CN116288141A - 一种类气门盘复杂型面表面梯度陶瓷层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种类气门盘复杂型面表面梯度陶瓷层及其制备方法。属于柴油发动机使用技术领域。本发明在气门的盘锥面使用双层辉光等离子表面冶金法，通过在气门的盘锥面原位制备得到6～10μm的TiN梯度陶瓷层，达到表面强化的目的。本发明基于双层辉光等离子体放电工艺参数的改进与模拟设计，解决了向复杂型面原位制备TiN梯度陶瓷涂层的工艺难题，为气门盘锥面表面强化提供了新方法与思路，并且确定了具体工艺参数；所制得的陶瓷层，结合强度大，表面致密性好、孔隙率低，更能满足高性能发动机对气门表面耐高温磨损的需求，进而提升发动机的整体性能。
Description
技术领域
本发明属于柴油发动机使用技术领域，用于复杂型面的表面强化方式，具体是涉及了一种类气门盘复杂型面表面梯度陶瓷层及其制备方法。
背景技术
气门是发动机工作过程中密封进排气口的关键基础零件，在封锁气流、控制发动机气体交换起着至关重要的作用。气门工作在全车环境温度最高最恶劣的地方，承受着燃烧室释放的大量热量，面临着严重的热负荷和极大的磨损风险。目前，我国民用重卡柴油发动机以及坦克等装甲车辆军事载具性能不断提升，对柴油发动机提出了更高的服役要求，发动机气门盘锥面表面强化已成为新一代装备亟需解决的关键问题。
传统的气门表面强化技术往往需要将合金粉末与基体表面迅速加热后冷却，影响了渗层的性质，气门盘锥面表面不均匀致密，会有裂纹和气孔出现。为了提升气门盘锥面的各方面性能，研发与改进盘锥面的表面强化技术尤为重要。
双层辉光等离子表面强化技术，具有渗速快、材料选择范围广及呈梯度分布等优点，比较适合发动机气门盘锥面的表面强化处理，且具有可进行大面积处理、源极靶材消耗少、工艺过程无环境污染等优点。可通过调整工艺参数，优化材料配比，对渗层厚度、硬度和深度进行调控，实现增强发动机气门的高温耐磨性、抗高温氧化性以及抗高温腐蚀性。
发明内容
发明目的：本发明目的是为了解决类气门锥面复杂型面表面强化困难的问题，并且为了提升气门的强度、耐高温耐磨损性能，本发明将双层辉光等离子冶金技术应用于类气门盘复杂曲面的表面强化，提供一种高精度、无气孔无裂纹、无污染、节能环保的类气门盘复杂曲面表面强化技术和工艺，并为气门盘锥面的涂层制备提供新的思路。
技术方案：本发明所述的一种类气门盘复杂型面表面梯度陶瓷层的制备方法；设计了一种工装结构，包括气门、盘锥面和仿形靶材，并且使用双层辉光等离子法进行表面处理，最终在类气门盘复杂曲面表面制备出TiN梯度陶瓷涂层。
进一步的，所述仿形靶材是依据待渗部位盘锥面的形状制备的，其内部曲率与盘锥面曲率完全相同，其厚度与盘锥面曲率不为0的部分相同，通过使用仿形靶材作为源极可使得源极溅射量增大，且制备出的渗层厚度均匀，平整，可成功解决类气门盘复杂曲面的表面强化困难问题。
进一步的，所述TiN梯度陶瓷层的具体制备步骤如下：
(1)、对气门进行超声处理，将气门放入超声清洗机中，使得气门底部的盘锥面完全浸没在酒精或丙酮中，进行1～2次超声清洗，每次处理20～30min，处理完成后烘干；
(2)、用双辉光等离子设备对试样进行预氮化处理；
(3)、进行双辉等离子渗Ti；
(4)、后氮化处理，在维持上述渗Ti过程，通入氮气原位生成TiN涂层。
进一步的，在步骤(2)中，所述预氮化工艺及参数为：不设置源极，工件极电压700V，采用氨气+氩气气氛，且流量比氨气：氩气＝2:3，气压50～60Pa，预氮化保温时间为6～10h。
