專利名稱：活塞環(huán)加工新工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及活塞環(huán)的加工工藝。
背景技術(shù)：
活塞環(huán)的表面改性技術(shù)目前主要有鍍鉻、等離子噴鉬應(yīng)用于大批量生產(chǎn)。此外，國內(nèi)外對(duì)活塞環(huán)表面采用氣體氮化、真空等離子噴涂、鍍TiN以及其它物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)等方法制備耐磨涂層均有研究報(bào)導(dǎo)，并進(jìn)行了一些小批量生產(chǎn)和裝車試驗(yàn)，但它們的共同總是是裝備和工藝復(fù)雜、技術(shù)穩(wěn)定性差、產(chǎn)品檢測(cè)困難，從而批量生產(chǎn)質(zhì)量很難控制，這些方法制備的涂層很薄(2-10μm)，對(duì)改善活塞環(huán)早期磨損有良好作用，但對(duì)于提高活塞環(huán)整體壽命和改善配副性沒有明顯的效果，表面涂層與活塞環(huán)基體金屬不能形成治金結(jié)合也是一個(gè)共同的不足之處。
鍍鉻是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。鍍鉻環(huán)硬度高(可達(dá)HV0.2750～850)，熱膨脹系數(shù)小于鋼和鑄鐵，摩擦系數(shù)低于噴鉬環(huán)，耐蝕性好，但貯油性不佳，抗粘著磨損能力差。為改善此不足，國外發(fā)展了多孔型鍍鉻工藝。鍍鉻工藝的最大不足是鍍層與基材不能形成冶金結(jié)合，電鍍過程會(huì)產(chǎn)生有毒廢物，環(huán)境污染大。此外，鍍鉻環(huán)的耐磨性隨鍍鉻層厚度的增加而提高，但鍍層過厚時(shí)，不僅電鍍技術(shù)上產(chǎn)生困難，且鍍層結(jié)合力變壞，易產(chǎn)生裂痕、剝離等質(zhì)量問題。
等離子噴鉬噴鉬環(huán)從196年才開始作為高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞環(huán)使用，其主要優(yōu)點(diǎn)是噴鉬層具有多孔性質(zhì)，其孔隙率可達(dá)10-25％，因此貯油性良好，抗粘著磨損能力強(qiáng)。近年來由于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)步，隨著比功率和轉(zhuǎn)速的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷不斷增加，因拉缸而產(chǎn)生的問題有增加的傾向，噴鉬環(huán)的使用范圍迅速擴(kuò)大。噴鉬環(huán)的主要不足是噴鉬層內(nèi)部存在孔隙以及噴鉬層與基材間不能形成冶金結(jié)合，因此它的失效主要是涂層的碎裂和剝落，噴鉬層硬度只能達(dá)到HV0.2600～850左右，其抗磨粒磨損能力較差，此外，等離子噴鉬技術(shù)要求很高，目前國際上只有德、日、美等技術(shù)先進(jìn)國家具有很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)并大批量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)噴鉬環(huán)。我國活塞環(huán)生產(chǎn)企業(yè)目前主要采用進(jìn)口設(shè)備及進(jìn)口原料，但產(chǎn)品質(zhì)量與進(jìn)口噴鉬環(huán)尚有明顯差距。等離子噴涂工作環(huán)境較差，操作人員工作條件惡劣。
其它表面改性技術(shù)目前國內(nèi)外對(duì)活塞環(huán)表面采用氣體氮化、真空等離子噴涂、鍍TiN以及其它物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣象沉積(CVD)等方法均有報(bào)導(dǎo)，并且進(jìn)行了一些小批量生產(chǎn)和裝車試驗(yàn)。但它們的共同特點(diǎn)是裝備和工藝復(fù)雜、技術(shù)穩(wěn)定性難控制、涂層很薄(2～10μm)。此類涂層對(duì)于改善活塞環(huán)早期磨損有良好，但對(duì)于提高活塞環(huán)整體壽命及改善配副性沒有很明顯的效果。
