一种采用液相弧光放电的活塞环碳氮共渗表面处理方法

摘要

本发明公开了一种采用液相弧光放电的活塞环碳氮共渗表面处理方法，该方法是在盛放有特定成分及浓度溶液的可调压容器中，以待处理的活塞环为阴极、惰性电极材料为阳极，两极之间施加直流脉冲电压，在溶液与活塞环接触界面形成弧光放电，使溶液电离产生含碳、氮离子的等离子体，与活塞环发生化合反应并向工件内部扩散，实现碳氮共渗。利用等离子体气泡破裂产生的压力波在活塞环表面塑造凹凸不平的微观造型。通过调节容器内的压力来控制等离子体气泡的生成量和破裂临界压力以提高表面处理的质量。该方法环境适应性好、处理速度快、生产效率高、成本低且节能环保，采用该方法处理的活塞环具有耐磨、耐蚀性强，润滑性能好，疲劳强度高等优点。

权利要求

1.一种采用液相弧光放电的活塞环碳氮共渗表面处理方法，其特征在于，包括步骤：

1)配制反应溶液

首先，取30-35重量份的溶剂，在其中溶解15-30重量份的含碳氮有机物，在60-90r/min速率下搅拌30-40s后倒入容器，再向容器中加40-50重量份的溶剂使溶剂达到70-85重量份并混合均匀，得到所需的100重量份的反应溶液；

2)工件预处理

待处理活塞环在进行弧光放电碳氮共渗处理之前，用金相砂纸打磨表面至粒度为950-

1050#，丙酮清洗并擦拭干净后，在活塞环上下台阶面、内径面和端面涂覆耐高温绝缘漆，待漆干后放入容器进行处理；

3)活塞环弧光放电碳氮共渗表面处理

将预处理过的活塞环置入盛放有特定成分及浓度溶液的可调压容器中，以待处理的活塞环为阴极、惰性电极材料为阳极，两极之间施加直流脉冲电压，在溶液与待处理活塞环接触界面形成弧光放电，使溶液电离产生含碳、氮离子的等离子体，与活塞环发生化合反应并向工件内部扩散，实现碳氮共渗；利用等离子体气泡破裂产生的压力波冲击活塞环表面的金属熔融区，使活塞环外径面形成凹凸不平的微坑变形；在处理过程中，通过调节容器内的压力来控制等离子体气泡的生成量和破裂压力，以控制活塞环外径面微变形量，提高表面处理的质量。

2.如权利要求1所述的采用液相弧光放电的活塞环碳氮共渗表面处理方法，其特征在于:所述步骤1)中反应溶液的溶剂为自来水，含碳氮有机物为尿素。

3.如权利要求1所述的采用液相弧光放电的活塞环碳氮共渗表面处理方法，其特征在于:所述步骤2)中待处理活塞环为定型、清洗工序后未经其他处理的活塞环。

4.如权利要求1所述的采用液相弧光放电的活塞环碳氮共渗表面处理方法，其特征在于:所述步骤3)的对活塞环弧光放电碳氮共渗表面进行处理的装置包括直流脉冲电源8，所述直流脉冲电源8阳极导线3和阴极导线4电连接可调压容器9，所述阳极导线3电连接所述可调压容器9内的惰性电极10，所述阴极导线4电连接所述可调压容器9内的活塞环11，所述可调压容器9放置在冷却槽12内。

5.如权利要求4所述的采用液相弧光放电的活塞环碳氮共渗表面处理方法，其特征在于:直流脉冲电源8可输出电压范围：0-1000V，电流范围：0-10A，占空比0-100％可调节，频率100-3000Hz可调节，输出电压及电流与设定值之间误差均≤0.5％；阳极导线3与阴极导线4均为多股铜线以减小脉冲波形失真，保证工作质量；冷却槽12采用绝缘材料制成，长、宽、高尺寸分别为400mm、300mm、200mm，壁厚为5mm，进水口位于左侧面下部，出水口位于右侧面上部，水循环流量为10L/min。

