专利名称：活塞环表面涂覆氮化硅膜层的方法
技术领域：
本发明涉及活塞环的表面改性，特别涉及一种活塞环表面涂覆氮化硅膜层 的方法。
技术背景活塞环是内燃机的重要配件，它的质量好坏直接影响着内燃机的功率输出、 燃油消耗、燃烧排放等技术指标。活塞环的工作面常处于半干摩擦状态，工作 条件恶劣，易发生磨损。同时，往复运动和高温燃烧将使活塞环产生很大的机 械应力与热应力。因此，改善活塞环的摩擦性能对延长活塞环的使用寿命具有 十分重要意义。为了提高活塞环的性能，除了改变材质以外，更多的是采用表面强化处理 的方法，如涂镀工艺、离子氮化、激光强化等。上述工艺各有优缺，最常用的 是采用电镀的方法在其表面形成镀铬层。然而，电镀镀铬层与活塞环基体得结 合不甚牢固，耐磨性差，是导致镀铬活塞环容易失效的主要原因。并且镀铬工 艺存在着环境污染严重的问题。等离子体增强化学气相沉积是一种辉光放电产生活性等离子体的物理过程 和化学反应相结合的气相沉积技术，绕镀性好，常用于形状复杂工件的表面涂 层。且具有沉积温度低、工件不变形、成膜速率快、膜层均匀致密等特点，故 已成为制备高性能膜层材料最为常用的方法之一。利用该技术可以很方便地在 工件表面形成陶瓷、金属、化合物及复合膜层，实现工件表面的强化。氮化硅是一种先进陶瓷材料，具有高硬度、耐磨损、抗高温氧化等性能。 而且氮化硅陶瓷还具有自润滑特性，产生这种特性的主要原因是氮化硅在摩擦 过程中会微量分解，在表面形成很薄的气膜，从而使摩擦阻力减小。并且随着 摩擦的不断进行，摩擦面越来越光洁，阻力越来越小，起到了润滑减磨的效果。 对氮化硅陶瓷及涂层的应用研究已成为材料科学领域的热点。氮化硅膜层的优异性能满足了新型活塞环表面技术对硬度、耐磨性、润滑 性的综合需要，具有良好的应用前景。此前，国内外还鲜有在活塞环表面涂覆 氮化硅膜层的报道。 发明内容本发明的目的是提供一种活塞环表面涂覆氮化硅膜层的方法。经该方法处
理的活塞环具有耐磨减磨性能，能适应内燃机不断向大功率、高速度、长寿命 的方向发展。本发明采用的技术方案是沉积前，对活塞环进行电解抛光和超声波清洗处理；前处理完成后，再将 活塞环放入射频等离子体增强化学气相沉积设备的沉积室中，系统抽至真空， 以硅烷和氨气为反应气源，在硅烷流量15 45sccm、硅垸和氨气流量比l: 2 1: 4、沉积温度300 500。C、射频功率90 150W的条件下，沉积10 30min停止， 在活塞环的上表面和侧面均匀沉积一层氮化硅膜层；自然冷却后取出。所述的射频等离子体增强化学气相沉积设备为国产的HQ-2型RF-PECVD设备。本发明具有的有益效果是用化学气相沉积的方法在活塞环上表面和侧面沉积的氮化硅膜层均匀致 密，与基体结合牢固。所得氮化硅膜层活塞环的表面硬度可达900-1400 HV，明 显高于普通镀铬产品800 HV的硬度。膜层良好的耐蚀耐磨性能和自润滑特性， 可有效提高活塞环的使用性能，改善工作稳定性，延长寿命。该方法克服了传 统镀铬活塞环能耗大、污染严重、工艺复杂等弊端，具有广泛的推广价值和应 用前景。
附图是本发明活塞环表面氮化硅膜层的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图是活塞环表面氮化硅膜层的结构示意图。如附图所示，在活塞环上表 面和侧面1上均匀沉积一层氮化硅膜层2。本实施例中，采用射频等离子体增强化学气相沉积技术(RF-PECVD)在经 过抛光和超声波清洗前处理的普通活塞环的表面上沉积一层硬度高、耐磨性好、 自润滑的氮化硅膜层。RF-PECVD的主要工艺参数包括沉积温度、沉积时间、 射频功率、反应气源的流量及比例等。本发明选用经氮气(N2)稀释的浓度为10。/。的硅垸(SiH4)和高纯氨气(NH3) 作为沉积氮化硅膜层的气源。实施例l:将普通活塞环用DJP-II型电解抛光机抛光，目的是提高待沉积活塞环的表 面光洁度并去除表层的氧化皮。