專利名稱：氮和碳等離子體基離子注入GCr15柱塞偶件的表面改性方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種GCrl5柱塞偶件的表面改性方法。
背景技術(shù)：
柱塞偶件是發(fā)動機的一個關(guān)鍵部件，其配合精度小于2拜，其在往復(fù)運動 過程中發(fā)生磨損，使柱塞桿和套間間隙變大，容易導(dǎo)致發(fā)動機供油能力下降和 效率減低。隨著科技的發(fā)展，發(fā)動機功率不斷增加，柱塞偶件所承受的工況也 越來越惡劣，現(xiàn)有的柱塞偶件多采用使用GCrl5鋼，其壽命已經(jīng)達不到設(shè)計 的需要，成為制約發(fā)動機升級換代的一個瓶頸問題。
目前提高柱塞偶件使用壽命有兩種方法 一種是更換材料，兩另一種是對 柱塞偶件表面進行改性(如噴涂、激光表面強化、離子鍍等)。第一種方法需 要材料的強度高，增大了機械注入強度，從而增加了生產(chǎn)成本，而且其產(chǎn)品的 尺寸穩(wěn)定性很難保證。由于第二種方法僅僅是對柱塞偶件增加表面處理的工 序，在生產(chǎn)上具有很大優(yōu)越性，因而多數(shù)采用第二種方法；但現(xiàn)有的表面改性 工藝的熱處理溫度均大于15(TC，產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性不容易控制，無法滿足柱 塞偶件的配合精度高的要求，并且導(dǎo)致成品率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了現(xiàn)有表面改性工藝的熱處理溫度高，產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定 性不容易控制，無法滿足柱塞偶件的配合精度高的要求的問題。
本發(fā)明氮和碳等離子體基離子注入GCrl5柱塞偶件的表面改性方法由下 述步驟實現(xiàn)的 一、將GCrl5柱塞偶件用丙酮超聲處理兩次(目的是去除表 面油污)，每次處理5 8min; 二、在電壓為500~700V、工作氣壓為0.08-0.2 Pa、 注入電流為0.25mA/cm2、工作氣體為氬氣、射頻功率為200~800 W、氬等離 子體密度為lxl09~lxl01QCm—3的條件下，對經(jīng)丙酮清洗后的GCrl5柱塞偶件進 行預(yù)濺射清洗20 30min;三、對經(jīng)預(yù)濺射清洗的GCrl5柱塞偶件進行氮離子 注入處理，其中氮離子注入處理的工藝參數(shù)如下背底氣壓為lxl(T4Pa，氣源 是純度為99.99% (質(zhì)量)的氮氣，氮離子注入電壓為30 50kV，工作氣壓為0.08~0.2Pa，注入電流為2 2.5nA/cm2，氮等離子體密度為lxl09~lxl01Qcm—3， 采用射頻離化產(chǎn)生氮等離子體，注入劑量為3xl017ions/cm2 4xl017ions/cm2; 四、對經(jīng)步驟三處理的GCrl5柱塞偶件進行碳離子注入處理，降壓至常壓并 隨爐冷卻至室溫；即完成對GCrl5柱塞偶件的表面改性；其中步驟四中碳離 子注入處理的工藝參數(shù)如下氣源是純度為99.99% (質(zhì)量)的甲烷，碳離子 注入電壓為30~50kV，工作氣壓為0.08~0.2Pa，注入電流為2 2.5jiA/cm2，碳 等離子體密度為lxl09~lxl01QCrrT3，采用射頻離化產(chǎn)生碳等離子體，注入劑量 為3x 1017ions/cm2~4x 1017ions/cm2。
本發(fā)明在步驟三的氮離子注入處理過程中，GCrl5柱塞偶件繞軸線自轉(zhuǎn)勻 速旋轉(zhuǎn)。在步驟四的碳離子注入處理過程中，GCrl5柱塞偶件繞軸線自轉(zhuǎn)勻速 旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點
1、 本發(fā)明的方法可實現(xiàn)批量生產(chǎn)。在注入過程中，陰極是工件本身，工 件周圍的等離子鞘層就是陽極，因此每個工件及其周圍的等離子體鞘層就形成 了一個獨立的離子注入系統(tǒng)，這樣的等離子體基離子注入就可以實現(xiàn)批量生 產(chǎn)。
2、 經(jīng)本發(fā)明方法處理的GCrl5柱塞偶件硬度保持HRC63;其表面硬度可 達14GPa，是未經(jīng)本發(fā)明方法處理的1.5倍。
3、 經(jīng)本發(fā)明方法處理的GCrl5柱塞偶件的使用壽命超過了 1100小時， 是未經(jīng)本發(fā)明方法處理的3倍。
4、 本發(fā)明在氮離子注入及碳離子注入處理過程中對電流密度進行控制， 嚴(yán)格控制了 GCrl5柱塞偶件的溫升，使GCrl5柱塞偶件的溫度小于150°C， 使得尺寸精度不變，提高了產(chǎn)品的成品率，其成品率高達99.9%。
