉末的添加量占弹丸总重量的8-12%，弹丸的直径为0.8-1.2mm，然后对轴承元件进行喷丸处理，待喷丸结束后，再次对轴承元件进行超声清洗，得到预处理轴承元件；本发明中，通过向高能喷丸机的弹丸仓内添加制备的预处理碳纤维粉末，利用高能喷丸使弹丸冲击轴承元件表面，从而在轴承元件表面形成表面光滑的预处理碳纤维层；
3）将液态超支化聚碳硅烷（厦门大学提供）涂刷在预处理轴承元件表面，然后将其置于交联裂解炉中，抽真空置换高纯氩气3-4次，然后以1-2℃/min的升温速率升温至170-190℃，并保温处理5-6h，然后再以同样的升温速率升温至870-900℃，保温处理2-3h，随炉冷却至室温，再转移至cvi反应炉中，先驱体源物质为三氯甲基硅烷，稀释气体为氩气，流量为100-120sccm，载气为氢气，流量为20-30sccm，控制氢气与三氯甲基硅烷的摩尔比为8-10:1，浸渗温度为1130-1160℃，浸渗时间2-3h，随炉冷却至室温，得到半成品轴承元件；本发明中，通过在预处理轴承元件表面涂刷液态超支化聚碳硅烷，然后置于裂解炉中进行裂解处理，聚碳硅烷固化裂解过程中有大量小分子逸出，使得生成的陶瓷产物产生较大的体积收缩，造成陶瓷产物龟裂成大小不一的方块，形成的陶瓷方块可以将相邻的纤维连接在一起，从而提升了轴承元件表面碳纤维层的致密性；通过对碳纤维层进行浸渗碳化硅处理，从而在轴承元件表面形成碳/碳化硅复合层，通过浸渗碳化硅的改性处理，可以改善碳纤维与碳化硅之间的模量匹配程度，从而提高了复合层的强韧性以及强韧性的稳定性，形成的强韧性复合层可以承受并分散载荷作用，使得轴承元件的接触处不易萌生微裂纹，并且，随着碳纤维与碳化硅之间模量匹配程度的提升，使得复合层表面形成高模量区，复合层表面的基体模量要高于轴承元件内部的基体模量以及后续形成的沉积层的基体模量，使得产生的裂纹在穿过复合层时受到的阻力增大，从而提高了裂纹扩展阻力，降低了裂纹扩展速率，同时，轴承在工作过程中产生的热应力与复合层的基体模量梯度相互抵消，增大了裂纹扩展所消耗的能量，从而进一步抑制了裂纹的扩展；
4）采取氩离子束溅射沉积与磁过滤阴极弧等离子体共沉积技术，在半成品轴承元件表面形成沉积层，工作气压为1x10-1-2x10-1pa，温度为120-130℃，沉积时间130-150min，其中离子束溅射靶为α-氮化硅（纯度为99.99%），氩气（纯度为99.999%）流量控制在8-10sccm，溅射离子枪束流为50-70ma，磁过滤阴极弧靶材为钛靶（纯度为99.96%），反应气体采用氦、氩混合气（纯度均为99.999%），其中氩气流量7-9sccm，氦气流量为20-23sccm，出口线圈电流为1.5-1.8a，源头线圈电流为0.25-0.28a，磁过滤线圈电流为3-5a，阴极电流为70-75a，待处理结束后恢复常压、冷却，即可完成轴承元件的加工处理；本发明中，通过在轴承元件表面形成沉积层，形成的纳米沉积层可以对复合层起到保护作用，避免复合层与外界直接接触造成复合层的破损。
进一步，所述高能喷丸处理的工艺参数如下：喷嘴距离轴承元件的距离为40-50mm，空气压力为0.5-0.7mpa，喷丸时间100-130min。
进一步，所述液态超支化聚碳硅烷的平均分子式为-[sihrch2]n-，其中r为氢原子、烷基、烯基、炔基等有机基团，n为液态超支化聚碳硅烷的平均聚合度，且n≥3。
本发明相比现有技术具有以下优点：