将抛光后的活塞环放入超声波清洗机清洗15min，取出后用丙酮清洁表面。随后将活塞环放入HQ-2型RF-PECVD设备的 沉积室，系统抽真空至5X10_3Pa。设定温度为300°C，打开加热器，待沉积室 温度稳定在设定值时开始沉积。选用的射频功率为150W,通过调节质量流量计 (MFC)使硅烷和氨气的流量分别为45sccm和90sccm。沉积时间达到20min 后，关闭反应气源、射频源和加热器，停止沉积，待活塞环冷却后取出，上表 面和侧面得到了均匀致密的氮化硅膜层，厚度为210nm。 实施例2:将普通活塞环用Djp-n型电解抛光机抛光，目的是提高待沉积活塞环的表 面光洁度并去除表层的氧化皮。将抛光后的活塞环放入超声波清洗机清洗15min，取出后用丙酮清洁表面。随后将活塞环放入HQ-2型RF-PECVD设备的 沉积室，系统抽真空至5X10—3Pa。设定温度为400°C，打开加热器，待沉积室 温度稳定在设定值时开始沉积。选用的射频功率为90W，通过调节质量流量计 (MFC)使硅烷和氨气的流量分别为15sccm和60sccm。沉积时间达到30min 后，关闭反应气源、射频源和加热器，停止沉积，待活塞环冷却后取出，上表 面和侧面得到了均匀致密的氮化硅膜层，厚度为300nm。 实施例3:将普通活塞环用Djp-n型电解抛光机抛光，目的是提高待沉积活塞环的表 面光洁度并去除表层的氧化皮。将抛光后的活塞环放入超声波清洗机清洗15min，取出后用丙酮清洁表面。随后将活塞环放入HQ-2型RF-PECVD设备的 沉积室，系统抽真空至5X10—3Pa。设定温度为500°C，打开加热器，待沉积室 温度稳定在设定值时开始沉积。选用的射频功率为120W，通过调节质量流量计 (MFC)使硅烷和氨气的流量分别为30sccm和卯sccm。沉积时间达到10min 后，关闭反应气源、射频源和加热器，停止沉积，待活塞环冷却后取出，上表 面和侧面得到了均匀致密的氮化硅膜层，厚度为120nm。
权利要求
1.一种活塞环表面涂覆氮化硅膜层的方法，其特征在于沉积前，对活塞环进行电解抛光和超声波清洗处理；前处理完成后，再将活塞环放入射频等离子体增强化学气相沉积设备的沉积室中，系统抽真空至5×10-3Pa，以硅烷和氨气为反应气源，在硅烷流量15～45sccm、硅烷和氨气流量比1∶2～1∶4、沉积温度300～500℃、射频功率90～150W的条件下，沉积10～30min停止，在活塞环的上表面和侧面均匀沉积一层氮化硅膜层；自然冷却后取出。
2、 根据权利要求l所述的一种活塞环表面涂覆氮化硅膜层的方法，其特征 在于所述的射频等离子体增强化学气相沉积设备为国产的HQ-2型RF-PECVD 设备。
全文摘要
本发明公开了一种活塞环表面涂覆氮化硅膜层的方法。先对活塞环进行电解抛光和超声波清洗处理；再将清洗后的活塞环放入射频等离子体增强化学气相沉积设备中，系统抽真空至5×10<sup>-3</sup>Pa，以硅烷和氨气为反应气源，在硅烷流量15～45sccm、硅烷和氨气流量比1/2～1/4、沉积温度300～500℃、射频功率90～150W的条件下，沉积10～30min停止，在活塞环的上表面和侧面得到氮化硅膜层；自然冷却后取出。所得氮化硅膜层活塞环的表面硬度可达900-1400HV，明显高于普通镀铬产品800HV的硬度。膜层良好的耐蚀耐磨性能和自润滑特性，可有效提高活塞环的使用性能，改善工作稳定性，延长寿命。该方法克服了传统镀铬活塞环能耗大、污染严重、工艺复杂等弊端。
文档编号C23C16/517GK101210318SQ20071016482
公开日2008年7月2日 申请日期2007年12月25日 优先权日2007年12月25日
发明者剑 姚, 席珍强, 敏 徐, 杜平凡, 汪新颜, 王龙成 申请人:浙江理工大学