陶瓷化活塞環(huán)二十世紀(jì)八十年代以后，陶瓷技術(shù)應(yīng)用于活塞環(huán)的研究迅速興起，由于陶瓷的增韌技術(shù)尚不成熟，成本高、可靠性不夠穩(wěn)定，整體陶瓷活塞環(huán)的研究進(jìn)展已明顯放緩。與此同時(shí)，把陶瓷相作為添加物，采用復(fù)合電鍍或復(fù)合等離子體噴涂甚至直接以陶瓷粉噴涂，在活塞環(huán)表面形成高耐磨表層的研究開發(fā)成為目前國際上最新的技術(shù)發(fā)展方向，各國在技術(shù)上競(jìng)爭激烈并且對(duì)技術(shù)細(xì)節(jié)高度保密。陶瓷相以彌散顆粒分布在合金涂層中，可以顯著改善活塞環(huán)的摩擦磨損特性。此類新型活塞環(huán)在技術(shù)上具有明顯的競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)。但其價(jià)格遠(yuǎn)高于鍍鉻環(huán)和噴鉬環(huán)，并且涂層與基材之間的結(jié)合力低仍然是其應(yīng)用中的一個(gè)主要障礙。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于發(fā)明一種易于工業(yè)化生產(chǎn)、產(chǎn)品技術(shù)穩(wěn)定性好的活塞環(huán)加工新工藝。
本發(fā)明包括以下工藝步驟鑄造→磨削→熱處理→磨削→金加工→激光強(qiáng)化處理→熱定型→金加工。
上述激光強(qiáng)化處理包括噴涂合金化涂料和激光掃描。
本發(fā)明的噴涂合金化涂料的涂層厚度為0.2mm～0.4mm。
本發(fā)明的激光掃描時(shí)的功率密度為104～105W/cm2，將聚焦的激光束沿圓周掃描。
上述合金的涂料中含有碳、硅、硼、稀土、鉬、鎢、鈦、鈷、鎳各元素的質(zhì)量百分比(wt％)為碳15％～25％、硅8％～28％、硼3％～10％、稀土2.5％～7.5％、鉬4％～9％、鎢10％～28％、鈦2％～10％、鈷4％～9％、鎳4％～9％。
本發(fā)明與現(xiàn)有鍍鉻、等離子噴涂、物理/化學(xué)氣相沉積等涂層技術(shù)不同，它是采用激光合金化技術(shù)在鋼或鑄鐵活塞環(huán)外圓工作表面制備的陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合涂層的新型活塞環(huán)。在活塞環(huán)半成品外圓表面上預(yù)先噴涂或刷涂成份(質(zhì)量百分比，wt％)為15％～25％碳(C)、8％～28％硅(Si)、3％～10％硼(B)、2.5～7.5％稀土(RE)、4％～9％鉬(Mo)、10％～28％鎢(W)、2％～10％鈦(Ti)、4％～9％鈷(Co)、4％～9％鎳(Ni)等合金化元素的激光合金化涂料，用功率密度104～105W/cm2的聚焦激光束沿圓周掃描，使活塞環(huán)外表面～定深度的基材快速熔化后凝固形成特定陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合涂層，然后再完成后續(xù)的最終精加工獲得成品。根據(jù)活塞環(huán)的規(guī)格尺寸和工作條件差異，通過激光束掃描速度的改變，激光制備的成品活塞環(huán)顆粒陶瓷增強(qiáng)復(fù)合涂層厚度可以控制在0.08～0.60mm，涂層表面維氏硬度HV850～1200。在金相顯微鏡下觀察，涂層的典型組織為細(xì)小的FeCSiB亞共晶介穩(wěn)組織，可有共晶和過共晶介穩(wěn)組織共存，即其顯微組織由細(xì)小彌散的滲碳體和奧氏體組成。金相顯微鏡高倍下觀察，可看到奧氏體發(fā)生了馬氏體相變，還可觀察到在上述組織中存在大量尺寸為1～3μm左右的硬質(zhì)顆粒，其密度達(dá)到104個(gè)/mm2數(shù)量級(jí)。由于這種活塞環(huán)的表面層是用激光合金化或激光熔覆處理，并通過高能激光束快速熔化，使活塞環(huán)外表面一定深度的基體快速熔化后凝固形成特定的陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合涂層。涂層與活塞環(huán)本體是冶金結(jié)構(gòu)，在外力作用下不會(huì)發(fā)生脫落或剝離。這是這種新型活塞環(huán)與鍍鉻、噴鉬、物理/化學(xué)氣相沉積涂層活塞環(huán)的根本區(qū)別。尺寸為微米級(jí)、彌散分布的高硬度增強(qiáng)顆粒及先共晶、共晶滲碳體作為摩擦副支撐骨架、細(xì)小的韌性的奧氏體急冷轉(zhuǎn)變相(馬氏體和殘余奧氏體)有利于儲(chǔ)油并保持潤滑油膜連續(xù)性，這種結(jié)構(gòu)顯著提高了活塞環(huán)的表面硬度并降低了摩擦系數(shù)，兼有很強(qiáng)的抗磨粒磨損和抗粘著磨損能力。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)證明，這種活塞環(huán)在與不同材質(zhì)氣缸套配副時(shí)都顯示出了優(yōu)異的摩擦磨損特性低摩擦系數(shù)和環(huán)、套雙方磨損量的顯著降低。
具體實(shí)施例方式
