CN101344048A

CN101344048A - 一种激光表面造型发动机活塞环及其制备方法

Info

Publication number: CN101344048A
Application number: CN 200810124514
Authority: CN
Inventors: 符永宏; 张华伟
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2009-01-14

Abstract

本发明涉及一种激光微造型发动机活塞环以及制造方法，特指在活塞环上、下端面进行激光微造型。所述的发动机活塞环上、下端面经激光微造型处理后得到硬度为HV800－900且均匀分布的、由微凹坑组成的微观几何形貌的金相组织，其中，微观几何形貌的几何参数为：凹坑半径rp＝20－50μm，凹坑深度hp＝2－8μm，凹坑的面积占有率Sp＝5％－15％，凹坑间距L＝90－230μm。本发明的优点是：经激光微造型处理后的活塞环上、下端面，金相组织发生了变化，硬度得到了提高，耐磨性能增强；活塞环上、下端面的微凹坑储存润滑油及磨损颗粒，改善润滑、减小磨损；凹坑润滑油膜的挤压作用，降低了活塞环的折断。

Description

一种激光表面造型发动机活塞环及其制备方法

技术领域

本发明涉及发动机活塞环表面处理领域，适用于摩托车、汽车、火车发动机活塞环，特指在活塞环上、下端面，进行激光表面微造型改性和改形处理的激光表面造型发动机活塞环及其制备方法。

背景技术

活塞环是发动机的关键部件之一，其运动状况十分复杂，不仅作高速高频的往复运动，还在环槽中作周向转动和径向运动。活塞环除了承受机械载荷、热负荷和酸性油雾的腐蚀外，其主要形式是磨损，包括活塞环外圆表面的磨损和上、下端面的磨损。活塞环上、下端面与环槽的摩擦会对活塞环产生附加应力，再加上活塞环的高速冲击和相对运动，致使环槽产生塑性变形和粘着磨损；此外，活塞环与环槽间存在着积碳颗粒及硬质沉积物，这些将导致环槽产生磨粒磨损和炭化胶结，甚至将活塞环卡死在环槽内，因此活塞环在环槽中的磨损状况在很大程度上影响着发动机的工作可靠性和活塞的使用耐久性。由于现代发动机正在向高负荷、高功率的方向发展，同时环境保护方面的低燃料、低废气排放等规定越来越严格，如2002年美国出台了严格的环境保护法，2004年欧盟开始执行欧IV标准，这些情况都对活塞环的耐磨性能提出了更高的要求。为了改善活塞环在环槽中的磨损状况，国内外进行了大量的研究，传统的改善活塞环槽磨损性能的方法多为对环槽进行表面强化处理，如氩弧表面强化、电子束表面强化、激光表面合金化、激光表面硬化等方法。中国专利99115909.8公开了一种活塞环槽表面的强化方法及工艺。中国专利200610040204.3公开了一种活塞环槽高频淬火工艺。以上方法虽能提高活塞环槽的耐磨性，但大都生产工艺及装备复杂，成本高，且工人的劳动强度高，对环境有污染。其实活塞环-环槽摩擦副是一个配伍性的问题，单纯的提高某一部件的硬度，对改善整个摩擦副的磨损状况并不一定有利。近几年来，激光表面造型技术在减小摩擦，改善润滑方面得到了快速发展。中国专利200510038704.9公开了一种激光表面造型机械密封。美国专利6002100公开了一种激光微造型轴承。受此启迪，我们将激光表面造型技术应用到发动机活塞环上、下端面的改性和该形处理中，即提高了活塞环上下端面的硬度，又改善了环槽的磨损状况，这必将对发动机行业产生巨大的经济效益。

发明内容

本发明的目的就是为改进上述传统活塞环槽强化工艺的不足，而独辟蹊径从摩擦副配伍性的角度出发，提供一种激光表面造型发动机活塞环及其制备方法。同时该方法具有激光相变硬化的效果，即提高了活塞环上、下端面的硬度，又改善了活塞环在环槽中的磨损状况，其蕴藏的经济效应不言而喻。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

活塞环上、下端面设有经激光造型处理后，得到的硬度为HV800-900且均匀分布的，由微凹坑组成的微观几何形貌的金相组织，其中，微观几何形貌为：抛物面、圆柱面、锥面、棱柱面，微观几何形貌的几何参数为：凹坑半径rp＝20-50μm，凹坑深度hp＝2-8μm，凹坑的面积占有率Sp＝5％-15％，凹坑间距L＝90-230μm。

本发明的制备方法：采用二极管泵浦Nd:YAG激光束，采取单脉冲同点间隔多次加工，对活塞环上、下端面进行微观凹坑造型改性、改形处理；其中激光功率密度为10⁵-10⁷W/cm²，脉冲宽度为30-50ns，波长532nm，泵浦电流20.5A，脉冲频率7.8KHz，在激光图形加工软件界面下，输入造型的活塞环尺寸参数，调整激光脉冲重复次数为2-4次，来实施相应的微造型。

