使用等离子体浸没离子注入(PIII)对活塞环进行渗氮的装置

摘要

本发明公开了一种用于支承安装于其上的物体以进行掺杂的装置，其包括底部、设置在底部上的中心支撑体和至少一个适于连接并包住中心支撑体的外壳盖，从而在其间产生空腔。所述物体适于经由其内表面紧固地安装在外壳盖上，因此在物体掺杂期间，由掺杂系统提供的热量通过所述腔以加热物体。同样，通过由掺杂系统提供的掺杂剂来均匀地掺杂物体的外表面。还公开了一种使用该装置对多个活塞环进行渗氮的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及用于对活塞环进行渗氮的支承装置，且具体地涉及使用等离子体浸没离子注入(PIII)对活塞环进行渗氮的支承装置。 

背景技术

近几年，内燃机被设计以满足增长的对高输出量、高的单位分钟转数和更长的产品使用寿命的需求，并符合世界范围内日益严格的废气排放规定。因此发动机中使用的活塞环是在更加严格的操作环境下运行的。典型地，很多这种活塞环在其上下表面上形成有镀铬膜、氮化层或者物理气相沉积膜。氮化硬面层总是形成在活塞环的外表面上。美国专利US6,279,913中公开了氮化环的实例。镀层操作实质上将增加活塞环的制造成本。 

一般而言，渗氮是一种将氮扩散进入金属表面以产生表面硬化的表面的热处理工艺。其主要用于钢，但也可用于钛、铝和钼。等离子体渗氮，也被称为离子渗氮、等离子体离子渗氮或者辉光放电渗氮，是一种用于金属材料的工业化表面硬化处理。在等离子体渗氮中，渗氮介质的反应性能不归因于温度，而是归因于气体电离态。在这一技术中，使用强电场以产生围绕待氮化表面的气体的离子化分子。该具有离子化分子的高活性气体被称为等离子体，为这种技术命名。用于等离子体渗氮的气体通常为纯氮，因为不需要自发分解。由于氮粒子可通过电离制得，不同于气浴或盐浴的是，等离子体渗氮的效率不取决于温度。因此，等离子体渗氮可以在从260℃至高于600℃的宽的温度范围内实施。例如，可在中等温度(如420℃)下氮化不锈钢而不形成氮化铬沉淀，由此保持其耐腐蚀性能。例如，在美国专利 US6142481、US6139022和US6149162中已经广泛地讨论了对活塞环进行渗氮的方法。 

在如上所述用于渗氮工艺的传统渗氮系统中，涉及了很多部件或构件，尤其是比如加热构件和支承构件，因此系统的这种复杂性会很容易降低在活塞环上渗氮的效率。 

发明内容

根据上述背景技术，本发明的目的是提供用于支承活塞环和对活塞环进行渗氮的可选装置。 

因此，在一个方面，本发明是一种用于在其上支承用于掺杂的至少一个物体的装置，其包括：底部，设置在所述底部上的中心支撑体，和至少一个适于连接到并包住所述中心支撑体以便在其间形成空腔的外壳盖。所述物体适于经由其内表面而牢固地安装在所述外壳盖上，因此在物体的掺杂期间，由掺杂系统提供的热量通过所述腔以加热物体。同样，使用所述掺杂系统提供的掺杂剂来均匀地掺杂所述物体的外表面。 

在本发明的一个示例实施例中，所述装置还包括设置在所述中心支撑体上的延展组件，用于延展所述外壳盖。在另一个示例实施例中，延展组件包括可滑动地连接到所述中心支撑体上的第一滑块和第二滑块，适于被固定至所述第一和第二滑块的铰链，和适于移动所述第一和第二滑块的旋转部件。当使用者将所述旋转部件沿预定方向旋转时，所述第一和第二滑块沿着所述中心支撑体滑动，从而伸展所述铰链，以延展所述外壳盖。 

在另一个示例实施例中，所述装置包括一个外壳盖，其中所述外壳盖还包括用于紧固被安装在所述外壳盖上的物体的紧固轴。在另一个示例实施例中，所述装置包括两个适于互相结合以包住所述中心支撑体的外壳盖，和适于紧固两个外壳盖之间的所述结合的锁。 