5、 本發(fā)明的方法克服視線注入的局限，實現(xiàn)全方位注入。由于在等離子 體基離子注入過程中，工件(本發(fā)明中指GCrl5柱塞偶件)湮沒在等離子體 中，依靠施加在工件上的脈沖負偏壓所產(chǎn)生的強電場，幾乎每個暴露的金屬表 面均可吸引離子，從而可從四面八方對工件進行全方位的離子注入，解決了離 子注入在復(fù)雜形狀工件上的應(yīng)用問題。
6、 本發(fā)明的效率高，操作控制安全方便。由于離子注入可以在施加脈沖負電位的工件上同時進行，無需掃描，就可實現(xiàn)大面積注入，故效率頗高。另 外調(diào)節(jié)脈沖負偏壓大小，波形和頻率就可方便地控制離子注入過程，操作方便。
7、本發(fā)明方法降低生產(chǎn)成本。由于是全方位離子注入，工件在傳統(tǒng)離子 注入過程中所必需的往復(fù)、旋轉(zhuǎn)等操作就可以省去，而本發(fā)明中柱塞偶件繞軸 線自轉(zhuǎn)勻速旋轉(zhuǎn)，故此注入設(shè)備不需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)動靶臺，也不需要離子束掃描 裝置，降低了生產(chǎn)成本。再加上生產(chǎn)效率高，可批量生產(chǎn)，故總的生產(chǎn)成本相 對傳統(tǒng)離子注入技術(shù)有較大降低。
具體實施例方式
本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方 式間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式是氮和碳等離子體基離子注入GCrl5柱塞 偶件的表面改性方法由下述步驟實現(xiàn)的 一、將GCrl5柱塞偶件用丙酮超聲 處理兩次(目的是去除表面油污)，每次處理5-8min; 二、在電壓為500~700V、 工作氣壓為0.08-0.2 Pa、注入電流為0.25mA/cm2、工作氣體為氬氣、射頻功 率為200-800 W、氬等離子體密度為lxl0Mxl0"W^的條件下，對經(jīng)丙酮清 洗后的GCrl5柱塞偶件進行預(yù)濺射清洗20 30min;三、對經(jīng)預(yù)濺射清洗的 GCrl5柱塞偶件進行氮離子注入處理，其中氮離子注入處理的工藝參數(shù)如下 背底氣壓為lxl0.4Pa，氣源是純度為99.99% (質(zhì)量)的氮氣，氮離子注入電 壓為30~50kV，工作氣壓為0.08 0.2Pa，注入電流為2~2.5|xA/cm2，氮等離子 體密度為lxl09~lxl01Qcm'3，采用射頻離化產(chǎn)生氮等離子體，注入劑量為 3xl017ions/cm2~4xl017ions/cm2;四、對經(jīng)步驟三處理的GCrl5柱塞偶件進行 碳離子注入處理，降壓至常壓并隨爐冷卻至室溫；即完成對GCrl5柱塞偶件 的表面改性；其中步驟四中碳離子注入處理的工藝參數(shù)如下氣源是純度為 99.99% (質(zhì)量)的甲烷，碳離子注入電壓為30 50kV，工作氣壓為0.08 0.2Pa， 注入電流為2~2.5^iA/cm2，碳等離子體密度為lxl09~lxl01Qcm-3,采用射頻離 化產(chǎn)生碳等離子體，注入劑量為3xl017ions/cm2~4xl017ions/cm2。
本實施方式方法處理后GCrl 5柱塞偶件硬度保持HRC63;其表面硬度可 達14GPa，是未經(jīng)本發(fā)明方法處理的1.5倍；其使用壽命超過了 1100小時， 是未經(jīng)本發(fā)明方法處理的3倍。本實施方式步驟二至四在真空室中進行，對氣壁進行水冷，真空室氣壁溫
度保持在20 25。C;在氮離子注入與碳離子注入處理過程中，GCrl5柱塞偶件 繞軸線自轉(zhuǎn)勻速旋轉(zhuǎn)。
本實施方式的注入過程中，陰極是工件本身，工件周圍的等離子鞘層就是 陽極，因此每個工件及其周圍的等離子體鞘層就形成了一個獨立的離子注入系 統(tǒng)，這樣的等離子體基離子注入就可以實現(xiàn)批量生產(chǎn)；本實施方式在氮離子注 入及碳離子注入處理過程中對電流密度進行控制，嚴(yán)格控制了 GCrl5柱塞偶 件的溫升，使GCrl5柱塞偶件的溫度小于15(TC，使得尺寸精度不變，提高了 產(chǎn)品的成品率，其成品率高達99.9%。本實施方式的方法克服視線注入的局限， 實現(xiàn)全方位注入。由于在等離子體基離子注入過程中，工件(本發(fā)明中指GCr15