由以下工藝步驟加工活塞環(huán)毛坯鑄造→磨削加工端面→熱處理→機(jī)械加工兩端面→仿形粗車外圓→噴涂合金化涂料→激光掃描→熱處理→銑切口→粗鏜孔→粗修口→磨外圓→精鏜孔→精修口→磷化→上油。
合金化涂料中含(各元素的質(zhì)量百分比wt％)為碳15％～25％、硅8％～28％、硼3％～10％、稀土2.5％～7.5％、鉬4％～9％、鎢10％～28％、鈦2％～10％、鈷4％～9％、鎳4％～9％。噴涂合金化涂料的涂層厚度為0.2mm～0.4mm。以激光束沿圓周掃，描激光掃描的功率密度為104～105W/cm2。
下表為激光陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合涂層活塞環(huán)主要技術(shù)性能指標(biāo)與國內(nèi)外同類產(chǎn)品比較

此外，進(jìn)入穩(wěn)定摩擦磨損階段后，各種活塞環(huán)與氣缸套配副之間的摩擦系數(shù)會(huì)緩慢上升，直到摩擦副失效。而本發(fā)明涉及的激光陶瓷顆料增強(qiáng)復(fù)合涂層活塞環(huán)與氣缸套配副之間的摩擦系數(shù)在大多數(shù)情況下是緩慢下降，不僅顯著提高環(huán)套雙方的壽命，還顯著降低了發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間工作消耗的摩擦功。因此，本發(fā)明所涉及的活塞環(huán)是一種對(duì)于不同材質(zhì)氣缸套都具有優(yōu)良配副性和耐磨性的新型活塞環(huán)。最后，由于這種新型活塞環(huán)的激光表面合金化層具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，成品活塞環(huán)經(jīng)磷化處理化，工作表面(柱面或桶形面)呈顏色深淺不一的帶狀中間淺色寬帶是激光強(qiáng)化帶，兩側(cè)深灰色窄帶為正常磷化層。這是本發(fā)明專利所涉及的活塞環(huán)在外觀上與現(xiàn)有各種表面處理獲得的活塞環(huán)具有典型差別的特征，也是一種很難仿制的天然防偽標(biāo)記。
權(quán)利要求
1.活塞環(huán)加工新工藝，其特征在于包括以下工藝步驟鑄造→磨削→熱處理→磨削→金加工→激光強(qiáng)化處理→熱定型→金加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述活塞環(huán)加工新工藝，其特征在于激光強(qiáng)化處理包括噴涂合金化涂料和激光掃描。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述活塞環(huán)加工新工藝，其特征在于噴涂合金化涂料的厚度為0.2mm～0.4mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述活塞環(huán)加工新工藝，其特征在于激光掃描時(shí)的功率密度為104～105W/cm2，將聚焦的激光束沿圓周掃描。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述活塞環(huán)加工新工藝，其特征在于所述合金的涂料中含有碳、硅、硼、稀土、鉬、鎢、鈦、鈷、鎳。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述活塞環(huán)加工新工藝，其特征在于在合金化涂料中各元素的質(zhì)量百分比(wt％)為碳15％～25％、硅8％～28％、硼3％～10％、稀土2.5％～7.5％、鉬4％～9％、鎢10％～28％、鈦2％～10％、鈷4％～9％、鎳4％～9％。
全文摘要
活塞環(huán)加工新工藝涉及活塞環(huán)的加工工藝。包括以下工藝步驟鑄造→磨削→熱處理→磨削→金加工→激光強(qiáng)化處理→熱定型→金加工。由于這種活塞環(huán)的表面層是用激光合金化或激光熔覆處理，并通過高能激光束快速熔化，使活塞環(huán)外表面一定深度的基體快速熔化后凝固形成特定的陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合涂層。涂層與活塞環(huán)本體是冶金結(jié)構(gòu)，在外力作用下不會(huì)發(fā)生脫落或剝離。本發(fā)明易于工業(yè)化生產(chǎn)，具有優(yōu)異的抗粘著磨損和抗磨粒磨損能力，產(chǎn)品技術(shù)穩(wěn)定性好。
文檔編號(hào)F16J9/26GK1632297SQ20041006585
公開日2005年6月29日 申請(qǐng)日期2004年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月23日
發(fā)明者劉文今, 朱有慧, 馬明星, 孫康和, 鐘敏霖, 張偉明, 張錦英 申請(qǐng)人:江蘇儀征威龍活塞環(huán)有限公司, 清華大學(xué)