發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有耐磨涂層復(fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪及其制備方法，尤其涉及一種具有耐磨碳化物涂層的復(fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪及其制備方法，具體涉及一種應(yīng)用于碳鋼表面的耐磨碳化物涂層復(fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]凸輪是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，不僅承受著一定的載荷，而且經(jīng)受著長(zhǎng)時(shí)間的磨損，其性能好壞直接影響著汽車的質(zhì)量和壽命。凸輪是凸輪軸上重要的一部分，凸輪軸主要由凸輪、支承軸頸、軸頸等幾部分組成，用以控制氣門按一定的工作次序和配氣相位及時(shí)開閉，并保證氣門有足夠的升程，對(duì)整個(gè)配氣系統(tǒng)的性能具有決定性作用。其工作時(shí)，凸輪表面和挺桿之間有很高的周期性接觸應(yīng)力和較快的相對(duì)滑動(dòng)速度，并且在機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生高溫，致使凸輪經(jīng)常以凸輪表面出現(xiàn)擦傷、點(diǎn)蝕、磨損、邊緣龜裂及剝落等形式失效，因此要求凸輪材料具有較好的剛性和抗疲勞強(qiáng)度以及良好的耐磨性能。
[0003]目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)凸輪的材料主要有鍛鋼和鑄鐵兩種。以前，轎車發(fā)動(dòng)機(jī)多采用鍛鋼凸輪。近年來，為了降低生產(chǎn)成本、改善加工性能，轎車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪的生產(chǎn)開始采用各種鑄鐵材料。同時(shí)，由凸輪的工作條件可知，其主要磨損是由凸輪表面和挺桿之間的摩擦產(chǎn)生的，對(duì)凸輪部分的硬度和耐磨性能要求很高。因此，在當(dāng)前國(guó)內(nèi)外轎車凸輪生產(chǎn)中，鑄鐵已經(jīng)成為廣泛應(yīng)用的材料。其次凸輪的鑄造工藝和表面強(qiáng)化亦是制備過程中必須考宄的問題。凸輪工作時(shí)，不僅經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間的磨損，同時(shí)凸輪作為軸類零件，承受著一定的載荷，其表面常處于最大應(yīng)力狀態(tài)，并且介質(zhì)環(huán)境復(fù)雜。因此，零件的失效和破壞也大多發(fā)生在表面或從表面開始，如在零件表層引入一定的殘余壓應(yīng)力，增加表面硬度，改善表層組織等，就能顯著地提高零件的疲勞強(qiáng)度和耐磨性。表面強(qiáng)化工藝可在保證零件整體塑、韌性的同時(shí)有效提高表層耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，有時(shí)還能提高耐腐蝕性能，已在凸輪、曲軸、傳動(dòng)齒輪等制造領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。目前，在凸輪生產(chǎn)中，經(jīng)常使用的表面強(qiáng)化工藝主要有淬火工藝和重熔工藝，此外，還有液體氮化工藝等。
[0004]碳化物材料的涂層是現(xiàn)階段使用較多一種材料，其具有硬度高、耐磨損性能優(yōu)越的特點(diǎn)，以涂層方式覆蓋在碳鋼合金基體表面可以提高由基體材料制備的零部件的耐磨性與壽命。其中WC是一種常見涂層材料，其有如下特點(diǎn)特性:(I)具備密度低、強(qiáng)度高、彈性模量高、耐磨、耐腐蝕、抗氧化等優(yōu)異的綜合性能；(2)其顆粒一般呈圓球狀，其晶格結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu)，具有很高的熱穩(wěn)定性和硬度；(3)便于切削加工、焊接、鍛造，并且加工過程熱變形小，且具有普通熔煉鋼的冷熱加工性能。因此，WC涂層被廣泛地用作無肩冷熱碳鋼加工工具、切削刀具、各種模具、耐磨耐熱耐蝕零件表面等。
[0005]目前碳鋼材料表面涂層技術(shù)有:激光熔覆法、高溫自蔓延燒結(jié)技術(shù)、粉末冶金技術(shù)、材料氣相沉積技術(shù)(包括:化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD))等，但這些方法，存在生產(chǎn)設(shè)備要求苛刻、生產(chǎn)效率低、涂層結(jié)合強(qiáng)度低等不足。因此如何在發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪工作表面獲得WC相的涂層，并且選擇一種生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝流程短的制備方法，獲得與基體結(jié)合力好、不易脫落且力學(xué)性能、耐磨性能優(yōu)異的涂層是亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪，在其凸輪工作部位的表面具有一種耐磨涂層，該涂層有利保證凸輪表面具有很高的硬度和很好的耐磨性和斷裂韌性，而凸輪基體內(nèi)部具有很好的韌性；并且提供一種用于獲得上述發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪的制備方法。