进一步的，在步骤(3)中，所述进行双辉等离子渗Ti的具体步骤如下：
(3.1)、将气门及其底部的盘锥面、仿形靶材使用脱脂棉蘸少许酒精擦拭并晾干，设置气门及盘锥面为阴极，仿形靶材为源极，放入双辉设备中，设置其极间距为12～15mm；
(3.2)、打开机械泵抽气至0.2Pa以下，通入高纯氩气使流量稳定在75～90sccm，调整机械泵挡板阀使腔室内气压稳定在25～30Pa；
(3.3)、调节源极电压为930～970V，阴极电压为600～650V，工作温度为800℃，稳定保温1.5～2h。
进一步的，在步骤(4)中，所述后氮化处理具体是：在步骤(3)的过程结束后，保持阴极和源极电压不变，氩气和氨气的流量比为1：1.0～3.0，气压为40～50Pa，此过程维持时间1.5～2h。
有益效果：本发明与现有技术相比，本发明的特点:1、形成成分梯度的改性层，最外层的源极材料成分含量可达以上并随深度梯度递减，使改性层有良好的协调变形能力，无气孔无裂纹，表面精度高，解决了现有气门盘锥面表面改性技术制得改性层在承载条件下开裂、剥落，使盘锥面易发生腐蚀的问题；2、设计的仿形靶材曲率与工件曲面曲率完全一致，可使各处极间距均匀相等，增大源极溅射量，在复杂曲面基体上制备出的涂层均匀且致密性良好，拥有较佳的性能，为气门盘锥面表面强化提供新思路；3、制得的氮化钛梯度陶瓷层，在高温下钛元素与元素氮反应在其表面原位生成硬质的钛的氮化物，制备得到的氮化钛涂层具有高的硬度、良好的耐磨性能以及耐高温性能；4、材料选择范围宽，所有导电材料均作为源极材料；源极靶材消耗少；采用的设备简单，可控性强，易于操作，适用范围广。
附图说明
图1为本发明设计的工装结构截面示意图；
图2为本发明制备涂层的SEM截面图；
其中：1是气门，2是盘锥面，3是仿形靶材。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明做出进一步说明。
如图所述，本发明采用双层辉光等离子表面冶金技术在气门盘锥面制备一层TiN梯度陶瓷层，首先对基体工件进行预氮化处理后；在基体表层一定范围内引起晶格畸变，降低铁原子被置换的激活能，有利于铬原子向基体内的扩散，再利用双辉等离子渗金属技术在其表面渗入Ti，最后对其表面进行氮化处理，在其表面原位形成梯度TiN陶瓷涂层，能有效提高气门盘锥面的硬度和耐高温等性能。
进一步的，一种类气门盘复杂型面表面梯度陶瓷层的制备方法，其具体制备步骤如下：
(1)、将气门1及其底部外表面的盘锥面2、仿形靶材3作为供给欲渗镀金属Ti的源极；
(2)、先通入氨气、氩气进行预氮化过程，再抽真空到0.2Pa以下；
(3)、在阴极和源极上加入高电压，溅射出Ti原子并沉积在气门盘表面，同时加热气门工件至800℃左右，借助扩散过程渗入金属元素Ti，保温结束后表面会形成数Ti沉积层和扩散层；
(4)、然后再通入氨气与氩气的混合气体，进行Ti、N共渗，在基体表面原位合成TiN梯度陶瓷涂层。
进一步的，步骤(2)中，通过预氮化采用氨气+氩气气氛，氨气：氩气＝2:3，气压50～60Pa；预氮化保温时间为6～10h；
进一步的，步骤(3)的具体操作步骤如下：
(3.1)、将气门1及其底部外表面的盘锥面2、仿形靶材3使用脱脂棉蘸少许酒精擦拭并晾干，设置气门1、盘锥面2为阴极，仿形靶材3为源极，放入双辉设备中，设置其极间距为12～15mm；
(3.2)、打开机械泵抽气至0.2Pa以下，通入高纯氩气使流量稳定在75～90sccm，调整机械泵挡板阀使腔室内气压稳定在25～30Pa；