6.如权利要求4所述的采用液相弧光放电的活塞环碳氮共渗表面处理方法，其特征在于：所述可调压容器为可视化密闭容器。

7.如权利要求6所述的采用液相弧光放电的活塞环碳氮共渗表面处理方法，其特征在于：所述可视化密闭容器包括容器体7，所述容器体7顶部设有容器盖5，所述容器体7和容器盖5之间安装有橡胶垫圈6，所述容器盖5顶部安装有进/排气管2，所述进/排气管2上安装有调压阀1，所述容器体7还电连接贯穿所述容器盖5的阳极导线3和阴极导线4。

8.如权利要求7所述的采用液相弧光放电的活塞环碳氮共渗表面处理方法，其特征在于：所述调压阀1为气动可调式气压调节阀，压力表量程范围为0-1MPa，最小刻度为

0.02MPa；进/排气管2的外径与调压阀1进/出气孔及容器盖5出气孔的内径尺寸相匹配，选用不锈钢材质，管壁厚度不小于0.8mm，调压阀1和容器盖5与所述进/排气管2连接处需用进行密封处理；阳极导线3和阴极导线4与容器盖5连接处需进行密封及绝缘处理；橡胶垫圈6的外径为180mm，内径为168-172mm，厚度为2-3mm；容器体7与容器盖的外径为180mm，最薄处壁厚不低于3.2mm。

9.如权利要求6所述的采用液相弧光放电的活塞环碳氮共渗表面处理方法，其特征在于：所述可视化密闭容器调压范围为0-2bar，可盛放溶液体积范围为2-3L。

10.如权利要求6所述的采用液相弧光放电的活塞环碳氮共渗表面处理方法，其特征在于：所述的可视化密闭容器工作电压范围为220-600V，处理时间在2-30min范围内。

说明书

一种采用液相弧光放电的活塞环碳氮共渗表面处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及内燃机和钢铁表面处理技术领域，尤其涉及一种采用液相弧光放电的活塞环碳氮共渗表面处理方法。

背景技术

[0002] 活塞环是内燃机的重要零部件，其表面处理工艺对内燃机的可靠性、耐久性、经济性以及环保性能有着重要的影响。对活塞环外表面进行碳氮共渗处理可提高活塞环的耐磨性、疲劳强度及耐蚀性以延长其使用寿命。传统的碳氮共渗处理一般需要在高温条件下进行，并且所需的处理时间长，生产效率低，能耗相对较高。

[0003] 液相弧光放电碳氮共渗是一种新型的钢铁表面处理技术，该技术通过将惰性材料和待处理的工件置入盛放有特定成分及浓度溶液的容器中，以惰性材料为阳极，待处理工件为阴极，在两极之间施加电压，在溶液与待处理工件接触界面上形成弧光放电，使溶液电离产生含碳、氮离子的等离子体，与工件发生化合反应并向工件内部扩散，从而达到碳氮共渗的目的。专利CN101691648A叙述的碳氮共渗方法就属于这种技术。该技术具有处理速度快、生产效率高、节能环保等特点，但在其实施过程中，等离子体气泡破裂对工件表面金属熔融区的冲击会导致工件表面形成凹凸不平的微观变形，这种微观变形在目前已有的技术中并未进行有效控制。在利用该方法对活塞环进行表面碳氮共渗处理时，若这种微观变形量被控制在一定范围内，则能够提升活塞环的储油性能，改善活塞环与气缸套之间的摩擦运动，减少摩擦损失，提高内燃机的机械效率。而当这种微观变形量不能得到有效控制时，则有可能令活塞环无法有效对气缸进行密封。

[0004] 因此，实现对液相弧光放电活塞环表面碳氮共渗处理过程中表面微观变形量的有效控制，在保证渗层质量的同时，优化活塞环外径面的微观造型，改善活塞环的使用性能，是将液相弧光放电表面碳氮共渗处理这一新型技术应用于活塞环表面处理亟待解决的问题。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种采用液相弧光放电的活塞环碳氮共渗表面处理方法，该方法可在活塞环表面形成良好的碳氮共渗层的同时，实现对活塞环表面微观变形量的有效控制，形成储油性能较好而不影响活塞环密封性能的微观造型，从而提高活塞环的耐磨性、耐蚀性、润滑性以及疲劳强度等各项性能。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种采用液相弧光放电的活塞环碳氮共渗表面处理方法，包括步骤：