在又一个示例实施例中，所述物体为活塞环，且掺杂剂为氮化物。 

根据本发明的另一方面，一种用于在其上安装至少一个待掺杂的活塞环的装置，其包括底部，设置在所述底部上的中心轴，和三个适于互相结合以包住所述中心轴从而在其间形成空腔的外壳盖。所述活塞环适于经由其内表面而紧固地安装到所述外壳盖上，因此在活塞环的掺杂期间，所述腔提供通道，以供由掺杂系统提供的热量通过，从而加热所述活塞环。同样，使用由所述掺杂系统提供的掺杂剂来均匀地掺杂所述活塞环的外表面。 

在另一个示例实施例中，所述装置还包括设置在所述中心轴的每一端上的延展组件，用于延展所述外壳盖。所述延展组件包括可滑动地连接到所述中心支撑体上的第一滑块和第二滑块，适于被固定至所述第一和第二滑块的铰链，和适于移动所述第一和第二滑块的旋转部件。当使用者以预定方向转动所述旋转部件时，所述第一和第二滑块则沿着所述中心支撑体滑动，从而伸展所述铰链，以延展所述外壳盖。 

在本发明的另一方面，提供了一种用于对多个活塞环进行渗氮的方法，其包括如下步骤：提供根据前面所描述的任意实施例的装置，在所述外壳盖上以预定的空间间隔堆叠活塞环，将所述其上安装有活塞环的装置放置在真空腔内，并抽吸所述真空腔至预定的基准压力，将氮气引入所述真空腔内，以使所述真空腔达到预定的工作压力，将等离子体浸没离子注入渗氮应用于所述真空腔，以及，以预定持续时间将所述真空腔的温度提高至预定温度。以此，在所述活塞环的外表面上均匀地掺杂氮化层。 

本发明具有很多优点。例如，由于本发明装置内部的腔提供了用于供在掺杂工艺期间产生的热量通过的通道，安装在所述装置上的活塞环将被更均匀和有效地加热，使得氮化物可被均匀地掺杂在活塞环的外表面上。同样，由于PIII系统同时提供了热量和氮等离子体，有可能只使用一个电源同时进行加热和渗氮，这将提高工艺的总体效率。 

附图说明

图1是根据本发明实施例的装置的透视图； 

图2a是图1中装置的透视图，其中移除了所有三个外壳盖。图2b是图1中装置的透视图，其中只移除了三个外壳盖中的一个。 

图3是图1中装置的透视图，其中只有一个延展组件被设置在中心支撑体的一端。 

图4a是根据本发明另一个实施例的装置的透视图，并且在图4b中示出了活塞环被堆叠和安装在所述装置上。 

图5a是根据本发明另一个实施例的装置的透视图，并且在图5b中示出了活塞环被堆叠和安装在所述装置上。 

图6是图1中装置的透视图，活塞环被堆叠和安装在所述装置上。 

图7a示出了使用根据本发明的一个实施例的装置、通过PIII渗氮工艺对六个活塞环进行氮化。图7b示出了图7a中工艺的实验设备和结果。 

图8示出了氮化后的活塞环的横截面的硬度分布。水平点之间的距离为10微米，并且氮化层的厚度至少为30微米。 

具体实施例

如在此处和权利要求中所使用的，“包括”指的是包含下面的元件但不排除其它元件。物体的“内表面”指的是与安装有该物体于其上的支撑体表面相接触的表面，而物体的“外表面”指的是不与支撑体表面相接触的表面。例如，在本发明中例示的活塞环的“内表面”指的是与安装有活塞环于其上的外壳盖的表面相接触的内周表面，反之，在本发明中例示的活塞环的“外表面”指的是不与外壳盖的表面相接触的上、下和外周表面。 

现在参考图1，本发明的第一实施例是一种用于支承待由掺杂剂掺杂的活塞环的装置10，在优选实施例中，所述掺杂剂例如为氮化物。装置10包括中心轴20，牢固地连接有所述中心轴20于其上的 底部24，以及外壳盖22。在一个例示的实例中，中心轴20为由坚硬材料(例如不锈钢)制成的圆柱形的柱体，并且其充当装置10的基本支撑体。三个弧形圆柱体不锈钢片充当三个外壳盖22，以包住中心轴20，使得在其间形成空腔。 