针对滚动轴承在运行过程中，载荷作用下易造成滚动轴承元件出现微裂纹，从而影响轴承的疲劳寿命，本发明对轴承元件进行一系列的加工处理，在轴承元件的表面形成碳/碳化硅复合层，并且在复合层表面沉积形成纳米沉积层，形成的复合层具有强韧性，可以更好的承受并分散载荷作用，使得轴承元件的接触处不易萌生微裂纹，并且复合层表面形成高模量区，提高了裂纹的扩展阻力，降低了裂纹的扩展速率，同时，轴承在工作过程中产生的热应力与复合层的基体模量梯度相互抵消，增大了裂纹扩展所消耗的能量，进一步抑制了裂纹的扩展，从而使得轴承元件在运行过程中，在载荷作用下不易出现微裂纹的萌生以及扩展，从而使得滚动轴承的疲劳寿命得到显著提升。
具体实施方式
下面结合具体实施方法对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种提高滚动轴承疲劳寿命的轴承元件的加工处理工艺，具体加工方法如下：
1）将碳纤维均匀缠绕在高纯石墨制成的石墨框上，要保证碳纤维处于拉紧状态，并且碳纤维不会有破损，将形成的纤维预制体置于化学气相沉积反应炉内，先驱体源物质为丙烯，流量为10sccm，氩气为稀释气体，流量为80sccm，沉积温度为900℃，沉积时间4min，待处理结束后，将表面沉积有热解炭界面层的碳纤维预制体置于管式炉中，在氩气气氛中，1800℃热处理1h，随炉冷却至室温，将碳纤维从石墨框取下，粉碎研磨后得到粒度为100nm的预处理碳纤维粉末；
2）将待处理滚动轴承元件置于超声波清洗机中，清洗介质为丙酮，清洗时间10min，清洗温度20℃，待清洗结束后放入加热炉中进行烘干加热，加热温度为200℃，加热时间30min，将加热后的轴承元件的温度维持在150℃，向高能喷丸机中弹丸仓内加入预处理碳纤维粉末，预处理碳纤维粉末的添加量占弹丸总重量的8%，弹丸的直径为0.8mm，然后对轴承元件进行喷丸处理，待喷丸结束后，再次对轴承元件进行超声清洗，得到预处理轴承元件；
3）将液态超支化聚碳硅烷（厦门大学提供）涂刷在预处理轴承元件表面，然后将其置于交联裂解炉中，抽真空置换高纯氩气3次，然后以1℃/min的升温速率升温至170℃，并保温处理5h，然后再以同样的升温速率升温至870℃，保温处理2h，随炉冷却至室温，再转移至cvi反应炉中，先驱体源物质为三氯甲基硅烷，稀释气体为氩气，流量为100sccm，载气为氢气，流量为20sccm，控制氢气与三氯甲基硅烷的摩尔比为8:1，浸渗温度为1130℃，浸渗时间2h，随炉冷却至室温，得到半成品轴承元件；
4）采取氩离子束溅射沉积与磁过滤阴极弧等离子体共沉积技术，在半成品轴承元件表面形成沉积层，工作气压为1x10-1pa，温度为120℃，沉积时间130min，其中离子束溅射靶为α-氮化硅（纯度为99.99%），氩气（纯度为99.999%）流量控制在8sccm，溅射离子枪束流为50ma，磁过滤阴极弧靶材为钛靶（纯度为99.96%），反应气体采用氦、氩混合气（纯度均为99.999%），其中氩气流量7sccm，氦气流量为20sccm，出口线圈电流为1.5a，源头线圈电流为0.25a，磁过滤线圈电流为3a，阴极电流为70a，待处理结束后恢复常压、冷却，即可完成轴承元件的加工处理。
进一步，所述高能喷丸处理的工艺参数如下：喷嘴距离轴承元件的距离为40mm，空气压力为0.5mpa，喷丸时间100min。
进一步，所述液态超支化聚碳硅烷的平均分子式为-[sih1.6(ch3)0.2(ch2ch＝ch2)0.2-ch2]n-数均分子量为500，分散系数为3.8。
对照组：轴承元件不进行加工处理。
测试实验
轴承材料选择gcr15轴承钢，以6008深沟球轴承元件作为待处理轴承元件，分别采用实施例1和对照组的方法进行加工处理，从而获得轴承试样，轴承试样的主要几何参数如下：轴承直径68mm，轴承内径40mm，轴承宽度15mm，滚珠直径7.938mm，接触角0°，对轴承施加5000n径向载荷的作用，使用goodman平均应力修正法修正了轴承钢gcr15的s-n曲线，基于该曲线仿真得到了5000n径向载荷作用下滚动轴承的使用寿命，结果如下：实施例1的滚动轴承最小疲劳寿命为2.010x106转，对照组的滚动轴承承最小疲劳寿命为1.56x106转，实施例1相比较对照组，最小疲劳寿命提升了28.85%。