[0007]進(jìn)一步的，本發(fā)明還提供一種發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪，其工作部位的表面具有一種梯度符合涂層，其優(yōu)選被涂覆于發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪工作部位的基體表面，以提高其表面的耐磨性和斷裂韌性，并且提供一種用于獲得上述涂層的制備方法。
[0008]所述發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪，在其工作部位具有耐磨涂層，該涂層有利保證發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪表面具有很高的硬度和很好的耐磨性，而凸輪本身具有很好的韌性。
[0009]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
[0010]一種發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪，在其工作面具有耐磨涂層，其特征在于:所述耐磨碳化物涂層為WC致密陶瓷層。優(yōu)選地，WC致密陶瓷層為準(zhǔn)單晶相，所述準(zhǔn)單晶相是指，介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。
[0011]更優(yōu)選地，沿WC致密陶瓷層縱向剖面，其厚度為50-180 μm，優(yōu)選為100-180 μπι ;優(yōu)選地，WC的體積分?jǐn)?shù)大于80%，優(yōu)選大于85% ;WC致密陶瓷層粒徑為10-50 μ m，優(yōu)選為20-50 μ m，沿涂層，。
[0012]此外，本發(fā)明還提供一種發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪，在其工作面具有梯度復(fù)合涂層，所述梯度復(fù)合涂層為碳化物涂層，包括準(zhǔn)單晶相WC致密陶瓷層、微米WC陶瓷層以及WC與基體的融合層O
[0013]優(yōu)選地，WC致密陶瓷層為準(zhǔn)單晶相。所述準(zhǔn)單晶相是指，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的組織。準(zhǔn)單晶相介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，準(zhǔn)單晶相的晶界明顯減少，位錯(cuò)密度低，有較多亞晶界，因此硬度有明顯提升；而較之單晶相，其對(duì)制備方式要求更低，且組織更為穩(wěn)定。
[0014]更優(yōu)選地，沿WC致密陶瓷層縱向剖面，其厚度為50-180 μ m，優(yōu)選為100-180 μπι;其中WC的體積分?jǐn)?shù)大于80%，優(yōu)選大于85% ;粒徑為10-50 μm，優(yōu)選為20-50 μπι。
[0015]進(jìn)一步優(yōu)選地，沿微米WC陶瓷層縱向剖面，其厚度為70-180 μ m，優(yōu)選為130-180 μπι;其中WC的體積分?jǐn)?shù)大于75%，優(yōu)選大于80%，其粒徑為5_30μπι，優(yōu)選為6-25 μm0
[0016]更進(jìn)一步，沿WC與基體的融合層縱向剖面，其厚度為60-300 μπι，優(yōu)選為100-300 μ m ;其中WC的體積分?jǐn)?shù)為40-80 %，優(yōu)選為60-80 %，其粒徑為1_20 μ m，優(yōu)選為5-10 μm0
[0017]更進(jìn)一步的，對(duì)于具有上述三種涂層的復(fù)合的碳化物涂層而言，所述涂層由外向內(nèi)依次成梯度分布，其總厚度為180-660 μπι ;優(yōu)選為330-660 μπι。
[0018]所述發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪以碳鋼為基體，所選碳鋼基體為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼，優(yōu)選為:Q275A、Q255AF、45鋼、T12A、T8、ZG270-450等，見國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB221-79?；w組織根據(jù)熱處理方式的不同為珠光體、馬氏體、鐵素體、貝氏體、奧氏體和索氏體中的一種或幾種。