图2a示出了装置10的不同部分的配置，同时为了易于例示，移除了所有三个外壳盖。延展组件34设置在中心轴20的每一端，该延展组件34包括第一滑块28、第二滑块30和铰链32。通过设置在中心轴20两端上的螺纹36的耦合，第一滑块28和第二滑块30都可滑动地连接到中心轴20上。第一滑块28进一步邻近于被连接到中心轴20的端部上的固定元件38而设置。铰链32连接至第一滑块28和第二滑块30两者上。 

如在具体实例中所示出的，具有T形横截面的外围轴40适用于连接外壳盖22上，如图2b所示。外围轴40被连接至铰链30上，使得第一滑块28和/或第二滑块30的运动引起铰链32相对外围轴40伸展。因此，外围轴40会被朝外推动，这样，连接在其上的外壳盖22会被延展。处于延展状态(即外壳盖22被延展)的装置10将能够容纳具有更大直径的活塞环。在一个优选实施例中，装置10可容纳具有在50mm至70mm范围内的直径的活塞环；在另一个实施例中，装置10可容纳具有在70mm至90mm范围内的直径的活塞环。 

使用者以顺时针或逆时针方向旋转延展组件34的旋转动部件，相应转动了中心轴20，以此带动第一滑块28和/或第二滑块30的运动。如图2a中所示的具体实例中所例示的，底部24充当旋转部件，因此当使用者以预定方向转动“旋转部件”(即底部24)时，中心轴20通过该转动动作而旋转，这引起第一滑块28和第二滑块30沿着中心轴20彼此相对滑动，以伸展铰链30。同样，外壳盖22可由上面所描述的机构被延伸。 

在一个优选实施例中，第一滑块28被牢固地连接至固定部件38 上并变得不可移动，因此只有第二滑块30会移动，并通过中心轴20的旋转动作靠近第一滑块28，以用于伸展铰链30。 

图3演示了本发明的装置10的第二实施例，其中只有一个延展组件34被设置在中心轴20的一端。 

本发明的装置10的另一个实施例如图4a和4b所示，其中只有一个外壳盖22包住中心轴20。在一个优选实施例中，通过本领域通常所知的固定方式，例如但不限于螺钉，外壳盖22被连接到中心轴上。在另一个优选实施例中，外壳盖22包括圆柱腔46，使得中心轴20能够通过其插入，以用于中心轴20和外壳盖22之间的紧固连接。紧固轴44也适于在其外周处被连接至外壳盖22，用于经由活塞环42的内表面来紧固被安装在外壳盖22上的活塞环42。 

在图5a和5b所示的本发明的装置10的另一个实施例中，两个外壳盖22a和22b被用于包住中心轴20。这两个外壳盖22a和22b被固定在每个盖的一端处且适于在每个盖的另一端相互结合，同时锁48适合于紧固这种结合。类似于前述实施例，通过本领域通常已知的固定方式，例如但不限于螺钉，外壳盖22a和22b被连接到中心轴上。在另一个优选实施例中，外壳盖22a包括圆柱腔46，使得中心轴20能够通过其插入，以用于中心轴20和外壳盖22a、22b之间的紧固连接。图5b还示出了活塞环42堆叠在外壳盖22a和22b上。在一个优选实施例中，外壳盖22a和22b相互不完全结合，且在其间设置有小的缝隙。同样，装置的整个外周被扩展以用于容纳具有更大直径的活塞环。在另一个优选实施例中，类似于图4a和4b所示的紧固轴也可被并入到装置中，以用于进一步紧固被安装在外壳盖22a和22b上的活塞环42。 

现在转向在对活塞环进行渗氮的工艺中使用上面所述的装置的操作，其中用包括三个外壳的装置的实施例作为示例。对于本领域技术人员而言，所描述的装置的其它实施例显然也可以用于渗氮工艺。 如图6所示，一系列环42首先沿着装置10的中心轴线以如图6所示的精确的空间间隔而轴向对齐地堆叠。在一个优选实施例中，该空间间隔在0mm至10mm的范围内。然后，具有堆叠环的装置被放置在真空腔内，且真空腔首先被抽空至特定的基准压力，例如5.0x10^-3pa，以最小化腔内的氧气含量。将氮气引入真空腔中以达到0.2Pa至200Pa的工作压力；在一个优选实施例中，工作压力在0.5Pa至200Pa之间。当具有-500V和-2kV之间的电压振幅的负电压脉冲以0Hz和40kHz之间的频率通过对样品台导电而被施加到装置上时，在等离子体浸没离子注入(PIII)工艺中产生氮等离子体；在一个优选实施例中，该频率在100Hz和40kHz之间。负电压脉冲的脉冲宽度至少为5微秒；在一个优选实施例中，脉冲宽度在5微秒和200微秒之间。总体处理工艺在2至10小时的范围内。 