[0007] 1)配制反应溶液

[0008] 首先，取30-35重量份的溶剂，在其中溶解15-30重量份的含碳氮有机物，在60-90r/min速率下搅拌30-40s后倒入容器，再向容器中加40-50重量份的溶剂使溶剂达到70-
85重量份并混合均匀，得到所需的100重量份的反应溶液；

[0009] 2)工件预处理

[0010] 待处理活塞环在进行弧光放电碳氮共渗处理之前，用金相砂纸打磨表面至粒度为950-1050#，丙酮清洗并擦拭干净后，在活塞环上下台阶面、内径面和端面涂覆耐高温绝缘漆，待漆干后放入容器进行处理；

[0011] 3)活塞环弧光放电碳氮共渗表面处理

[0012] 将预处理过的活塞环置入盛放有特定成分及浓度溶液的可调压容器中，以待处理的活塞环为阴极、惰性电极材料为阳极，两极之间施加直流脉冲电压，在溶液与待处理活塞环接触界面形成弧光放电，使溶液电离产生含碳、氮离子的等离子体，与活塞环发生化合反应并向工件内部扩散，实现碳氮共渗；利用等离子体气泡破裂产生的压力波冲击活塞环表面的金属熔融区，使活塞环外径面形成凹凸不平的微坑变形；在处理过程中，通过调节容器内的压力来控制等离子体气泡的生成量和破裂压力，以控制活塞环外径面微变形量，提高表面处理的质量。

[0013] 作为优选的技术方案，所述步骤1)中反应溶液的溶剂为自来水，含碳氮有机物为尿素，自来水具有一定的导电能力与电阻率，能够较好地满足产生弧光放电的条件，且价格低廉。尿素在反应后的排放产物为氮气和二氧化碳，对环境污染极少，而且尿素的价格较低，水溶性极好。

[0014] 作为优选的技术方案，所述步骤2)中待处理活塞环为定型、清洗工序后未经其他处理的活塞环。

[0015] 作为优选的技术方案，所述步骤3)的对活塞环弧光放电碳氮共渗表面进行处理的包括直流脉冲电源8，所述直流脉冲电源8阳极导线3和阴极导线4电连接可调压容器9，所述阳极导线3电连接所述可调压容器9内的惰性电极10，所述阴极导线4电连接所述可调压容器9内的活塞环11，所述可调压容器9放置在冷却槽12内。

[0016] 作为优选的技术方案，直流脉冲电源8可输出电压范围：0-1000V，电流范围：0-10A，占空比0-100％可调节，频率100-3000Hz可调节，输出电压及电流与设定值之间误差均≤0.5％；阳极导线3与阴极导线4均为多股铜线以减小脉冲波形失真，保证工作质量；冷却槽12采用绝缘材料制成，长、宽、高尺寸分别为400mm、300mm、200mm，壁厚为5mm，进水口位于左侧面下部，出水口位于右侧面上部，水循环流量为10L/min。

[0017] 工作时，可调压容器9水平放置于冷却槽中。

[0018] 当装置需要在压力小于1bar的条件下工作时，进/排气管2接入真空泵，由真空泵抽吸作用配合调压阀1实现装置内部所需的负压。当装置需要在压力大于1bar的条件下工作时，进/排气管2接入高纯氮气瓶，由高压氮气瓶配合调压阀1实现装置内部所需的压力。

[0019] 作为优选的技术方案，所述可调压容器为可视化密闭容器。

[0020] 作为优选的技术方案，所述可视化密闭容器包括容器体7，所述容器体7顶部设有容器盖5，所述容器体7和容器盖5之间安装有橡胶垫圈6，所述容器盖5顶部安装有进/排气管2，所述进/排气管2上安装有调压阀1，所述容器体7还电连接贯穿所述容器盖5的阳极导线3和阴极导线4。

