專利名稱：激光合金化的鋁合金引擎零組件及其制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種引擎零組件及其制法，特別是指一種適用于摩托車引擎的激光合金化的鋁合金引擎零組件及其制法。
背景技術(shù)：
摩托車引擎作動時，汽缸、汽缸頭等零組件必須承受燃油爆炸的高溫與瞬間高壓，以及活塞、進(jìn)排氣閥門…等零組件往復(fù)運動的接觸磨耗，因此，引擎零組件必須具備散熱快、耐高溫、耐磨耗等特點。目前業(yè)界雖然大部份已采用散熱快、硬度高的鋁合金作為引擎零組件的基材，希望能藉此延長引擎使用壽命；但是，目前以鋁合金為材料所制作的引擎零組件，例如汽缸、汽缸套、活塞…等，其耐磨耗性雖已有所改進(jìn)，但仍然不敷當(dāng)前對于引擎的耐磨耗性的需求。
參閱圖1，以鋁合金引擎零組件的一鋁合金陶瓷汽缸1為例，目前業(yè)界為了提高其耐磨耗性，是在鋁合金陶瓷汽缸1的一表面11向外鍍覆一具有高硬度的耐磨耗層13，以提升鋁合金陶瓷汽缸1本身的耐磨耗性。
上述耐磨耗層13是應(yīng)用表面處理技術(shù)，以化學(xué)或電化學(xué)方法，將鎳硅碳合金鍍覆在鋁合金陶瓷汽缸1的表面11向外形成，由于其具有良好的表面硬度，因此可以滿足摩托車用鋁合金引擎零組件所需的耐磨耗性的需求。
然而，此種在鋁合金基材12向外鍍覆耐磨耗層13的強化鋁合金引擎零組件的方式，由于耐磨耗層13厚度一般在0.1mm以下，因此會產(chǎn)生耐磨耗層13剝離基材12的問題，而降低引擎的壽命。
所以，如何制造出具有較高的耐磨耗性，同時不會發(fā)生耐磨耗層13剝離基材12的問題的鋁合金引擎零組件，以增加引擎壽命，是業(yè)者不斷努力研究發(fā)展的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的是提供一種激光合金化的鋁合金引擎零組件及其制法，使鋁合金引擎零組件具有連續(xù)路徑分布的合金層，以提升摩托車用鋁合金引擎零組件的耐磨耗性。
此外，本發(fā)明的另一目的是提供一種激光合金化的鋁合金引擎零組件及其制法，使鋁合金引擎零組件不會發(fā)生合金層剝離的現(xiàn)象，以使鋁合金引擎零組件更加耐用。
于是，本發(fā)明提供一種激光合金化的鋁合金引擎零組件，包含一鋁合金材料為基材的該引擎零組件的本體；其特征在于該本體的一接觸面分布有向接觸面內(nèi)部連續(xù)延伸的合金層，該合金層是以合金粉末與該基材合金化所形成。
所述激光合金化的鋁合金引擎零組件，其特征在于該合金層深度為0.2至3.5mm，且呈連續(xù)路徑分布。
該合金層可以是具有一預(yù)定成分的介金屬化合物，該合金層可以是呈多數(shù)相間隔的線狀分布。
該合金層也可以是呈縱橫間隔的網(wǎng)狀分布。
該合金層也可呈大區(qū)塊連續(xù)面狀分布。
本發(fā)明還提供一種激光合金化的鋁合金引擎零組件的制法，其特征在于包括如下步驟(1)先將已成型的鋁合金引擎零組件本體清洗，去除其接觸面上的油脂及其他臟污；(2)將合金粉末均勻粘覆在接觸面的預(yù)定區(qū)域內(nèi)；(3)預(yù)熱合金粉末與該本體，再以一定功率的激光同時作用于合金粉末與該本體，使自該接觸面向內(nèi)形成深度為0.2～3.5mm的硬化的合金層，該合金層具有一預(yù)定成分的介金屬化合物；
(4)進(jìn)行機械加工使該接觸面平整。
在上述的步驟(1)之后可以適量的二氧化硅、乙醇、市售墨汁，及介面活性劑調(diào)制成粘結(jié)劑，并將其均勻涂覆于清潔后的該本體的接觸面上；然后將合金粉末以自動灑粉器均勻灑覆于上述已涂覆有粘結(jié)劑的接觸面的預(yù)定區(qū)域內(nèi)。
