CN104439674B - 一种铝硅合金活塞环槽的电子束合金强化方法 - Google Patents
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Abstract
一种铝硅合金活塞环槽的电子束合金强化方法，其特征在于包括如下步骤：先用溶剂对活塞表面进行清洗，再将1Cr18Ni9Ti不锈钢焊丝添加到活塞环槽部位；对活塞环槽进行两次真空电子束扫描：第一次电子束扫描采用表面聚焦，使生成6mm～8mm的熔深；第二次电子束扫描采用表面下聚焦，并将增大焊接束流，使熔宽增加到5mm～7mm。本发明采用真空电子束表面合金化处理活塞环槽，工艺简单易操作，可精确控制束流能量、焦点位置、焊接速度等工艺参数，处理后的活塞环槽电子束合金化强化部位和高镍铸铁镶圈相比，硬度提高了5～6倍，摩擦系数降低1倍，磨损率降低1～2个数量级，可替代高镍铸铁耐磨镶圈，从而减轻活塞重量，提高活塞环槽性能，并延长其使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种铝硅合金活塞环槽的电子束合金化强化方法。
背景技术
活塞是内燃机上最关键的运动件，它在高温高压下承受反复交变载荷的作用，被称为内燃机的心脏。活塞失效主要是因为在500-573K温度下和活塞环配对工作的环槽表面接触处磨损造成的。随着发动机向着高功率密度发展，出于减重的需要，发动机活塞大多采用质量较轻的铝合金，但铝合金由于熔点低，强度低，耐磨性不好等缺点成为铝活塞在大功率发动机上应用的障碍。目前，大多铝合金活塞采用铸铁耐磨镶圈对环槽部位进行强化，这样就增加了活塞的重量和成本。此外由于铸铁和铝合金的熔点、导热系数、线膨胀系数等物理化学性能相差悬殊，结合强度低，在活塞顶的铸造时易出现环偏及环下气孔等缺陷,并且在活塞的焊接、热处理及机加过程中，还易出现铸铁镶环与铝合金基体剥离现象，导致产品报废，生产成品率低下。因此，如何提高活塞环槽表面硬度和耐磨性，提高活塞制造工艺成品率是当前急需解决的技术难题。
另查专利申请号为99115909.8的中国申请专利公开了活塞环槽表面的强化方法及工艺，它对于活塞环槽表面进行强化涂层,其特征在于:采用机械摩擦和电火花合金化复合加工工艺,在铝合金活塞槽部获得不连续厚度的离散涂层。在涂覆涂层的同时进行表面塑性变形,以达到符合设计要求的表面光洁度。其目的是提高铝合金活塞槽部的耐磨性和保证均匀磨损。该发明得到的涂层在发动机使用温度下的硬度与铸铁压缩活塞环的硬度相当,涂层厚度不超过0.3mm。本方法适用于内燃发动机、活塞泵及活塞式压缩机的制造。它的缺陷不足在于工艺复杂，不容易操作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种铝硅合金活塞环槽的电子束合金强化方法，采用真空电子束表面合金化方法对活塞环槽进行强化，工艺简单易操作，大大提高活塞环槽的表面硬度和耐磨性。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种铝硅合金活塞环槽的电子束合金强化方法，其特征在于包括如下步骤：
1)先用溶剂对活塞表面进行清洗，再将1Cr18Ni9Ti不锈钢焊丝添加到活塞环槽部位；
2)对活塞环槽进行两次真空电子束扫描：第一次电子束扫描采用表面聚焦，使生成6mm～8mm的熔深；第二次电子束扫描采用表面下聚焦，并将增大焊接束流，使熔宽增加到5mm～7mm。
作为优选，所述溶剂为酒精。
作为优选，所述1Cr18Ni9Ti不锈钢焊丝的直径为0.8～1.2mm。
作为改进，所述电子束扫描采用150kV高压数控电子束焊机进行。
作为改进，所述第一次电子束扫描的工艺参数为：加速电压为135～140kV，焊接束流为30mA，聚焦电流为425～430mA，焊接速度为1600～1800mm/min，焊接真空度为5.5×10-4～6.5×10-4mbar。
作为改进，所述第二次电子束扫描的工艺参数为：加速电压为135～140kV，焊接束流为33mA，聚焦电流为405～410mA，焊接速度为1800～2000mm/min，焊接真空度为5.5×10-4～6.5×10-4mbar。
优选，所述焊接真空度至少为6×10-4mbar。
与现有技术相比，本发明的优点在于：采用真空电子束合金化方法，对铝合金活塞环槽部位进行电子束合金化强化，第一次扫描采用表面焦点，能量集中，保证合金焊丝与基体能熔合，并具有一定深度，但熔合层气孔缺陷较多，第二次扫描采用表面下焦点，并稍稍加大束流，以保证熔合层在精炼中气体顺利排出，合金元素进一步均匀化，并使熔宽加大，降低电子束合金化层的脆性，消除了合金改性层内部气孔缺陷和裂纹，提高改性层的综合性能。本发明工艺简单易操作，采用真空电子束焊接工艺，可精确控制束流能量、焦点位置、焊接速度等工艺参数，采用本发明处理的活塞环槽电子束合金化强化部位和高镍铸铁镶圈相比，硬度提高了5～6倍，摩擦系数降低1倍，磨损率降低1～2个数量级，因此可以替代高镍铸铁耐磨镶圈，从而减轻活塞重量，提高活塞环槽性能，并延长其使用寿命。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
