CN107723684A - 基于等离子体技术的缸套内表面多元非金属层制备方法 - Google Patents

基于等离子体技术的缸套内表面多元非金属层制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于等离子体技术的缸套内表面多元非金属层制备方法，该方法以真空室为基础条件实施的，其操作步骤如下：首先将清洁的缸套套装到真空室内的接地台配置的电极上，电极与缸套同轴套合，关闭真空室抽真空，引入氮气或氩气，待真空室气压升至设定值时，温控系统控制加热器升温，再引入包括含硅、硼或碳元素等工作气体，在真空条件下电源及控制系统进入辉光放电处理程序，放电处理结束电源及控制系统便断开电源，停止供气，待降温后打开真空室取出缸套。缸套处在充满数种混合工作气体之中，在这特定工艺条件下将缸套内表面复合一层多元非金属，该非合金层组织稳定，高抗氧化，同时耐磨、耐蚀性能好，特别适合大规格缸套强化处理应用。

Description

基于等离子体技术的缸套内表面多元非金属层制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属表面处理方法，具体地讲，本发明涉及一种缸套内表面多元非金属层制备方法，特别是基于等离子体技术的缸套表面多元非金属层制备方法，该技术属于等离子体表面工程技术领域。
背景技术
缸套与活塞配合是一种典型的运动摩擦副，其耐磨性能是评价缸套与活塞配合质量的主要指标之一，在很大程度上也客观反映配套发动机的使用寿命期和运动效率优劣。长期以来，发动机制造业围绕提高缸套耐磨性展开了许多方面的技术研究，先后提出多种有效的表面处理技术方案，其中与本发明相关并具有代表性的现有技术如下表所示：
相关并且有代表性的现有技术一览表
当今，在实际生产中应用的工艺主要有表面氮化、三元共渗、挤压碳化硅、表面喷涂、表面松孔镀铬、电子束表面热处理、高频淬火、激光淬火和平顶网纹珩磨等，这些技术方案都是通过表面处理来改善金属部件的摩擦面物理性能，对提高缸套的耐磨性均有积极作用，可在一定程度上延长发动机的使用寿命。但是，这些新技术在应用中也暴露出一些实际问题。例如，表面化学处理类的技术普遍要给待处理的缸套加热，高温加热一方面增加生产能耗和工时，另一方面易造成缸套热变形，增加废品率。另外，镀铬、镀铜虽然不要给待加工的缸套加热，但生产过程中存在严重的环境污染问题。表面物理处理类技术方案种类较多，但有一个共同点就是没有加热程序，其不足主要是新得到的表面与基体结合牢度不够，运动时一旦发生零星表面层脱落，便加快缸套的磨损。平顶网纹珩磨工艺较先进，制成产品的耐磨效果改善明显，其不足是工艺操控难度大，不适合规模化生产应用。高频淬火、激光淬火和电子束淬火均属较先进的表面处理技术，但配套设备相对复杂，投资设备及生产成本大。总的来说，现有技术对提高缸套的耐磨性均有积极效果，但不够全面，远达不到用户期待的要求。
发明内容
本发明主要针对现有技术的不足，提出一种基于等离子体技术的缸套内表面多元非金属层制备方法，该方法利用射频容性耦合辉光放电产生的等离子体对缸套表面进行处理，在缸套内表面形成含有多种元素的微薄非金属层，即陶瓷层，此陶瓷层具有优异的摩擦学表面，显著提高缸套内表面的耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性。
本发明通过下述技术方案实现技术目标。
一种基于等离子体技术的缸套内表面多元非金属层制备方法，该方法以真空室和等离子体辉光放电为基础条件实施的，其特征在于：操作步骤按下列工序进行：
1﹒1洁净缸套
用溶剂清洗缸套上的油污渍；
1﹒2往真空室内安放缸套
打开配套的真空室，将缸套安放在真空室内置金属电极的接地台上，缸套与金属电极同轴相套，两者之间预留放电空间；
1﹒3抽气
关闭真空室，打开抽气系统，在真空测量系统控制下抽本底真空至10－2～5Pa;
1﹒4引入氮气或氩气
待真空室内形成本底真空后，引入氮气或氩气；
1﹒5加热
待真空室气压升至50～1000Pa时，温控系统控制加热器升温，真空室内温度维持在100～350℃；
1﹒6 引入工作气体
待温度达到设定值后按需引入工作气体；
1﹒7等离子体放电处理
电源及控制系统自动进入辉光放电处理程序，在真空条件下金属电极与缸套之间产生等离子体辉光放电，持续放电时长1.0～4.0h，放电功率300～10000W，放电频率2～60MHz；
1﹒8处理完毕
放电处理结束后，电源及控制系统自动断开电源，进气系统也停止供气；
1﹒9取出缸套
待真空室内温度降至50℃以下，打开真空室取出缸套。
作为进一步的改进方案，所述电极为圆柱状金属电极，电极和缸套的截面形状相同，但直径不等，同轴套合后两者之间预留相等的径向放电空间，单边径向相间尺寸至少时10mm，电极至少比缸套长50mm。
作为进一步的改进方案，所述接地圆柱状金属电极可以竖直安置在真空室中，也可以是水平放置在真空室中。这样气缸亦可竖直或水平安放在样品台上。
作为进一步的改进方案，所述工作气体包括CH4、C2H2、SiH4、Si(CH3)4、BCl4、B2H2、N2、NH3、H2和Ar。
作为进一步的改进方案，所述工作气体中的SiH4、Si(CH3)4用氮气或氢气稀释，稀释浓度小于5%；BCl4、B2H2用氮气或氢气稀释，稀释浓度小于2%。