(3.3)、调节源极电压为930～970V，阴极电压为600～650V，工作温度为800℃，稳定保温1.5～2h。
进一步的，在步骤(4)中，在步骤(3)的过程结束后，保持阴极和源极电压不变，氩气和氨气的流量比为1：1.0～3.0，气压为40～50Pa，此过程维持时间1.5～2h。
实施例1
如图1所示，本发明所述的一种类气门盘复杂型面表面梯度陶瓷层的制备方法，其具体制备步骤如下：
(1)、对气门1进行超声处理，将气门1放入超声清洗机中，使得其底部外壁的盘锥面2完全浸没在酒精或丙酮中，进行1～2次超声清洗，每次处理20～30min，处理完成后烘干；
(2)、用双辉光等离子设备对试样进行预氮化处理；
将试样使用01#、03#、05#砂纸依次打磨后，使用07#砂纸抛光，之后使用脱脂棉擦拭结晶后，放入双辉设备中，不设置源极，通入氨气与氩气流量比为2:3的混合气体，氨气流量40sccm，氩气流量60sccm，调节挡板阀使得气压为55Pa，之后调节阴极电压至700V，保温8h；
(3)、进行双辉等离子渗Ti；
(3.1)、将气门1、其底部外壁的盘锥面2和仿形靶材3使用脱脂棉蘸少许酒精擦拭并晾干，设置气门1及其底部外壁的盘锥面2为阴极，仿形靶材3为源极，放入双辉设备中，设置其极间距为13mm；
(3.2)、打开机械泵抽气至0.1Pa，通入高纯氩气使流量稳定在90sccm，调整机械泵挡板阀使腔室内气压稳定在30Pa；
(3.3)、调节源极电压为970V，阴极电压为650V，工作温度为800℃，稳定保温2h；
(4)、后氮化处理，在维持上述渗Ti过程，通入氮气原位生成TiN涂层；
在步骤(3)过程结束后，保持阴极和源极电压不变，调整氩气流量为30sccm，氨气流量为80sccm，气压为49Pa，此过程维持时间2h；保温结束后，降低源极与阴极电压至零，关闭电源及设备，待冷却后取出试样。
如图2为制得TiN涂层SEM截面图，制得TiN梯度陶瓷层的厚度为7.74μm；测量其硬度平均值为1063.4HV，经700℃高温摩擦磨损试验可得在500g载荷下得到涂层的摩擦系数稳定在0.6左右且摩擦系数曲线平稳无突变，磨痕深度较基体减小1/2，磨损体积为20.65×10-3mm3，磨损量降低至基体的1/3。
实施例2
本发明所述的一种类气门盘复杂型面表面梯度陶瓷层的制备方法，其具体制备步骤如下：
(1)、对气门1进行超声处理，将气门1放入超声清洗机中，使得其底部外壁的盘锥面2完全浸没在酒精或丙酮中，进行1～2次超声清洗，每次处理20～30min，处理完成后烘干；
(2)、用双辉光等离子设备对试样进行预氮化处理；
将试样使用01#、03#、05#砂纸依次打磨后，使用07#砂纸抛光，之后使用脱脂棉擦拭结晶后，放入双辉设备中，不设置源极，通入氨气与氩气流量比为2:3的混合气体，氨气流量50sccm，氩气流量75sccm，调节挡板阀使得气压为56Pa，之后调节阴极电压至700V，保温7h；
(3)、进行双辉等离子渗Ti；
(3.1)、将气门1及其底部外壁的盘锥面2、仿形靶材3使用脱脂棉蘸少许酒精擦拭并晾干，设置气门1及其底部外壁的盘锥面2为阴极，仿形靶材3为源极，放入双辉设备中，设置其极间距为15mm；
(3.2)、打开机械泵抽气至0.1Pa，通入高纯氩气使流量稳定在79sccm，调整机械泵挡板阀使腔室内气压稳定在30Pa；
(3.3)、调节源极电压为970V，阴极电压为630V，工作温度为800℃，稳定保温2h；