[0021] 作为优选的技术方案，所述调压阀1为气动可调式气压调节阀，压力表量程范围为0-1MPa，最小刻度为0.02MPa；进/排气管2的外径与调压阀1进/出气孔及容器盖5出气孔的内径尺寸相匹配，选用不锈钢材质，管壁厚度不小于0.8mm，调压阀1和容器盖5与所述进/排气管2连接处需用进行密封处理；阳极导线3和阴极导线4与容器盖5连接处需进行密封及绝缘处理；橡胶垫圈6的外径为180mm，内径为168-172mm，厚度为2-3mm；容器体7与容器盖的外径为180mm，最薄处壁厚不低于3.2mm。

[0022] 作为优选的技术方案，所述可视化密闭容器调压范围为0-2bar，可盛放溶液体积范围为2-3L。

[0023] 作为优选的技术方案，所述的可视化密闭容器工作电压范围为220-600V，处理时间在2-30min范围内。

[0024] 本发明的原理为：在弧光放电环境下，利用溶液电离产生含碳、氮离子的等离子体，与活塞环发生化合反应并向工件内部扩散，形成铁碳/氮化合物层及碳氮共渗层；利用等离子体气泡破裂对活塞环表面金属熔融区的冲击作用，在活塞环外径面形成凹凸不平的微观造型；通过调节容器内的压力来控制等离子体气泡的生成量及破裂压力以有效控制活塞环外径面表面微变形量，提高表面处理质量。

[0025] 本发明具有有益效果：本发明可以在室温条件下进行，对工作环境无特殊要求，排放产物为氮气和二氧化碳，对环境污染极少，具有环境适应性好、处理速度快、生产效率高、成本低和节能环保等特点，采用该方法处理的活塞环具有储油性能好，耐磨性及耐蚀性强，润滑性能好，疲劳强度高等优点。

[0026] 由于采用了上述技术方案，一种采用液相弧光放电的活塞环碳氮共渗表面处理方法，包括步骤：1)配制反应溶液：首先，取30-35重量份的溶剂，在其中溶解15-30重量份的含碳氮有机物，在60-90r/min速率下搅拌30-40s后倒入容器，再向容器中加40-50重量份的溶剂使溶剂达到70-85重量份并混合均匀，得到所需的100重量份的反应溶液；2)工件预处理：待处理活塞环在进行弧光放电碳氮共渗处理之前，用金相砂纸打磨表面至粒度为950-
1050#，丙酮清洗并擦拭干净后，在活塞环上下台阶面、内径面和端面涂覆耐高温绝缘漆，待漆干后放入容器进行处理；3)活塞环弧光放电碳氮共渗表面处理：将预处理过的活塞环置入盛放有特定成分及浓度溶液的可调压容器中，以待处理的活塞环为阴极、惰性电极材料为阳极，两极之间施加直流脉冲电压，在溶液与待处理活塞环接触界面形成弧光放电，使溶液电离产生含碳、氮离子的等离子体，与活塞环发生化合反应并向工件内部扩散，实现碳氮共渗；利用等离子体气泡破裂产生的压力波冲击活塞环表面的金属熔融区，使活塞环外径面形成凹凸不平的微坑变形；在处理过程中，通过调节容器内的压力来控制等离子体气泡的生成量和破裂压力，以控制活塞环外径面微变形量，提高表面处理的质量；当采用该方法对活塞环进行表面处理时，将活塞环置入盛放有特定成分及浓度溶液的可调压容器中，以待处理的活塞环为阴极、惰性电极材料为阳极，两极之间施加直流脉冲电压，在溶液与待处理活塞环接触界面形成弧光放电，使溶液电离产生含碳、氮离子的等离子体，与活塞环发生化合反应并向工件内部扩散，实现碳氮共渗。利用等离子体气泡破裂产生的压力波冲击活塞环表面的金属熔融区，使活塞环外径面形成凹凸不平的微坑，以达到塑造活塞环表面微观造型的目的。在处理过程中，通过调节容器内的压力来控制等离子体气泡的生成量和破裂压力以提高表面处理的质量。该方法具有环境适应性好、处理速度快、生产效率高、成本低和节能环保等特点，采用该方法处理的活塞环具有耐磨、耐蚀性强，润滑性能好，疲劳强度高等优点。