該步驟(3)的預(yù)熱溫度為80℃～400℃，再以103至107W/cm2的功率的激光同時作用于合金粉末與涂覆有該粘結(jié)劑的本體，使該合金粉末與該鋁合金基材形成合金化。
本發(fā)明的激光合金化的鋁合金引擎零組件及其制法，使鋁合金引擎零組件具有連續(xù)分布的合金層，可以提升摩托車用鋁合金引擎零組件的耐磨耗性。
此外，本發(fā)明可使鋁合金引擎零組件不會發(fā)生合金層剝離的現(xiàn)象，以使鋁合金引擎零組件更加耐用。
本發(fā)明的前述以及其他技術(shù)內(nèi)容、特點與功效，在以下配合參考附圖所示的較佳實施例的詳細(xì)說明中，將可更清楚明白。

圖1是說明習(xí)知的一鍍覆有耐磨耗層的鋁合金陶瓷汽缸的立體圖；圖2是說明本發(fā)明激光合金化的鋁合金引擎零組件的一較佳實施例鋁合金汽缸的立體圖，；圖3是圖2的一局部展開圖，說明合金層的分布狀態(tài)圖4是一類似該圖3的展開圖，配合說明合金層可以呈間隔的直線連續(xù)分布；及圖5是一類似該圖3展開圖，配合說明一合金層可以呈縱橫交錯的棋盤狀直線連續(xù)分布；及圖6是一SEM照片，說明本發(fā)明的一合金層的晶相結(jié)構(gòu)。
具體實施方式
本發(fā)明的一種激光合金化的鋁合金引擎零組件，適用于摩托車引擎，例如汽缸、汽缸套、汽缸頭、活塞…等引擎零組件，使得引擎零組件耐磨耗性提高，為使說明清楚起見，以下以鋁合金汽缸2為例說明。
請同時參閱圖2、3，鋁合金汽缸2是以鋁合金壓鑄成型或鑄造成型(如圖2所示)，經(jīng)過激光合金化，包含一鋁合金基材22的本體，該本體具有一接觸面21，及一自鋁合金基材22的接觸面21向內(nèi)形成的合金層23(配合參閱圖3)。
先將已成型的鋁合金汽缸2的本體，以重量百分比10％的氫氧化鈉溶液清洗，再以清水沖洗，并如此重復(fù)數(shù)次，以去除其表面的油脂及其他臟污。當(dāng)然，此清潔過程可以使用其他重量百分比的堿性溶液、酸性溶液，及脫脂劑等，只要能去除鋁合金汽缸2本體表面上的油脂及其他臟污，且不侵蝕鋁合金汽缸2本體本身即可。
接著以適量的二氧化硅、乙醇、市售墨汁，及介面活性劑調(diào)制成粘結(jié)劑，并將其均勻涂覆于清潔后的鋁合金汽缸2本體的接觸面21。
然后將預(yù)定組成且粒徑范圍介于70um與200um之間的合金粉末，以自動灑粉器均勻灑覆于上述已涂覆有粘結(jié)劑的鋁合金汽缸2本體上。為配合本例中合金粉末的粒徑范圍，自動灑粉器是以每分鐘1～2克，且0.5rpm轉(zhuǎn)速的機臺設(shè)定，將合金粉末均勻灑覆。
同時，為適應(yīng)不同零組件設(shè)計所需，上述合金粉末可分別選自以鎳為基底的鎳基合金粉末(其組成為重量百分比0.4％的碳、重量百分比4％的硅、重量百分比2.3％的硼、重量百分比3％的鐵、重量百分比11％的鉻，及平衡量的鎳)、以鈷為基底的鈷基合金粉末(其組成為重量百分比1.7％的碳、重量百分比1.2％的硅、重量百分比12.5％的鎢、重量百分比1％的鐵、重量百分比25％的鉻、重量百分比22％的鎳，及平衡量的鈷)、以鐵為基底的鐵基合金粉末(其組成為重量百分比0.3％的碳、重量百分比3.7％的硅、重量百分比0.2％的錳、重量百分比2.5％的硼、重量百分比18％的鉻、重量百分比介于7.5％的鎳，及平衡量的鐵)，及以銅為基底的銅基合金粉末(主要成分是重量百分比10％的鋁、平衡量的銅，及其他不可避免的微量元素)中任一種。