柱塞偶件)湮沒在等離子體中，依靠施加在工件上的脈沖負偏壓所產(chǎn)生的強電 場，幾乎每個暴露的金屬表面均可吸引離子，從而可從四面八方對工件進行全 方位的離子注入，解決了離子注入在復(fù)雜形狀工件上的應(yīng)用問題。由于離子注 入可以在施加脈沖負電位的工件上同時進行，無需掃描，就可實現(xiàn)大面積注入， 故效率頗高。另外調(diào)節(jié)脈沖負偏壓大小，波形和頻率就可方便地控制離子注入 過程，操作方便。由于是全方位離子注入，工件在傳統(tǒng)離子注入過程中所必需 的往復(fù)、旋轉(zhuǎn)等操作就可以省去，而本發(fā)明中柱塞偶件繞軸線自轉(zhuǎn)勻速旋轉(zhuǎn)， 故此注入設(shè)備不需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)動靶臺，也不需要離子束掃描裝置，降低了生產(chǎn) 成本。再加上生產(chǎn)效率高，可批量生產(chǎn)，故總的生產(chǎn)成本相對傳統(tǒng)離子注入技 術(shù)有較大降低。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于步驟一中 每次用丙酮超聲處理時間為5.5~7.5 min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相 同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于步驟一中
每次用丙酮超聲處理時間為6min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于步驟二中
等離子體密度為2xl09~8xl09cm-3。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于步驟二中
等離子體密度為5xl09cm-3。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于步驟一中
GCrl5柱塞偶件為GCrl5柱塞桿。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于步驟三中
注入劑量為3.2xl017ions/cm2~3.8xl017ions/cm2。其它步驟及參數(shù)與具體實施方 式一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于步驟三中 注入電流為2.2^A/cm2。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于步驟三中
注入劑量為3.5xl017iOnS/cm2。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于步驟四中
注入劑量為3.2xl017ions/cm2~3.8xl017ions/cm2。其它步驟及參數(shù)與具體實施方 式一相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于步驟三
中注入電流為2.2pA/cm2。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
十二本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于步驟四
中注入劑量為3.5xl017ionS/cm2。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于GCrl5 柱塞偶件繞自身軸線勻速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速是5r/min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方 式一相同。
權(quán)利要求
1、氮和碳等離子體基離子注入GCr15柱塞偶件的表面改性方法，其特征在于氮和碳等離子體基離子注入GCr15柱塞偶件的表面改性方法是由下述步驟實現(xiàn)的一、將GCr15柱塞偶件用丙酮超聲處理兩次，每次處理5～8min；二、在電壓為500～700V、工作氣壓為0.08～0.2Pa、注入電流為0.25μA/cm2、工作氣體為氬氣、射頻功率為200～800W、氬等離子體密度為1×109～1×1010cm-3的條件下，對經(jīng)丙酮清洗后的GCr15柱塞偶件進行預(yù)濺射清洗20～30min；三、對經(jīng)預(yù)濺射清洗的GCr15柱塞偶件進行氮離子注入處理，其中氮離子注入處理的工藝參數(shù)如下背底氣壓為1×10-4Pa，氣源是純度為99.99％(質(zhì)量)的氮氣，氮離子注入電壓為30～50kV，工作氣壓為0.08～0.2Pa，注入電流為2～2.5μA/cm2，氮等離子體密度為1×109～1×1010cm-3，采用射頻離化產(chǎn)生氮等離子體，注入劑量為3×1017ions/cm2～4×1017ions/cm2；四、對經(jīng)步驟三處理的GCr15柱塞偶件進行碳離子注入處理，降壓至常壓并隨爐冷卻至室溫；即完成對GCr15柱塞偶件的表面改性；其中步驟四中碳離子注入處理的工藝參數(shù)如下氣源是純度為99.99％(質(zhì)量)的甲烷，碳離子注入電壓為30～50kV，工作氣壓為0.08～0.2Pa，注入電流為2～2.5μA/cm2，碳等離子體密度為1×109～1×1010cm-3，采用射頻離化產(chǎn)生碳等離子體，注入劑量為3×1017ions/cm2～4×1017ions/cm2。