CN105296878B - 铝基活塞环槽表面合金强化方法 - Google Patents
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Abstract
一种铝基活塞环槽表面合金强化方法，其特征在于包括如下步骤：①对铁基合金粉末进行配比；②对铝基活塞环槽进行等离子喷涂；④电子束对涂层和基体进行重熔处理；⑤对铝基活塞环槽进行车削精加。等离子喷涂与电子束重熔强化技术结合的方法，不仅可以消除涂层中孔洞和未熔融粉末等缺陷，而且能使强化层与环槽基体形成稳定可靠的冶金结合，结合强度高。整体工艺操作简单，所花费成本又较低，对环境也没有造成污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种活塞环槽的表面处理方法，该活塞环槽主要应用于内燃机上。
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。活塞失效主要是凶为在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。
发动机活塞环在高温、高压、高速条件下担负着密封、传热的作用。活塞环与活塞环槽紧密贴合，密封效果好，燃烧室内油气混合均匀，燃烧充分，储存的化学能能充分地转化为热能，排出的废气对环境的影响小。由于活塞环槽与活塞环之间是边界润滑,且润滑状况较差，尤其是第一道环槽润滑条件最差，接触应力和冲击力较大，将导致环槽出现磨损，并引发气缸漏气，油耗率增大，功率降低以及压缩不足，甚至发动机不能正常工作。活塞环槽的耐磨性是评定内燃机性能的重要指标之一，对发动机寿命有着重要影响。
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卜心用的障碍。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木。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。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。
目前，国内外正在使用的活塞环槽表面强化处理方法有以下几种：
第一种，化学热处理，以活塞头氮化、软氮化居多，这类技术文献可以参考申请号为200710164825.7的中国发明专利申请公开《活塞环表面涂覆氮化硅膜层的方法》(公开号为CN101210318A)，还可以参考申请号为200810072083.X的中国发明专利申请公开《铸铁活塞环的氮化装置及氮化工艺》(公开号为CN101403087A)。
第二种，活塞环槽表面感应淬火或激光淬火，这类技术文献可以参考申请号为200610040204.3的中国发明专利申请公开《活塞环槽高频淬火工艺》(公开号为CN1844414A)，还可以参考申请号为201210531420.3的中国发明专利申请公开《铁基活塞环槽侧面激光淬火工艺》(公开号为CN103014301A)。
第三种，环槽表面镀铬、镍铁镶环工艺，这类技术文献可以参考申请号为201310021922.6的中国发明专利申请公开《带有硬软复合涂层与织构化表面的耐磨活塞环及制备方法》(公开号为CN103089479A)，还可以参考申请号为201510126498.0的中国发明专利申请公开《一种高性能复合涂层活塞环》(公开号为CN104696098A)。
但这些方法普遍存在表面强化层厚度薄、成本高、工艺复杂、环境污染严重等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种工艺简单、成本低、改善耐磨性能的铝基活塞环槽表面合金强化方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种铝基活塞环槽表面合金强化方法，其特征在于包括如下步骤：
①对铁基合金粉末进行配比，该铁基合金粉末由如下重量配比的组分：镍含量为32～38％，铬含量为10～16％，钼含量为3～6％，其余为铁元素，烘干待用；
②对铝基活塞环槽上、下及内表面均进行净化清洗处理，消除污物并使表面活化；对活塞环槽基体进行预热，预热温度为200～400℃；
③等离子喷涂，将铁基合金粉末喷涂到铝基活塞环槽上、下及内表面上，等离子喷涂工艺参数，电压控制在80～95V，电流为180～220A，喷距为85～90mm，送粉速度为15～20g/min；
④电子束对涂层和基体进行重熔处理，作用距离为650～750mm，真空度至少为10- 3mbar；电子束采用表面聚焦方式，加速电压为55～65kV，聚焦电流为5～50mA，扫描速度为15～30mms-1；
⑤对铝基活塞环槽进行车削精加工。
作为优选，步骤③中等离子喷涂后涂层厚度为100～150μm。
作为优选，于步骤④中所述的铝基新合金强化层厚度为1～5mm
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用等离子喷涂与电子束重熔强化技术结合的方法，不仅可以消除涂层中孔洞和未熔融粉末等缺陷，而且能使强化层与环槽基体形成稳定可靠的冶金结合，结合强度高。整体工艺操作简单，所花费成本又较低，对环境也没有造成污染。
附图说明
图1为实施例1中初始状态铝基活塞头部结构示意图。
图2为实施例1中等离子喷涂过程示意图。
图3为实施例1中电子束重熔强化过程示意图。
图4为实施例1中电子束重熔强化后铝基活塞头部结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