當(dāng)然，上述鎳、鈷、鐵、銅基合金粉末的成分并不以此為限，舉例來說，包含重量百分比介于0.41％至0.39％之間的碳、重量百分比介于4.12％至3.88％之間的硅、重量百分比介于2.37％至2.23％之間的硼、重量百分比介于3.09％至2.91％之間的鐵、重量百分比介于11.33％至10.67％之間的鉻，及平衡量的鎳(即其余為鎳)所組成的鎳基合金粉末，包含重量百分比介于1.75％至1.65之間的碳、重量百分比介于1.24％至1.16％之間的硅、重量百分比介于12.88％至12.13％之間的鎢、重量百分比介于1.03％至0.97％之間的鐵、重量百分比介于25.75％至24.25％之間的鉻、重量百分比介于22.66％至21.34％之間的鎳，及平衡量的鈷(即其余為鈷)所組成的鈷基合金粉末，包含重量百分比0.3％的碳、重量百分比介于3.81％至3.59％之間的硅、重量百分比為0.2％的錳、重量百分比介于2.58％至2.43％之間的硼、重量百分比介于18.54％至17.46％之間的鉻、重量百分比介于7.73％至7.28％之間的鎳，及平衡量的鐵所組成的鐵基合金粉末，及包含重量百分比介于10.3％至9.7％之間的鋁、平衡量的銅，及其他少數(shù)不可避免的微量元素所組成的鋁基合金粉末，皆可直接適用于本發(fā)明中；由于此等合金成分組成方式眾多，在此不再一一舉例說明。
最后預(yù)熱合金粉末與涂覆有粘結(jié)劑的鋁合金汽缸2的本體，使溫度介于80℃與400℃之間，再以103至107W/cm2的功率的激光同時作用于合金粉末與涂覆有該粘結(jié)劑的鋁合金汽缸2的本體，而自鋁合金基材22的接觸面21向內(nèi)形成約0.2至3.5mm的硬化深度的合金層23，且該合金層23以連續(xù)路徑分布而形成多數(shù)縱橫間隔的網(wǎng)狀態(tài)樣分布，如第圖3所示，而完成激光合金化的鋁合金汽缸2。
當(dāng)然，熟知金屬加工技藝人士均知，此時完成鋁合金汽缸2的接觸面21，必然有些許高低不平整，此時可進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)的機械加工，例如搪孔加工、清洗…等等業(yè)界熟知的加工制程，而使該接觸面21更為光滑平整，由于此等后續(xù)機械相關(guān)加工制程以為業(yè)界所周知，在此不一一贅述。
在此要特別說明的是，涂覆粘結(jié)劑的作用僅在使合金粉末均勻分布于鋁合金汽缸2的表面，而可使合金粉末與鋁合金汽缸2更輕易完成合金化過程，并非一定必要涂覆粘結(jié)劑，方可進(jìn)行合金粉末與鋁合金汽缸的的合金化。同時，預(yù)熱合金粉末與涂覆有該粘結(jié)劑的鋁合金汽缸的使其到達(dá)的溫度范圍，是與預(yù)定作用的激光的功率及作用時間正相關(guān)，同時必須配合欲合金化的面積而定，一般預(yù)熱的溫度越高、作用激光的功率愈強，及作用時間越長，所形成的合金層厚度越厚，合金化的程度也越高。
再者，可以先預(yù)熱合金粉末與鋁合金汽缸2，而在灑覆合金粉末的同時，以激光同步作用于合金粉末與鋁合金汽缸2，而合金化形成合金層23。
當(dāng)然，也必須依照不同零組件的形狀而形成合金層23的態(tài)樣需求，設(shè)計其相配合的方式，將合金層23形成如圖4所示之間隔分布的連續(xù)直線分布，或是如圖5所示的棋盤狀縱橫交錯的多數(shù)直線分布，或是不考慮制造成本，將接觸面21以大區(qū)塊方式整面均勻形成合金層23，以符合實際零組件的耐磨耗性的需求，由于上述的制程及相互配合方式繁多，故在此不再多加贅述。
上述以激光作用于預(yù)先灑覆的合金粉末與鋁合金基材22合金化形成的合金層23，其主要是形成包含預(yù)定成分比例、分布均勻致密且晶相結(jié)構(gòu)良好完整的介金屬化合物，且部分硬化層組織可達(dá)到次奈米相組織，請參閱圖6所示，而可提升其耐磨耗性，舉例來說，若灑覆的合金粉末是上述舉例成分鎳基合金粉末，該合金層即為包含碳、硅、硼、鐵，及鉻等元素的鋁鎳介金屬化合物；若灑覆的合金粉末是鈷基合金粉末，該合金層即為包含碳、硅、鎢、鐵、鉻，及鎳等元素的鋁鈷介金屬化合物；若灑覆的合金粉末是鐵基合金粉末，該合金層即為包含碳、硅、錳、硼、鉻，及鎳等元素的鋁鐵介金屬化合物；若灑覆的合金粉末是銅基合金粉末，該合金層即為包含鋁及其他少量不可避免的微量元素的鋁銅介金屬化合物，而可符合當(dāng)前引擎零組件的耐磨耗性的需求。