(4)、后氮化处理，在维持上述渗Ti过程，通入氮气原位生成TiN陶瓷涂层；
在步骤(3)过程结束后，保持阴极和源极电压不变，调整氩气流量为40sccm，氨气流量为40sccm，气压为45Pa，此过程维持时间2h。保温结束后，降低源极与阴极电压至零，关闭电源及设备，待冷却后取出试样；
制得TiN梯度陶瓷涂层的厚度为8.3μm；测量其硬度平均值为1028.9HV，经700℃高温摩擦磨损试验可得在500g载荷下得到涂层的摩擦系数稳定在0.6左右且摩擦系数曲线平稳无突变，磨痕深度较基体减小约1/2，磨损体积为20.58×10-3mm3，磨损量约降低至基体的1/3。
实施例3
本发明所述的一种类气门盘复杂型面表面梯度陶瓷层的制备方法，其具体制备步骤如下：
(1)、对气门1进行超声处理，将气门1放入超声清洗机中，使得其底部外壁的盘锥面2完全浸没在酒精或丙酮中，进行1次超声清洗，处理30min，处理完成后烘干；
(2)、用双辉光等离子设备对试样进行预氮化处理；
将试样使用01#、03#、05#砂纸依次打磨后，使用07#砂纸抛光，之后使用脱脂棉擦拭结晶后，放入双辉设备中，不设置源极，通入氨气与氩气流量比为2:3的混合气体，氨气流量50sccm，氩气流量75sccm，调节挡板阀使得气压为60Pa，之后调节阴极电压至700V，保温8h；
(3)、进行双辉等离子渗Ti；
(3.1)、将气门1及其底部外壁的盘锥面2和仿形靶材3使用脱脂棉蘸少许酒精擦拭并晾干，设置气门1及其底部外壁的盘锥面2为阴极，仿形靶材3为源极，放入双辉设备中，设置其极间距为14mm；
(3.2)、打开机械泵抽气至0.1Pa，通入高纯氩气使流量稳定在90sccm，调整机械泵挡板阀使腔室内气压稳定在26Pa；
(3.3)、调节源极电压为960V，阴极电压为610V，工作温度为800℃，稳定保温2h；
(4)、后氮化处理，在维持上述渗Ti过程，通入氮气原位生成TiN涂层；
在步骤(3)过程结束后，保持阴极和源极电压不变，调整氩气流量为30sccm，氨气流量为70sccm，气压为40Pa，此过程维持时间1.5h。保温结束后，降低源极与阴极电压至零，关闭电源及设备，待冷却后取出试样；
制得TiN梯度陶瓷涂层的厚度为7μm；测量其硬度平均值为1037HV，经700℃高温摩擦磨损试验可得在500g载荷下得到涂层的摩擦系数稳定在0.6左右且摩擦系数曲线平稳无突变，磨痕深度较基体减小约1/2，磨损体积为21.44×10-3mm3，磨损量约降低至基体的1/3。
实施例4
本发明所述的一种类气门盘复杂型面表面梯度陶瓷层的制备方法，其具体制备步骤如下：
(1)、对气门1进行超声处理，将气门1放入超声清洗机中，将其底部外侧的盘锥面2完全浸没在酒精或丙酮中，进行2次超声清洗，每次处理30min，处理完成后烘干；
(2)、用双辉光等离子设备对试样进行预氮化处理；
将试样使用01#、03#、05#砂纸依次打磨后，使用07#砂纸抛光，之后使用脱脂棉擦拭结晶后，放入双辉设备中，不设置源极，通入氨气与氩气流量比为2:3的混合气体，氨气流量40sccm，氩气流量60sccm，调节挡板阀使得气压为58Pa，之后调节阴极电压至700V，保温9h；
(3)、进行双辉等离子渗Ti；
(3.1)、将气门1、其底部外侧的盘锥面2和仿形靶材3使用脱脂棉蘸少许酒精擦拭并晾干，设置气门1及其底部外侧的盘锥面2为阴极，仿形靶材3为源极，放入双辉设备中，设置其极间距为14mm；
(3.2)、打开机械泵抽气至0.1Pa，通入高纯氩气使流量稳定在85sccm，调整机械泵挡板阀使腔室内气压稳定在30Pa。；