由于采用上述表面造型处理，活塞环上、下端面由均匀分布的凹坑微观几何形貌组成，其形貌尺寸可根据优化设计要求，通过调整激光加工参数精确控制。激光微造型过程中，活塞环端面金属材料会发生熔化、汽化、金相组织变化等现象，且均在相当短的时间内完成，即激光微造型是急冷急热的过程，这无疑对活塞环端面起到了相变硬化的效果，大幅度提高了活塞环端面的硬度，增强了其耐磨抗磨性能。活塞环端面的微凹坑既能储存少量润滑油，这样活塞环换向时造成的其与环槽的侧隙，润滑油依靠粘性和附着力可在此处搭桥，减少了燃烧气体的泄露；又能收集环槽中的积炭颗粒，减小了磨粒磨损的危害。微凹坑内润滑油产生的挤压作用，就像“液体弹簧”防止了活塞环换向时对环槽的高速撞击，降低了活塞环折断的危害，同时减小了发动机的噪声。同活塞环槽的表面强化处理相比，激光微造型处理活塞环上下端面具有对环境无污染，活塞环热变形小等优点。因此，本发明所提出的一种激光微造型发动机活塞环，既显著地减小了活塞环-环槽的磨损，同时又降低了加工过程中对环境的危害。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是活塞环上、下端面激光微造型装置示意图

图2是活塞环上、下端面激光微造型凹坑分布示意图

图3是各种微观凹坑剖面放大图

附图的图面数字说明如下：

1-激光发生器；2-45°反射镜；3-激光束；4-聚焦透镜；5-活塞环；6-机床工作台；7-活塞环上、下端面；8-微凹坑；a-抛物面凹坑；b-半球面凹坑；c-锥形面凹坑；d-圆柱、棱柱形凹坑；hp-微凹坑深度；2rp-微凹坑直径

具体实施方式

下面以汽车发动机第一道气环为例说明本发明的具体实施过程。

激光微造型设备选用二极管泵浦Nd:YAG激光器。

本发明实施例提供激光微造型活塞环上下端面的制备方法，其步骤为：

第一步：提供一二极管泵浦Nd:YAG激光器，其基本参数为：激光功率为3W，调Q脉冲频率1-50KHz，波长532nm。

第二步：选取一发动机矩形断面活塞环，其材料为球磨铸铁。

第三步：驱动激光器，调整激光功率密度为10⁵-10⁷W/cm²，脉冲宽度为30-50ns，波长532nm，泵浦电流20.5A，脉冲频率7.8KHz，在激光图形加工软件界面下输入活塞环的尺寸参数、工作台转速及激光脉冲重复次数，然后使高能量密度、高重复频率的脉冲激光照射到活塞环的上、下端面，并吹辅助气体(如氮气)，从而在活塞环的上、下端面形成硬度极高(HV800-900)且均匀分布的凹坑状微观几何形貌。

经激光微造型处理后，活塞环上、下端面形成的微凹坑几何参数为：凹坑半径rp＝20-50μm，凹坑深度hp＝2-8μm，凹坑的面积占有率Sp＝5％-15％，凹坑间距L＝90-230μm。

激光微造型处理的活塞环工作过程中，微凹坑储存少量由气缸壁进入环槽的润滑油，并由于活塞环侧隙非常小而在活塞环-环槽摩擦副形成介于流体润滑和干摩擦间的混合润滑，同时凹坑还能容纳环槽中的积炭颗粒及硬质沉积物，这些都减小了摩擦力，降低了磨粒磨损的危害。

Claims

1、一种激光微造型发动机活塞环，其特征在于活塞环上、下端面设有经激光造型处理后，得到的硬度为HV800-900且均匀分布的，由微凹坑组成的微观几何形貌的金相组织，其中，微观几何形貌的几何参数为：凹坑半径rp＝20-50μm，凹坑深度hp＝2-8μm，凹坑的面积占有率Sp＝5％-15％，凹坑间距L＝90-230μm。

2、根据权利要求1所述的一种激光微造型发动机活塞环，其特征在于所述的微观几何形貌为：抛物面、圆柱面、锥面、棱柱面。

3、制备权利要求1所述的一种激光微造型发动机活塞环的方法，其特征在于采用二极管泵浦Nd:YAG激光束，采取单脉冲同点间隔多次加工，对活塞环上、下端面进行微观凹坑造型改性、改形处理；其中激光功率密度为10⁵-10⁷W/cm²，脉冲宽度为30-50ns，波长532nm，泵浦电流20.5A，脉冲频率7.8KHz，在激光图形加工软件界面下，输入造型的活塞环尺寸参数，调整激光脉冲重复次数为2-4次，来实施相应的微造型。