作为进一步改进方案，所述工作气体至少由三种混合输入到真空室。
作为进一步的改进方案，其特征在于：所述工作气体因种类不同，引入流量有差别，具体量按下列范围内选择：
N2 =0- 500 sccm
H2 =0- 300 sccm
NH3 =0- 500 sccm
Ar= 0-20 sccm
含碳气体=0- 50 sccm
含硼气体=0- 100 sccm
含硅气体=0-100 sccm。
作为进一步的改进方案，所述工作气体中含碳、硅和硼气体的浓度比为
CH4、SiH4/Si(CH3)4和BCl4/B2H2的浓度比为0.1:1:4～ 5:1:0.3，SiH4/Si(CH3)4和BCl4/B2H2的浓度比为1:4～ 4:1，CH4和SiH4/Si(CH3)4的浓度比为5:1～ 1:1。
本发明与现有技术相比，具有以下积极效果：
1、利用等离子体技术在缸套内表面制备含有多种元素的微薄非金属层，即陶瓷层，此工艺过程简便，可操作性强，易实现工业化生产；
2、缸套内表面在等离子体工况下制备含有多种元素的微薄非金属层，工作温度在300℃以下，低温加热不会造成缸套变形，特别适合有高精度要求的缸套生产；
3、制备过程中有针对性地往真空室内有针对性地注入工作气体，并利用射频放电的容性耦合模式产生等离子体，使工作气体被分解和电离，形成大量带电或不带电的活性粒子，这些活性料子与缸套内表面金属相互作用和涉透，直接改变缸套内表面金属化学成分、微结构和应力状态，形成具有优异性能的摩擦学表面，大大提升缸套内表面的耐磨、耐蚀性能。再加上带电的活性粒子具有双向扩散特点，故缸套内表面与复合的微薄非金属层结合强度高；
4、本发明应用的等离子体表面工程技术配套的工作气体至少由三种组成，可以按需调节非金属层的物理性能。
5、本发明应用的等离子体表面工程技术可调工艺要素较多，合成的非金属层物理性能可按需调控，可以适应不同的应用要求；
6、本发明实际应用过程中无超标污染物排放，属于绿色环保生产范畴。
附图说明
图1是本发明方框原理图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明。
本发明是一种基于等离子体技术的缸套内表面多元非金属层制备方法，该方法以图1所示的真空室及其配套系统为基础条件实施的，它利用射频放电的容性耦合模式产生等离子体，在缸套表面的制备微薄的Si/B/C/N陶瓷层，具体操作步骤按下列工序进行：
1、洁净缸套
用溶剂清洗缸套上的油污渍。
2、往真空室内安放缸套
取用清洗后不超过24h的缸套，打开配套的真空室，将缸套安放在真空 室内的接地台上，缸套与金属电极同轴套合，两者之间周边预留放电空间。 本实施例中缸套内直径为127mm，长260mm。圆柱状金属电极外直径为 100mm，长400mm。因缸套同轴套合圆柱状金属电极，两者之间预留相等的径 向放电空间，单边径向相间尺寸为13.5mm。
3、抽气
关闭真空室，打开抽气系统，在真空测量系统控制下抽本底真空，本实施例抽本底真空至10－2～10－1Pa;
4引入氮气或氩气
待真空室内形成本底真空后，引入氮气或氩气。
5、加热
本实施例待真空室气压升至50～150Pa时，温控系统控制加热器升温，本实施例真空室内温度维持在200℃±5℃。
6、引入工作气体
待温度稳定后即一并往真空室内引入五种工作气体，本实施例引入工作气体有N2、Ar、CH4、B2H2、SiH4，其中N2的流量为50sccm、Ar的流量为4sccm、CH4的流量为5sccm、B2H2的流量为10sccm、SiH4为流量为10 sccm。
7、等离子体放电处理
待真空室内温度稳定在设定参数范围内，电源及控制系统自动进入辉光放电处理程序，即利用射频放电的容性耦合模式产生等离子体。本实施例缸套内径为127mm，内表面复合5.0μm±1.0µm厚的Si/B/C/N陶瓷层，在验证的基础上确定圆柱状金属电极持续放电时长1.5h，放电功率500W，放电频率13.56MHz。
8、处理完毕
放电处理结束后，电源及控制系统自动断开电源，电极、接地台和加热器暂停运行，进气系统也停止供气；
9、取出缸套
待真空室内温度降至50℃以下，打开真空室取出缸套。
本发明合理利用等离子体表面工程技术，将金属电极外壁与缸套内壁之间充满五种工作气体，在真空条件下辉光放电产生等离子体，在这特定的工艺条件下，在缸套内表面均匀复合微薄一层陶瓷。本实施例真空室内置的工作气体富含多种元素，因此复合而成的是一种Si/B/C/N陶瓷层，这种Si/B/C/N陶瓷层是至今公开报道的具有最低氧化速率的非氧化物材料，而且自润滑、耐磨、耐腐蚀性能特好，高温稳定性也很好，其分解温度高达1600～1800℃。另外Si/B/C/N陶瓷层还具有较低的密度，这种特性的材料尤其适合应用于极端工况中，例如大功率涡轮机最具有应用价值。本发明通过辉光放电等离子体实现了在缸套内表面上复合一层微薄的陶瓷层，该工况下缸套内表面在非金属层复合过程中具有双向扩散特点，故复合的非金属层与缸套内表面有很强的结合力，而且这种复合质量十分稳定、可靠。
本发明应用的等离子体工程技术可调工艺要素较多，例如引入的工作气 体、放电时长、放电频率、放电功率、配比等参数均可调。通过合理搭配可 按需调控复合的非金属层成分，以适应不同应用要求。上述要素在本发明许 可范围内可按需调整，只要制备方法不变均能得到理想效果。为了不重复叙 述，实施例2～4通过列表形式说明如下：