[0019]本發(fā)明提供一種發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪的制備方法，其工作表面具有耐磨涂層，包括如下步驟:
[0020]I)先準(zhǔn)備一鎢板，優(yōu)選地，其中鎢的純度應(yīng)控制在99.7-99.99%，優(yōu)選地，所述鎢板先被加以表面處理；
[0021]2)按照凸輪尺寸，用聚苯乙烯泡沫塑料制作凸輪消失模，根據(jù)凸輪的工作受力狀況，其主要磨損是凸輪表面與挺桿底面之間強(qiáng)烈的摩擦，據(jù)此在凸輪消失模工作表面固定鎢板，然后在鎢板表面固定外部碳源，使其與鎢板緊密結(jié)合；所述碳源為三級(jí)以上的石墨紙，純度99%，厚度為0.1-0.35mm，。
[0022]3)按照凸輪尺寸，制作砂型；優(yōu)選地，用C02水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬樹脂砂或潮模砂制作砂型。
[0023]4)將碳鋼基材冶煉為鋼液，優(yōu)選的，溫度控制在1610°C -1630°C。
[0024]5)采用消失模真空吸鑄工藝，將上述鋼液澆入放置有凸輪消失模、鎢板和碳源的砂型內(nèi)，待鋼液冷卻凝固后，取出鑄件，清砂處理，獲得凸輪基體為碳鋼，凸輪工作表面為碳鋼與鎢板的復(fù)合體；優(yōu)選地，澆注溫度控制在1610°C _1630°C;更優(yōu)選地，澆注時(shí)間40-50秒為宜；進(jìn)一步優(yōu)選地，一分鐘后，在冒口補(bǔ)饒，優(yōu)選地，室溫冷卻。
[0025]6)將澆鑄完的凸輪復(fù)合體放入具有保護(hù)氣氛的保溫爐內(nèi)保溫，最后隨爐冷卻至室溫，從而在凸輪工作表面形成耐磨涂層，而凸輪基體仍為碳鋼基體。
[0026]其中，耐磨碳化物涂層為WC致密陶瓷層。
[0027]優(yōu)選地，通過控制步驟6)中保溫時(shí)間、保溫溫度獲得該WC致密陶瓷層；優(yōu)選地，WC致密陶瓷層為準(zhǔn)單晶相，所述準(zhǔn)單晶相是指，介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。
[0028]本發(fā)明還提供一種發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪的制備方法，其工作表面具有梯度復(fù)合涂層，包括如下步驟:
[0029]I)、先準(zhǔn)備一鎢板，優(yōu)選地，其中鎢的純度控制在99.7-99.99%，所述鎢板的厚度控制在0.2-3mm ;優(yōu)選地，所述鎢板先被加以表面處理；
[0030]2)按照凸輪尺寸，用聚苯乙烯泡沫塑料制作凸輪消失模，根據(jù)凸輪的工作受力狀況，其主要磨損是凸輪表面與挺桿底面之間強(qiáng)烈的摩擦，據(jù)此在凸輪消失模工作表面固定鎢板，然后在鎢板表面固定外部碳源，使其與鎢板緊密結(jié)合；所述碳源為三級(jí)以上的石墨紙，純度99%，厚度為0.1-0.35mm。
[0031]3)按照凸輪尺寸，制作砂型；優(yōu)選地，用C02水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬樹脂砂或潮模砂制作砂型。
[0032]4)將碳鋼基材冶煉為鋼液，優(yōu)選的，溫度控制在1610°C -1630°C ;
[0033]5)采用消失模真空吸鑄工藝，將上述鋼液澆入放置有凸輪消失模、鎢板和碳源的砂型內(nèi)，待鋼液冷卻凝固后，取出鑄件，清砂處理，獲得凸輪基體為碳鋼，凸輪工作表面為碳鋼與鎢板的復(fù)合體；優(yōu)選地，澆注溫度控制在1610°C _1630°C;更優(yōu)選地，澆注時(shí)間40-50秒為宜；進(jìn)一步優(yōu)選地，一分鐘后，在冒口補(bǔ)饒，優(yōu)選的，室溫冷卻。
[0034]6)將澆鑄完的凸輪復(fù)合體放入具有保護(hù)氣氛的保溫爐內(nèi)保溫，最后隨爐冷卻至室溫，從而在凸輪工作表面形成梯度復(fù)合涂層，而凸輪基體仍為碳鋼基體。
[0035]7)所得的表面具有梯度復(fù)合涂層的鏟齒被進(jìn)一步熱處理以獲得更合適的基體組織。
[0036]優(yōu)選地，鎢板厚度為0.2-3mm ;若小于0.2mm，則鎢板在澆注復(fù)合過程中就已經(jīng)完全反應(yīng)，不能獲得WC致密陶瓷層，直接生成彌散分布WC顆粒；超過3mm則導(dǎo)致擴(kuò)散距離增大，反應(yīng)動(dòng)力不足。
[0037]優(yōu)選地，通過嚴(yán)格控制步驟6)中保溫溫度與時(shí)間的關(guān)系，獲得所述準(zhǔn)單晶相WC致密陶瓷層。該陶瓷層呈現(xiàn)出較為明顯的準(zhǔn)單晶組織，光學(xué)顯微鏡下表現(xiàn)為晶界減少，影響斷裂韌性的位錯(cuò)也相應(yīng)減少，代之亞晶界增多，有效提高該陶瓷層的抗裂能力。
[0038]優(yōu)選地，通過控制步驟6)中保溫時(shí)間、保溫溫度獲得該梯度復(fù)合涂層即碳化物涂層，所述碳化物涂層包括依次呈梯度分布的準(zhǔn)單晶相WC致密陶瓷層、微米WC陶瓷層、WC與基體的融合層。
[0039]更優(yōu)選地，上述步驟6)中保溫溫度、保溫時(shí)間以及最終能夠獲得的梯度復(fù)合涂層的總厚度符合如下公式，
[0040]L = kTlogtl/2+b0