实施例2
一种提高滚动轴承疲劳寿命的轴承元件的加工处理工艺，具体加工方法如下：
1）将碳纤维均匀缠绕在高纯石墨制成的石墨框上，要保证碳纤维处于拉紧状态，并且碳纤维不会有破损，将形成的纤维预制体置于化学气相沉积反应炉内，先驱体源物质为丙烯，流量为12sccm，氩气为稀释气体，流量为90sccm，沉积温度为930℃，沉积时间5min，待处理结束后，将表面沉积有热解炭界面层的碳纤维预制体置于管式炉中，在氩气气氛中，1820℃热处理1.5h，随炉冷却至室温，将碳纤维从石墨框取下，粉碎研磨后得到粒度为150nm的预处理碳纤维粉末；
2）将待处理滚动轴承元件置于超声波清洗机中，清洗介质为丙酮，清洗时间12min，清洗温度20℃，待清洗结束后放入加热炉中进行烘干加热，加热温度为210℃，加热时间40min，将加热后的轴承元件的温度维持在160℃，向高能喷丸机中弹丸仓内加入预处理碳纤维粉末，预处理碳纤维粉末的添加量占弹丸总重量的10%，弹丸的直径为1.0mm，然后对轴承元件进行喷丸处理，待喷丸结束后，再次对轴承元件进行超声清洗，得到预处理轴承元件；
3）将液态超支化聚碳硅烷（厦门大学提供）涂刷在预处理轴承元件表面，然后将其置于交联裂解炉中，抽真空置换高纯氩气4次，然后以2℃/min的升温速率升温至180℃，并保温处理2.5h，然后再以同样的升温速率升温至880℃，保温处理2.5h，随炉冷却至室温，再转移至cvi反应炉中，先驱体源物质为三氯甲基硅烷，稀释气体为氩气，流量为110sccm，载气为氢气，流量为25sccm，控制氢气与三氯甲基硅烷的摩尔比为9:1，浸渗温度为1150℃，浸渗时间2.5h，随炉冷却至室温，得到半成品轴承元件；
4）采取氩离子束溅射沉积与磁过滤阴极弧等离子体共沉积技术，在半成品轴承元件表面形成沉积层，工作气压为1.5x10-1pa，温度为125℃，沉积时间140min，其中离子束溅射靶为α-氮化硅（纯度为99.99%），氩气（纯度为99.999%）流量控制在9sccm，溅射离子枪束流为60ma，磁过滤阴极弧靶材为钛靶（纯度为99.96%），反应气体采用氦、氩混合气（纯度均为99.999%），其中氩气流量8sccm，氦气流量为21sccm，出口线圈电流为1.6a，源头线圈电流为0.26a，磁过滤线圈电流为4a，阴极电流为72a，待处理结束后恢复常压、冷却，即可完成轴承元件的加工处理。
进一步，所述高能喷丸处理的工艺参数如下：喷嘴距离轴承元件的距离为45mm，空气压力为0.6mpa，喷丸时间110min。
进一步，所述液态超支化聚碳硅烷的平均分子式为-[sih1.6(ch3)0.2(ch2ch＝ch2)0.2-ch2]n-数均分子量为500，分散系数为3.8。
对照组：轴承元件不进行加工处理。
测试实验
轴承材料选择gcr15轴承钢，以6008深沟球轴承元件作为待处理轴承元件，分别采用实施例1和对照组的方法进行加工处理，从而获得轴承试样，轴承试样的主要几何参数如下：轴承直径68mm，轴承内径40mm，轴承宽度15mm，滚珠直径7.938mm，接触角0°，对轴承施加5000n径向载荷的作用，使用goodman平均应力修正法修正了轴承钢gcr15的s-n曲线，基于该曲线仿真得到了5000n径向载荷作用下滚动轴承的使用寿命，结果如下：实施例2的滚动轴承最小疲劳寿命为2.022x106转，对照组的滚动轴承承最小疲劳寿命为1.56x106转，实施例2相比较对照组，最小疲劳寿命提升了29.62%。