由上述說明可知，本發(fā)明激光合金化的鋁合金引擎零組件，是以激光自鋁合金引擎零組件的接觸面21向內(nèi)合金化，形成一高硬度、耐磨耗且成連續(xù)路徑分布的合金層23，使合金層23自基材22的接觸面21向內(nèi)合金化形成硬化深度約0.2至3.5mm的合金層23，而不會有合金層23與基材22相互間附著力的問題產(chǎn)生，而可以改善習(xí)知鍍覆有耐磨耗層13的鋁合金陶瓷汽缸1，會發(fā)生鍍覆的耐磨耗層13剝落的問題，同時，合金層23是以連續(xù)路徑分布的線狀、網(wǎng)狀，及整區(qū)塊形成分布，而使得引擎實際運作時各零組件的耐磨耗性提升，而可延長引擎的使用壽命，確實達(dá)到本發(fā)明的目的。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，當(dāng)不能以此限定本發(fā)明實施的范圍。
權(quán)利要求
1.一種激光合金化的鋁合金引擎零組件，包含一鋁合金材料為基材的該引擎零組件的本體；其特征在于該本體的一接觸面分布有向接觸面內(nèi)部連續(xù)延伸的合金層，該合金層是以合金粉末與該基材合金化所形成。
2.如權(quán)利要求1所述激光合金化的鋁合金引擎零組件，其特征在于該合金層深度為0.2至3.5mm，且呈連續(xù)路徑分布。
3.如權(quán)利要求1所述激光合金化的鋁合金引擎零組件，其特征在于該合金層是具有一預(yù)定成分的介金屬化合物，該合金層是呈多數(shù)相間隔的線狀分布。
4.如權(quán)利要求1所述激光合金化的鋁合金引擎零組件，其特征在于該合金層是呈縱橫間隔的網(wǎng)狀分布。
5.如權(quán)利要求1所述激光合金化的鋁合金引擎零組件，其特征在于該合金層呈大區(qū)塊連續(xù)面狀分布。
6.一種激光合金化的鋁合金引擎零組件的制法，其特征在于包括如下步驟(1)先將已成型的鋁合金引擎零組件本體清洗，去除其接觸面上的油脂及其他臟污；(2)將合金粉末均勻粘覆在接觸面的預(yù)定區(qū)域內(nèi)；(3)預(yù)熱合金粉末與該本體，再以一定功率的激光同時作用于合金粉末與該本體，使自該接觸面向內(nèi)形成深度為0.2～3.5mm的硬化的合金層，該合金層具有一預(yù)定成分的介金屬化合物；(4)進(jìn)行機械加工使該接觸面平整。
7.如權(quán)利要求6所述的激光合金化的鋁合金引擎零組件的制法，其特征在于在上述的步驟(1)之后以適量的二氧化硅、乙醇、市售墨汁，及介面活性劑調(diào)制成粘結(jié)劑，并將其均勻涂覆于清潔后的該本體的接觸面上；然后將合金粉末以自動灑粉器均勻灑覆于上述已涂覆有粘結(jié)劑的接觸面的預(yù)定區(qū)域內(nèi)。
8.如權(quán)利要求7所述的激光合金化的鋁合金引擎零組件的制法，其特征在于該步驟(3)的預(yù)熱溫度為80℃～400℃，再以103至107W/cm2的功率的激光同時作用于合金粉末與涂覆有該粘結(jié)劑的本體，使該合金粉末與該鋁合金基材形成合金化。
9.如權(quán)利要求7所述激光合金化的鋁合金引擎零組件的制法，其特征在于該合金粉末的粒徑介于70um與200um之間。
10.如權(quán)利要求6或7所述激光合金化的鋁合金引擎零組件的制法，其特征在于該合金粉末選自鎳基合金、鈷基合金、鐵基合金，及/或銅基合金其中之一。
11.如權(quán)利要求10所述激光合金化的鋁合金引擎零組件的制法，其特征在于該合金粉末是以鎳為基底，并選擇地包含碳、硅、硼、鐵，及/或鉻。