在上述实验条件下，在装置和腔内生成强氮等离子体。当离子和电子流通过装置的空腔时发生自加热，，而这又产生热量且温度可以在200至1000℃的范围内。在一个优选实施例中，当PIII参数，即电压振幅、频率、脉冲宽度最优化时，装置的温度可达到1000℃。然而，为了对活塞环进行渗氮，可通过精细控制PIII参数使温度在500℃以下。 

作为实例，在上面所述的活塞环的PIII渗氮工艺中例示了本发明装置的用途，图7b概括了在不同的PIII参数和处理时间下对多个环实施的一系列实验。样品1的环的厚度为2mm，而样品2的环的厚度为4mm。所有环的直径为63mm，且以其间5mm或10mm的空间间隔被安装在装置上(例如，如图6所示)。工作压力被固定在50Pa，而负电压脉冲的脉冲频率为40kHz。负电压脉冲的脉冲宽度和负电压振幅是变化的，以用于将温度精确控制在500℃下。脉冲宽度的范围在11.25微秒至17.5微秒之间，而负电压振幅的范围在-590V至-650V之间。所有这些实验的总处理时间为5或6小时。 

如图7a所示，通过该工艺在50Pa的工作压力、40kHz的负电压脉冲频率、-590V的负电压脉冲电压以及17.5微秒的负电压脉冲宽度下处理六个活塞环50，持续6小时。与原环相比，经过处理的环的颜色变暗，同时在环的外表面上出现均匀的氮化物沉积。在图7a中描述的特定实例显示了与原环52并排的经过处理的环50。当在整个工艺中将装置的温度保持在500℃以下时，在经过处理的环50中没有观察到形变。 

根据维式(Vickers)硬度实验来确定环的平均硬度，在该实验中，在以克为单位的负荷下，将硬度计压头按压在实验样品的表面上。在该实例中，硬度计压头为金刚石。然后通过F/A的比率来确定维式角锥硬度值(HV)，其中F是施加在金刚石上的力，单位为克-力，A是所产生的压痕的表面面积，单位为平方毫米。在该实例中，在原环和经过处理的环这两种环上，测量总共14个点(分别是来自环顶面和底面的7个点)并取均值。未经处理的原环显示出的平均硬度为474HV(100gf)。如图7b所示，对于经过PIII渗氮处理后的环，其平均硬度从原环的474HV(100gf)增长到900和1000HV之间。因此，该系列实验显示出，使用了本发明的支承装置的活塞环的PIII渗氮工艺是可重复的，并且在接受实验的环中产生均匀的氮化物沉积。 

图8描绘了使用本发明的装置的PIII渗氮工艺来处理的活塞环的一部分的纵向横截面。通过以10克的负荷敲击硬度计压头62，在环60的表面处实施硬度分布。硬度计压头的水平点之间的距离保持在10微米，该距离由样品台千分尺控制。其显示出，通过使用本发明的装置的所述工艺，掺杂在环上的氮化层的厚度至少为30微米；在一个优选实施例中，氮化层的厚度为30微米至60微米之间。 

由此充分描述了本发明的典型实施例。尽管实施描述涉及具体的实施例，对本领域技术人员而言，本发明显然可以使用这些具体细节 的变化来实施。因此本发明不应被解释为被局限于此处所陈述的实施例。 

例如，本发明的装置内的部件之间的连接，比如在外围轴和外壳盖之间的连接，或者在铰链和外围轴之间的连接，可以通过本领域中通常已知的固定装置来实现，例如但不限于螺钉。 

而且，尽管将活塞环作为待使用本发明的装置被掺杂的物体来讨论，对本领域技术人员而言，显然可以使用对所述装置的任何部分或部分的组合进行适当调节和改变的装置、以期望的掺杂剂来对其它物体进行掺杂，比如刀具、钻头等。 

同样，尽管图2a中的底部24充当延展组件34的旋转部件，对于本领域技术人员而言，所述装置的其它部分或部分的组合显然也能够充当旋转部件，只要该部分或部分的组合可引起第一和第二滑块的运动，以用于伸展铰链从而延展外壳盖。