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮和碳等離子體基離子注入GCr15柱塞偶件的 表面改性方法，其特征在于步驟一中丙酮的純度為99.9% (質(zhì)量)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮和碳等離子體基離子注入GCr15柱塞偶件的 表面改性方法，其特征在于步驟二中氬等離子體密度為2xl09~8xl09cm-3。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮和碳等離子體基離子注入GCrl5柱塞偶件的 表面改性方法，其特征在于在步驟三的氮離子注入處理過程中，GCrl5柱塞偶 件繞軸線自轉(zhuǎn)勻速旋轉(zhuǎn)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的氮和碳等離子體基離子注入GCrl5柱塞偶件的 表面改性方法，其特征在于GCrl5柱塞偶件繞自身軸線勻速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速是 5r/min。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮和碳等離子體基離子注入GCrl5柱塞偶件的表面改性方法，其特征在于在步驟四的碳離子注入處理過程中，GCrl5柱塞偶 件繞軸線自轉(zhuǎn)勻速旋轉(zhuǎn)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的氮和碳等離子體基離子注入GCrl5柱塞偶件的 表面改性方法，其特征在于GCrl5柱塞偶件繞自身軸線勻速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速是 5r/min。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮和碳等離子體基離子注入GCr15柱塞偶件的 表面改性方法，其特征在于步驟三中注入劑量為 3.2 x 1017ions/cm2~3.8 x 1017ions/cm2 。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮和碳等離子體基離子注入GCrl5柱塞偶件的 表面改性方法，其特征在于步驟三中注入劑量為3.5xl017ions/cm2。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮和碳等離子體基離子注入GCrl5柱塞偶件 的表面改性方法，其特征在于步驟四中注入劑量為 3.2x 1017ions/cm2~3.8x 1017ions/cm2。
全文摘要
氮和碳等離子體基離子注入GCr15柱塞偶件的表面改性方法，它涉及一種GCr15柱塞偶件的表面改性方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有表面改性工藝的熱處理溫度高，產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性不容易控制，無法滿足柱塞偶件的配合精度高的要求的問題。本發(fā)明的方法如下一、超聲處理；二、預(yù)濺射清洗；三、氮離子注入處理；四、經(jīng)碳離子注入處理即可。本發(fā)明方法具有可批量生產(chǎn)、表面硬度高、延長產(chǎn)品使用壽命、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，在注入過程中柱塞偶件的溫度小于150℃，保證了產(chǎn)品尺寸精度不變，從而提高了產(chǎn)品的成品率，其成品率高達99.9％。
文檔編號C23C14/34GK101413106SQ200810209529
公開日2009年4月22日 申請日期2008年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月26日
發(fā)明者唐光澤, 馬欣新 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)