附图说明

[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0028] 图1是可调压容器的结构示意图；

[0029] 图2是本发明的装置示意图；

[0030] 图3是经本发明方法处理后活塞环截面的扫描电镜图像；

[0031] 图4是经本发明方法处理后活塞环外径面的扫描电镜图像。

[0032] 图3和图4所示活塞环样品是在质量浓度20％的尿素溶液中，0.8bar气压下，恒压360V处理5min所得。

[0033] 图1和图2中：1-调压阀，2-进/排气管，3-阳极导线，4-阴极导线，5-容器盖，6-橡胶垫圈，7-容器体，8-直流脉冲电源，9-可调压容器，10-惰性电极，11-活塞环，12-冷却槽。

具体实施方式

[0034] 如图1和图2所示，一种采用液相弧光放电的活塞环碳氮共渗表面处理方法，包括步骤：

[0035] 1)配制反应溶液

[0036] 首先，取30-35重量份的溶剂，在其中溶解15-30重量份的含碳氮有机物，在60-90r/min速率下搅拌30-40s后倒入容器，再向容器中加40-50重量份的溶剂使溶剂达到70-
85重量份并混合均匀，得到所需的100重量份的反应溶液；

[0037] 2)工件预处理

[0038] 待处理活塞环在进行弧光放电碳氮共渗处理之前，用金相砂纸打磨表面至粒度为950-1050#，丙酮清洗并擦拭干净后，在活塞环上下台阶面、内径面和端面涂覆耐高温绝缘漆，待漆干后放入容器进行处理；

[0039] 3)活塞环弧光放电碳氮共渗表面处理

[0040] 将预处理过的活塞环置入盛放有特定成分及浓度溶液的可调压容器中，以待处理的活塞环为阴极、惰性电极材料为阳极，两极之间施加直流脉冲电压，在溶液与待处理活塞环接触界面形成弧光放电，使溶液电离产生含碳、氮离子的等离子体，与活塞环发生化合反应并向工件内部扩散，实现碳氮共渗；利用等离子体气泡破裂产生的压力波冲击活塞环表面的金属熔融区，使活塞环外径面形成凹凸不平的微坑变形；在处理过程中，通过调节容器内的压力来控制等离子体气泡的生成量和破裂压力，以控制活塞环外径面微变形量，提高表面处理的质量。

[0041] 所述步骤1)中反应溶液的溶剂为自来水，含碳氮有机物为尿素，自来水具有一定的导电能力与电阻率，能够较好地满足产生弧光放电的条件，且价格低廉。尿素在反应后的排放产物为氮气和二氧化碳，对环境污染极少，而且尿素的价格较低，水溶性极好。

[0042] 所述步骤2)中待处理活塞环为定型、清洗工序后未经其他处理的活塞环。

[0043] 所述步骤3)的表面处理装置包括直流脉冲电源8，所述直流脉冲电源8阳极导线3和阴极导线4电连接可调压容器9，所述阳极导线3电连接所述可调压容器9内的惰性电极10，所述阴极导线4电连接所述可调压容器9内的活塞环11，所述可调压容器9放置在冷却槽
12内。

[0044] 直流脉冲电源8可输出电压范围：0-1000V，电流范围：0-10A，占空比0-100％可调节，频率100-3000Hz可调节，输出电压及电流与设定值之间误差均≤0.5％；阳极导线3与阴极导线4均为多股铜线以减小脉冲波形失真，保证工作质量；冷却槽12采用绝缘材料制成，长、宽、高尺寸分别为400mm、300mm、200mm，壁厚为5mm，进水口位于左侧面下部，出水口位于右侧面上部，水循环流量为10L/min。