12.如權(quán)利要求11所述激光合金化的鋁合金引擎零組件的制法，其特征在于其中，碳的重量百分比介于0.41％至0.39％之間、硅的重量百分比介于4.12％至3.88％之間、硼的重量百分比介于2.37％至2.23％之間、鐵的重量百分比介于3.09％至2.91％之間、鉻的重量百分比介于11.33％至10.67％之間，及平衡量的鎳。
13.如權(quán)利要求10所述激光合金化的鋁合金引擎零組件的制法，其特征在于該合金粉末是以鈷為基底，并選擇地包含碳、硅、鎢、鐵、鉻，及/或鎳。
14.如權(quán)利要求13所述激光合金化的鋁合金引擎零組件的制法，其特征在于其中，碳的重量百分比介于1.75％至1.65％之間、硅的重量百分比介于1.24％至1.16％之間、鎢的重量百分比介于12.88％至12.13％之間、鐵的重量百分比介于1.03％至0.97％之間、鉻的重量百分比介于25.75％至24.25％之間、鎳的重量百分比介于22.66％至21.34％之間，及平衡量的鈷。
15.如權(quán)利要求10所述激光合金化的鋁合金引擎零組件的制法，其特征在于其中，該合金粉末是以鐵為基底，并選擇地包含碳、硅、錳、硼、鉻，及/或鎳。
16.如權(quán)利要求15所述激光合金化的鋁合金引擎零組件的制法，其特征在于其中，碳的重量百分比0.3％、硅的重量百分比介于3.81％至3.59％之間、錳的重量百分比為0.2％、硼的重量百分比介于2.58％至2.43％之間、鉻的重量百分比介于18.54％至17.46％之間、鎳的重量百分比介于7.73％至7.28％之間，及平衡量的鐵。
17.如權(quán)利要求10所述激光合金化的鋁合金引擎零組件的制法，其特征在于其中，該合金粉末是以銅為基底，并包含鋁。
18.如權(quán)利要求17所述激光合金化的鋁合金引擎零組件的制法，其特征在于其中，鋁的重量百分比介于10.3％至9.7％之間，及平衡量的銅。
19.如權(quán)利要求10所述激光合金化的鋁合金引擎零組件的制法，其特征在于其中，該介金屬化合物是鋁鎳介金屬化合物，并選擇地包含碳、硅、硼、鐵，及/或鉻。
20.如權(quán)利要求10所述激光合金化的鋁合金引擎零組件的制法，其特征在于其中，該介金屬化合物是鋁鈷介金屬化合物，并選擇地包含碳、硅、鎢、鐵、鉻及/或鎳。
21.如權(quán)利要求10所述激光合金化的鋁合金引擎零組件的制法，其特征在于其中，該介金屬化合物是鋁鐵介金屬化合物，并選擇地包含碳、硅、錳、硼、鉻及/或鎳。
22.如權(quán)利要求1所述激光合金化的鋁合金引擎零組件的制法，其特征在于其中，該介金屬化合物是鋁銅介金屬化合物，并包含鋁。
全文摘要
一種激光合金化的鋁合金引擎零組件及其制法，該引擎零組件包含一鋁合金材料為基材的該引擎零組件的本體；該本體的一接觸面分布有向接觸面內(nèi)部連續(xù)延伸的合金層，該合金層是以合金粉末與該基材合金化所形成。該制法主要是先將鋁合金引擎零組件本體清洗，將合金粉末均勻粘覆在接觸面的預(yù)定區(qū)域內(nèi)，再預(yù)熱合金粉末與該本體，再以激光同時作用于合金粉末與該本體，使自該接觸面向內(nèi)形成深度為0.2～3.5mm的硬化的合金層，本發(fā)明可以提升摩托車用鋁合金引擎零組件的耐磨耗性，使鋁合金引擎零組件不會發(fā)生合金層剝離的現(xiàn)象，使鋁合金引擎零組件更加耐用。
文檔編號C23C24/10GK1537970SQ0311065
公開日2004年10月20日 申請日期2003年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月18日
發(fā)明者高森田, 楊耀升, 莊堯智, 廖英彥, 郭力源, 李英仁, 莊道弦 申請人:光陽工業(yè)股份有限公司