一种铝硅合金活塞环槽的电子束合金强化方法，包括如下步骤：
1)先用酒精对活塞表面进行清洗，再将1Cr18Ni9Ti不锈钢焊丝添加到活塞环槽部位；
2)对活塞环槽进行两次真空电子束扫描：第一次电子束扫描采用表面聚焦，使生成6mm～8mm的熔深；第二次电子束扫描采用表面下聚焦，并将增大焊接束流，使熔宽增加到5mm～7mm；
二次电子束扫描工艺参数如下表所示。
表1 电子束扫描工艺参数
实例1
对一批共30件铝合金活塞进行活塞环槽的表面合金化强化，先用酒精对活塞进行清洗，然后将Φ1.0mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢焊丝添加到活塞的环槽部位，采用150kV高压数控电子束焊机，其主要焊接工艺参数如下：
第一次扫描加速电压为135kV，焊接束流为30mA，选用表面聚焦，聚焦电流为425mA，焊接速度为1600mm/min，焊接真空度为6×10-4mbar，使能量集中，生成6mm的熔深；
第二次扫描加速电压为135kV，焊接束流为33mA，选用表面下聚焦，聚焦电流为405mA，焊接速度为1800mm/min，焊接真空度为6×10-4mbar，使熔宽增加到5mm。
实施例2
对一批共20件铝合金活塞进行活塞环槽的表面合金化强化，先用酒精对活塞进行清洗，然后将Φ1.0mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢焊丝添加到活塞的环槽部位，采用150kV高压数控电子束焊机，其主要焊接工艺参数如下：
第一次扫描加速电压为137kV，焊接束流为31mA，选用表面聚焦，聚焦电流为427mA，焊接速度为1700mm/min，焊接真空度为6×10-4mbar，使能量集中，生成7mm的熔深；
第二次扫描加速电压为137kV，焊接束流为34mA，选用表面下聚焦，聚焦电流为407mA，焊接速度为1900mm/min，焊接真空度为6×10-4mbar，使熔宽增加到6mm。
实施例3
对一批共20件铝合金活塞进行活塞环槽的表面合金化强化，先用酒精对活塞进行清洗，然后将Φ1.0mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢焊丝添加到活塞的环槽部位，采用150kV高压数控电子束焊机，其主要焊接工艺参数如下：
第一次扫描加速电压为140kV，焊接束流为32mA，选用表面聚焦，聚焦电流为430mA，焊接速度为1800mm/min，焊接真空度为6×10-4mbar，使能量集中，生成8mm的熔深；
第二次扫描加速电压为140kV，焊接束流为35mA，选用表面下聚焦，聚焦电流为410mA，焊接速度为2000mm/min，焊接真空度为6×10-4mbar，使熔宽增加到7mm。
采用本发明处理的活塞环槽电子束合金化强化部位和高镍铸铁镶圈相比，其硬度提高5～6倍，摩擦系数降低1倍，磨损率降低1～2个数量级，可以替代高镍铸铁耐磨镶圈，从而减轻活塞重量，提高活塞环槽性能，并延长其使用寿命。
强化后的活塞环槽与高镍铸铁耐磨镶圈在性能上的具体数据对比见下表。
| 载荷/kg | 温度/℃ | 转速/rpm | 摩擦系数μ | 磨损率mg/m | |
| 高镍铸铁 | 5 | 225 | 1000 | 0.40 | 8.04 |
| 电子束合金化环槽 | 5 | 225 | 1000 | 0.22 | 0.054 |
Claims (6)
1.一种铝硅合金活塞环槽的电子束合金强化方法，其特征在于包括如下步骤：
1)先用溶剂对活塞表面进行清洗，再将1Cr18Ni9Ti不锈钢焊丝添加到活塞环槽部位；
2)对活塞环槽进行两次真空电子束扫描：第一次电子束扫描采用表面聚焦，使生成6mm～8mm的熔深；第二次电子束扫描采用表面下聚焦，并将增大焊接束流，使熔宽增加到5mm～7mm；
所述第一次电子束扫描的工艺参数为：加速电压为135～140kV，焊接束流为30mA，聚焦电流为425～430mA，焊接速度为1600～1800mm/min，焊接真空度为5.5×10-4～6.5×10-4mbar。
2.根据权利要求1所述的电子束合金强化方法，其特征在于：所述溶剂为酒精。
3.根据权利要求1所述的电子束合金强化方法，其特征在于：所述1Cr18Ni9Ti不锈钢焊丝的直径为0.8～1.2mm。
4.根据权利要求1所述的电子束合金强化方法，其特征在于：所述电子束扫描采用150kV高压数控电子束焊机进行。
5.根据权利要求1所述的电子束合金强化方法，其特征在于：所述第二次电子束扫描的工艺参数为：加速电压为135～140kV，焊接束流为33mA，聚焦电流为405～410mA，焊接速度为1800～2000mm/min，焊接真空度为5.5×10-4～6.5×10-4mbar。
6.根据权利要求1或5所述的电子束合金强化方法，其特征在于：所述焊接真空度至少为6×10-4mbar。
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