[0045] 工作时，可调压容器9水平放置于冷却槽中。

[0046] 当装置需要在压力小于1bar的条件下工作时，进/排气管2接入真空泵，由真空泵抽吸作用配合调压阀1实现装置内部所需的负压。当装置需要在压力大于1bar的条件下工作时，进/排气管2接入高纯氮气瓶，由高压氮气瓶配合调压阀1实现装置内部所需的压力。

[0047] 所述可调压容器为可视化密闭容器。

[0048] 所述可视化密闭容器包括容器体7，所述容器体7顶部设有容器盖5，所述容器体7和容器盖5之间安装有橡胶垫圈6，所述容器盖5顶部安装有进/排气管2，所述进/排气管2上安装有调压阀1，所述容器体7还电连接贯穿所述容器盖5的阳极导线3和阴极导线4。

[0049] 所述调压阀1为气动可调式气压调节阀，压力表量程范围为0-1MPa，最小刻度为0.02MPa；进/排气管2的外径与调压阀1进/出气孔及容器盖5出气孔的内径尺寸相匹配，选用不锈钢材质，管壁厚度不小于0.8mm，调压阀1和容器盖5与管道2连接处需用进行密封处理；阳极导线3和阴极导线4与容器盖5连接处需进行密封及绝缘处理；橡胶垫圈6的外径为
180mm，内径为168-172mm，厚度为2-3mm；容器体7与容器盖的外径为180mm，最薄处壁厚不低于3.2mm。

[0050] 所述可视化密闭容器调压范围为0-2bar，可盛放溶液体积范围为2-3L。

[0051] 所述的可视化密闭容器工作电压范围为220-600V，处理时间在2-30min范围内。

[0052] 实施例1

[0053] 首先将经过定型、清洗工序后得到的合金铸铁活塞环的外径面在金相砂纸上打磨至粒度为1000#，然后用丙酮清洗打磨后的活塞环并擦拭干净，之后在活塞环上下台阶面、内径面和端面涂覆耐高温绝缘漆，放入干燥箱在105℃温度下干燥3小时备用。取1.5L的自来水，加入500g的尿素，快速搅拌至全部溶解后倒入容器，再加自来水至2L并混合均匀，得到反应溶液。将经过预处理的活塞环和惰性电极分别与阴、阳极导线相连接后浸没在配制好的溶液中，加电压至360V，保持容器内的压力为0.8bar，处理5min，即可得到厚度达80μm的渗透层，活塞环外径面微坑覆盖率约为62.9％，微坑最大深度约为15μm。

[0054] 实施例2

[0055] 首先将经过定型、清洗工序后得到的合金铸铁活塞环的外径面在金相砂纸上打磨至粒度为1000#，然后用丙酮清洗打磨后的活塞环并擦拭干净，之后在活塞环上下台阶面、内径面和端面涂覆耐高温绝缘漆，放入干燥箱在105℃温度下干燥3小时备用。取1.5L的自来水，加入800g的尿素，快速搅拌至全部溶解后倒入容器，再加自来水至2L并混合均匀，得到反应溶液。将经过预处理的活塞环和惰性电极分别与阴、阳极导线相连接后浸没在配制好的溶液中，加电压至400V，保持容器内的压力为1bar，处理10min，即可得到厚度达120μm的渗透层，活塞环外径面微坑覆盖率约为51.6％，微坑最大深度约为20μm。

[0056] 实施例3

[0057] 首先将经过定型、清洗工序后得到的合金铸铁活塞环的外径面在金相砂纸上打磨至粒度为1000#，然后用丙酮清洗打磨后的活塞环并擦拭干净，之后在活塞环上下台阶面、内径面和端面涂覆耐高温绝缘漆，放入干燥箱在105℃温度下干燥3小时备用。取1.5L的自来水，加入500g的尿素，快速搅拌至全部溶解后倒入容器，再加自来水至2L并混合均匀，得到反应溶液。将经过预处理的活塞环和惰性电极分别与阴、阳极导线相连接后浸没在配制好的溶液中，加电压至420V，保持容器内的压力为1.6bar，处理5min，即可得到厚度达100μm的渗透层，活塞环外径面微坑覆盖率约为38.1％，微坑最大深度约为25μm。

[0058] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。