Claims (8)

1.一种基于等离子体技术的缸套内表面多元非金属层制备方法，该方法以真空室和等离子体辉光放电为基础条件实施的，其特征在于操作步骤按下列工序进行：
1﹒1洁净缸套
用溶剂清洗缸套上的油污渍；
1﹒2往真空室内安放缸套
打开配套的真空室，将缸套安放在真空室内置金属电极的接地台上，缸套与金属电极同轴相套，两者之间预留放电空间；
1﹒3抽气
关闭真空室，打开抽气系统，在真空测量系统控制下抽本底真空至10－2～5Pa;
1﹒4引入氮气或氩气
待真空室内形成本底真空后，引入氮气或氩气；
1﹒5加热
待真空室气压升至50～1000Pa时，温控系统控制加热器升温，真空室内温度维持在100～350℃；
1﹒6 引入工作气体
待温度达到设定值后按需引入工作气体；
1﹒7等离子体放电处理
电源及控制系统自动进入辉光放电处理程序，在真空条件下金属电极与缸套之间产生等离子体辉光放电，持续放电时长1.0～4.0h，放电功率300～10000W，放电频率2～60MHz；
1﹒8处理完毕
放电处理结束后，电源及控制系统自动断开电源，进气系统也停止供气；
1﹒9取出缸套
待真空室内温度降至50℃以下，打开真空室取出缸套。
2.根据权利要求1所述的基于等离子体技术的缸套内表面多元非金属层制备方法，其特征在于：所述电极为圆柱状金属电极，电极和缸套的截面形状相同，但直径不等，同轴套合后两者之间周边预留相等的径向放电空间，单边径向相间尺寸至少10mm，电极至少比缸套长50mm。
3.根据权利要求1所述的基于等离子体技术的缸套内表面多元非金属层制备方法，其特征在于：所述接地圆柱状金属电极可以竖直安置在真空室中，也可以是水平放置在真空室中，
这样气缸亦可竖直或水平安放在样品台上。
4.根据权利要求1所述的基于等离子体技术的缸套内表面多元非金属层制备方法，其特征在于：所述工作气体包括CH4、C2H2、SiH4、Si(CH3)4、BCl4、B2H2、N2、NH3、H2和Ar。
5.根据权利要求1所述的基于等离子体技术的缸套内表面多元非金属层制备方法，其特征在于：所述工作气体中的SiH4、Si(CH3)4用氮气或氢气稀释，稀释浓度小于5%；BCl4、B2H2用氮气或氢气稀释，稀释浓度小于2%。
6.根据权利要求1或权利要求5所述的基于等离子体技术的缸套内表面多元非金属层制备方法，其特征在于：所述工作气体至少由三种混合输入到真空室。
7.根据权利要求1或权利要求5所述的基于等离子体技术的缸套内表面多元非金属层制备方法，其特征在于：所述工作气体因种类不同，引入流量有差别，具体流量按下列范围内选择：
N2 =0- 500 sccm
H2 =0- 300 sccm
NH3 =0- 500 sccm
Ar= 0-20 sccm
含碳气体=0- 50 sccm
含硼气体=0- 100 sccm
含硅气体=0-100 sccm。
8.根据权利要求1所述的基于等离子体技术的缸套内表面多元非金属层制备方法，其特征在于：所述工作气体中含碳、硅和硼气体的浓度比为：
CH4、SiH4/Si(CH3)4和BCl4/B2H2的浓度比为0.1:1:4～ 5:1:0.3，SiH4/Si(CH3)4和BCl4/B2H2的浓度比为1:4～ 4:1，CH4和SiH4/Si(CH3)4的浓度比为5:1～ 1:1。
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