(3.3)、调节源极电压为950V，阴极电压为600V，工作温度为800℃，稳定保温2h；
(4)、后氮化处理，在维持上述渗Ti过程，通入氮气原位生成TiN涂层；
在步骤(3)过程结束后，保持阴极和源极电压不变，调整氩气流量为50sccm，氨气流量为50sccm，气压为47Pa，此过程维持时间2h；保温结束后，降低源极与阴极电压至零，关闭电源及设备，待冷却后取出试样；
制得TiN梯度陶瓷涂层的厚度为9.2μm；测量其硬度平均值为1120.6HV，经700℃高温摩擦磨损试验可得在500g载荷下得到涂层的摩擦系数稳定在0.6左右且摩擦系数曲线平稳无突变，磨痕深度较基体减小约1/2，磨损体积为17.69×10-3mm3，磨损量约降低至基体的1/4。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种类气门盘复杂型面表面梯度陶瓷层的制备方法，其特征在于：所述类气门盘复杂型面表面梯度陶瓷层包括气门(1)，在所述气门(1)的外侧安设有仿形靶材(3)，其首先使用双层辉光等离子法进行表面处理，然后在类气门盘复杂曲面表面制备出TiN梯度陶瓷涂层。
2.根据权利要求1所述的一种类气门盘复杂型面表面梯度陶瓷层的制备方法，其特征在于：
所述气门(1)的底部的表层为盘锥面(2)，所述盘锥面(2)为待渗部位；
所述仿形靶材(3)根据盘锥面(2)的形状进行制备，其内部的曲率与盘锥面(2)的曲率相同，其厚度与盘锥面(2)的曲率在不为0情况下部分相同。
3.根据权利要求1所述的一种类气门盘复杂型面表面梯度陶瓷层的制备方法，其特征在于：所述TiN梯度陶瓷层的具体制备步骤如下：
(1)、对气门(1)进行超声处理，将气门(1)放入超声清洗机中，使得盘锥面(2)浸没在酒精或丙酮中，进行1～2次超声清洗，每次处理20～30min，处理完成后烘干；
(2)、用双辉光等离子设备对步骤(1)制得的试样进行预氮化处理；
(3)、进行双辉等离子渗Ti；
(4)、后氮化处理，在维持上述渗Ti过程，通入氮气原位生成TiN涂层。
4.根据权利要求3所述的一种类气门盘复杂型面表面梯度陶瓷层的制备方法，其特征在于：
在步骤(2)中，所述预氮化处理的工艺及参数为：不设置源极，工件极电压700V，采用氨气+氩气气氛，且流量比氨气：氩气＝2:3，气压50～60Pa，预氮化保温时间为6～10h。
5.根据权利要求3所述的一种类气门盘复杂型面表面梯度陶瓷层的制备方法，其特征在于：
在步骤(3)中，所述进行双辉等离子渗Ti的具体操作步骤如下：
(3.1)、将气门(1)及其底部的盘锥面(2)、仿形靶材(3)使用脱脂棉蘸酒精擦拭并晾干，设置气门(1)及盘锥面(2)为阴极，仿形靶材(3)为源极，放入双辉设备中，设置其极间距为12～15mm；
(3.2)、打开机械泵抽气至0.2Pa以下，通入高纯氩气使流量稳定在75～90sccm，调整机械泵挡板阀使腔室内气压稳定在25～30Pa；
(3.3)、调节源极电压为930～970V，阴极电压为600～650V，工作温度为800℃，稳定保温1.5～2h。
6.根据权利要求3所述的一种类气门盘复杂型面表面梯度陶瓷层的制备方法，其特征在于：
在步骤(4)中，所述后氮化处理是：在步骤(3)的操作过程结束后，保持阴极和源极电压不变，氩气和氨气的流量比为1：1.0～3.0，气压为40～50Pa，此过程维持时间1.5～2h。
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