实施例3
一种提高滚动轴承疲劳寿命的轴承元件的加工处理工艺，具体加工方法如下：
1）将碳纤维均匀缠绕在高纯石墨制成的石墨框上，要保证碳纤维处于拉紧状态，并且碳纤维不会有破损，将形成的纤维预制体置于化学气相沉积反应炉内，先驱体源物质为丙烯，流量为15sccm，氩气为稀释气体，流量为100sccm，沉积温度为950℃，沉积时间6min，待处理结束后，将表面沉积有热解炭界面层的碳纤维预制体置于管式炉中，在氩气气氛中，1830℃热处理2h，随炉冷却至室温，将碳纤维从石墨框取下，粉碎研磨后得到粒度为150nm的预处理碳纤维粉末；
2）将待处理滚动轴承元件置于超声波清洗机中，清洗介质为丙酮，清洗时间15min，清洗温度25℃，待清洗结束后放入加热炉中进行烘干加热，加热温度为230℃，加热时间50min，将加热后的轴承元件的温度维持在170℃，向高能喷丸机中弹丸仓内加入预处理碳纤维粉末，预处理碳纤维粉末的添加量占弹丸总重量的12%，弹丸的直径为1.2mm，然后对轴承元件进行喷丸处理，待喷丸结束后，再次对轴承元件进行超声清洗，得到预处理轴承元件；
3）将液态超支化聚碳硅烷（厦门大学提供）涂刷在预处理轴承元件表面，然后将其置于交联裂解炉中，抽真空置换高纯氩气4次，然后以2℃/min的升温速率升温至190℃，并保温处理6h，然后再以同样的升温速率升温至900℃，保温处理3h，随炉冷却至室温，再转移至cvi反应炉中，先驱体源物质为三氯甲基硅烷，稀释气体为氩气，流量为120sccm，载气为氢气，流量为30sccm，控制氢气与三氯甲基硅烷的摩尔比为10:1，浸渗温度为1160℃，浸渗时间3h，随炉冷却至室温，得到半成品轴承元件；
4）采取氩离子束溅射沉积与磁过滤阴极弧等离子体共沉积技术，在半成品轴承元件表面形成沉积层，工作气压为2x10-1pa，温度为130℃，沉积时间150min，其中离子束溅射靶为α-氮化硅（纯度为99.99%），氩气（纯度为99.999%）流量控制在10sccm，溅射离子枪束流为70ma，磁过滤阴极弧靶材为钛靶（纯度为99.96%），反应气体采用氦、氩混合气（纯度均为99.999%），其中氩气流量9sccm，氦气流量为23sccm，出口线圈电流为1.8a，源头线圈电流为0.28a，磁过滤线圈电流为5a，阴极电流为75a，待处理结束后恢复常压、冷却，即可完成轴承元件的加工处理。
进一步，所述高能喷丸处理的工艺参数如下：喷嘴距离轴承元件的距离为50mm，空气压力为0.7mpa，喷丸时间130min。
进一步，所述液态超支化聚碳硅烷的平均分子式为-[sih1.6(ch3)0.2(ch2ch＝ch2)0.2-ch2]n-数均分子量为500，分散系数为3.8。
对照组：轴承元件不进行加工处理。
测试实验
轴承材料选择gcr15轴承钢，以6008深沟球轴承元件作为待处理轴承元件，分别采用实施例1和对照组的方法进行加工处理，从而获得轴承试样，轴承试样的主要几何参数如下：轴承直径68mm，轴承内径40mm，轴承宽度15mm，滚珠直径7.938mm，接触角0°，对轴承施加5000n径向载荷的作用，使用goodman平均应力修正法修正了轴承钢gcr15的s-n曲线，基于该曲线仿真得到了5000n径向载荷作用下滚动轴承的使用寿命，结果如下：实施例2的滚动轴承最小疲劳寿命为2.029x106转，对照组的滚动轴承承最小疲劳寿命为1.56x106转，实施例2相比较对照组，最小疲劳寿命提升了30.06%。
通过上述试验结果可知，本发明提供的加工工艺，通过对轴承元件进行加工处理，可以有效的提高轴承的使用寿命。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。