步骤1，确定铁、镍、铬、钼等元素比重，对铁基合金粉末进行配比(其中镍含量为37％，铬含量为15％，钼含量为3％，其余为铁元素)；烘干，并放入送粉器内；
步骤2，利用酒精或煤油对铝基活塞环槽上、下及内表面进行净化处理，消除污物并使表面活化；对活塞环槽基体进行预热，消除表面水分和湿气，提高粉末与环槽表面接触时的界面温度，减少因基体膨胀造成的涂层应力，避免涂层开裂，初始状态的铝基活塞头如图1所示，般有三道环槽，第一道和二道为气环槽，第三道为油环槽。每个环槽均有三个表面，即环槽上表面11、环槽下表面12、环槽内表面13；
步骤3，根据合金粉末种类、环槽结构和喷枪2性能确定等离子喷涂工艺参数，电压控制在90V，电流为200A，主气为氮气，送粉气为空气，喷距为90mm，送粉速度为20g/min，如图2所示环槽上、下及内表面的涂层3厚度在150μm范围内，铁基合金粉末首先在热源中加速、熔化或部分熔化后，在冲击力的作用下，在环槽上、下及内表面铺展并凝固形成涂层；
步骤4，如图3所示利用电子束发生器4对涂层和基体进行重熔处理，以电子束为热源，对涂层和环槽上、下及内表面基体材料进行重熔处理，最后再次凝固形成铝基新合金5。图4为电子束重熔强化后铝基活塞头部结构示意图。
作用距离为700mm，真空度为10-3mbar；电子束采用表面聚焦方式，加速电压为60kV，聚焦电流为50mA，扫描速度为30mms-1，在环槽处形成3mm的铝基新合金强化层；
步骤5，对合金强化后的环槽进行车削精加工，以满足使用要求。
表1材料性能对比
| 表面硬度/HV5 | 磨损率/mm3.N-1m-1 | |
| 基体 | 100 | 28 |
| 强化层 | 350 | 10 |
实施例2：
步骤1，确定铁、镍、铬、钼等元素比重，对铁基合金粉末进行配比(其中镍含量为37％，铬含量为15％，钼含量为3％，其余为铁元素)；烘干，并放入送粉器内；
步骤2，利用酒精或煤油对铝基活塞环槽上、下及内表面进行净化处理，消除污物并使表面活化；对活塞环槽基体进行预热，消除表面水分和湿气，提高粉末与环槽表面接触时的界面温度，减少因基体膨胀造成的涂层应力，避免涂层开裂；
步骤3，根据合金粉末种类、环槽结构和喷枪性能确定等离子喷涂工艺参数，电压控制在85V，电流为180A，主气为氮气，送粉气为空气，喷距为90mm，送粉速度为15g/min，环槽上、下及内表面的涂层厚度在100μm范围内；
步骤4，所示利用电子束对涂层和基体进行重熔处理，作用距离为700mm，真空度为10-3mbar；电子束采用表面聚焦方式，加速电压为60kV，聚焦电流为50mA，扫描速度为25mms-1，在环槽处形成4mm的铝基新合金强化层；
步骤5，对合金强化后的环槽进行车削精加工，以满足使用要求。
表2本实施例材料性能对比
| 表面硬度/HV5 | 磨损率/mm3.N-1m-1 | |
| 基体 | 100 | 28 |
| 强化层 | 420 | 7 |
实施例3：
步骤1，确定铁、镍、铬、钼等元素比重，对铁基合金粉末进行配比(其中镍含量为37％，铬含量为15％，钼含量为3％，其余为铁元素)；烘干，并放入送粉器内；
步骤2，利用酒精或煤油对铝基活塞环槽上、下及内表面进行净化处理，消除污物并使表面活化；对活塞环槽基体进行预热，消除表面水分和湿气，提高粉末与环槽表面接触时的界面温度，减少因基体膨胀造成的涂层应力，避免涂层开裂；
步骤3，根据合金粉末种类、环槽结构和喷枪性能确定等离子喷涂工艺参数，电压控制在85V，电流为180A，主气为氮气，送粉气为空气，喷距为90mm，送粉速度为20g/min，环槽上、下及内表面的涂层厚度在100μm范围内；
步骤4，利用电子束对涂层和基体进行重熔处理，作用距离为700mm，真空度为10- 3mbar；电子束采用表面聚焦方式，加速电压为60kV，聚焦电流为50mA，扫描速度为15mms-1，在环槽处形成5mm的铝基新合金强化层；
步骤5，对合金强化后的环槽进行车削精加工，以满足使用要求。
表3为本实施例材料性能对比
| 表面硬度/HV5 | 磨损率/mm3.N-1m-1 | |
| 基体 | 100 | 28 |
| 强化层 | 530 | 5 |
Claims (3)
1.一种铝基活塞环槽表面合金强化方法，其特征在于包括如下步骤：
①对铁基合金粉末进行配比，该铁基合金粉末由如下重量配比的组分：镍含量为32～38％，铬含量为10～16％，钼含量为3～6％，其余为铁元素，烘干待用；
②对铝基活塞环槽上、下及内表面均进行净化清洗处理，消除污物并使表面活化；对活塞环槽基体进行预热，预热温度为200～400℃；
③等离子喷涂，将铁基合金粉末喷涂到铝基活塞环槽上、下及内表面上，等离子喷涂工艺参数，电压控制在80～95V，电流为180～220A，喷距为85～90mm，送粉速度为15～20g/min；
④电子束对涂层和基体进行重熔处理，作用距离为650～750mm，真空度至少为10- 3mbar；电子束采用表面聚焦方式，加速电压为55～65kV，聚焦电流为5～50mA，扫描速度为15～30mms-1；
⑤对铝基活塞环槽进行车削精加工。
2.根据权利要求1所述的铝基活塞环槽表面合金强化方法，其特征在于步骤③中等离子喷涂后涂层厚度为100～150μm。
3.根据权利要求1所述的铝基活塞环槽表面合金强化方法，其特征在于步骤④形成的铝基新合金强化层厚度为1～5mm。
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