CN117067111A - 一种合金工件的表面织构方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冶金领域，具体涉及一种合金工件的表面织构方法。一种合金工件的表面织构方法，包括：提供合金工件，其具有待织构的表面；在所述待织构的表面铺设掩模板，所述掩模板使所待织构的表面的一部分表面裸露，掩盖其余表面；使磨料以15m/s‑150m/s速度冲击所述合金工件的铺设有掩模板的所述待织构的表面。本发明不会改变工件本体的材料组织性能，避免了局部组织硬化及材料局部组织性能变差的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及冶金领域，具体涉及一种合金工件的表面织构方法。
背景技术
活塞环-缸套滑动副的摩擦学性能对内燃机的使用效率、使用寿命等有显著影响。通过激光表面织构化技术在试件表面加工不同参数的微凹坑织构，并进行摩擦学实验，由实验结果可知：表面织构可以有效减小摩擦副的摩擦系数，进而降低摩擦功，提升燃油经济性。
目前针对内燃机缸孔表面的织构方法主要是激光等方式，具体过程是：如图1所示，利用激光作用于材料表面，材料表面受到激光照射后，会产生高温，材料被分解气化，进而形成具有一定形貌的表面结构。
通过激光照射表面，产生高温，材料会被气化，形成具有一定形状的表面，材料收到高温后，其组织性能会发生变化，例如局部硬度提高，边缘组织强度变差，形成一个硬度不均匀的表面，会造成材料的不均匀磨损，造成坏的影响。
为此，提出本发明。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种合金工件的表面织构方法，不会改变工件本体的材料组织性能，避免了局部组织硬化及材料局部组织性能变差的缺点。
为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案。
一种合金工件的表面织构方法，包括：
提供合金工件，其具有待织构的表面；
在所述待织构的表面铺设掩模板，所述掩模板使所待织构的表面的一部分表面裸露，掩盖其余表面；
使磨料以15m/s-150m/s速度冲击所述合金工件的铺设有掩模板的所述待织构的表面。
由此，本发明利用高速磨料颗粒撞击未被掩模板遮盖的裸露表面，经过一定的时间后，在磨料的撞击下，材料表面被破坏，进而形成一定形貌的微凹表面，即微凹织构效果。由于本发明不产生高温，因此不会改变工件本体的材料组织性能，避免了局部组织硬化及材料局部组织性能变差的缺点。
在此基础上，还可以进一步调整冲击的速度、磨料材质及粒径、射程、冲击时长等条件，以提高织构效率或者改善织构效果。
进一步地，所述冲击的速度为30m/s-100m/s。
冲击速度若超出150m/s后，可能会造成工件的不受控制的变形、破裂等问题。
进一步地，所述冲击的方向垂直于所述待织构的表面。垂直方向的冲击可以更大效率的应用冲击速度产生的能量，从而提高织构效率，节省能耗。
进一步地，利用高压气体手段实现所述冲击的速度。高压气体实现冲击的手段不易带来污染物，且设备简单。
进一步地，采用喷嘴喷出所述磨料，所述喷嘴距离所述待织构的表面的距离为5mm-30mm。
若距离过长，则由于空气阻力等原因导致速度损耗大；若距离过段，则对压力要求越高。因此，综合考虑，距离保持在5mm-30mm范围内更佳。
进一步地，所述磨料包括以下中的至少一种：陶瓷、碳化硅、铸铁、钢。
这些磨料对合金的磨损更高效，且原料易获得，并且成本低廉。
进一步地，所述磨料的粒径为20μm-1000μm。
当磨料粒径过小时，在喷嘴中容易团聚，过大则容易造成微凹结构分布不均匀。
进一步地，所述磨料采用粒径为20μm-100μm的陶瓷。
进一步地，所述冲击的时长为10～15min，可以达到均匀织构的效果。
本发明对合金工件的材质没有特别限制。
进一步地，所述合金工件为内燃机气缸。
理论上，本发明适用于任意类型或任意设备上的合金工件。对内燃机气缸而言，对组织性能要求更严格，因此优选本发明的方法。
综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：
(1)本发明利用高速磨料颗粒撞击未被掩模板遮盖的裸露表面，经过一定的时间后，在磨料的撞击下，材料表面被破坏，进而形成一定形貌的微凹表面，即微凹织构效果。由于本发明不产生高温，因此不会改变工件本体的材料组织性能，避免了局部组织硬化及材料局部组织性能变差的缺点。同时，本发明形成的微凹结构比较均匀，能有效储存润滑液，增加润滑膜承载能力，改善润滑效果，提高工件的抗磨性能。
(2)通过调整冲击的速度、磨料材质及粒径、射程、冲击时长等条件还可以提高织构效率或者改善织构效果。
(3)本发明的方法适用范围广泛，可用于多种合金材料，以及不同形状的工件。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读对下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在全部附图中，用相同的附图标号表示相同的部件。在附图中：
图1为激光手段进行表面织构的设备组件图；
图2为本发明提供的表面织构方法中设备工作状态的模拟图；
图3为本发明织构方法形成的微凹结构示意图；
附图标记：
1-待织构的表面，2-掩模板，3-磨料，4-高压喷头，5-高压空气。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
在本发明实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
织构是：通过材料表面加工各种形状纹理，形成表面织构，其具有储存润滑液，增加润滑膜承载能力，改善润滑效果，提高抗磨性能。目前激光织构利用高温产生的热量使材料气化，从而形成具有一定形状的表面，然而高温也使得工件的组织性发生变化，例如局部硬度提高，边缘组织强度变差，造成坏的影响。
为此，本发明的实施方式提供了一种合金工件的表面织构方法，包括：
提供合金工件，其具有待织构的表面；
在所述待织构的表面铺设掩模板，所述掩模板使所待织构的表面的一部分表面裸露，掩盖其余表面；
使磨料以15m/s-150m/s速度冲击所述合金工件的铺设有掩模板的所述待织构的表面。
本发明的冲击速度指磨料达到待织构表面时的速度。
由此，本发明利用高速磨料颗粒撞击未被掩模板遮盖的裸露表面，经过一定的时间后，在磨料的撞击下，材料表面被破坏，进而形成一定形貌的微凹表面，即微凹织构效果。由于本发明不产生高温，因此不会改变工件本体的材料组织性能，避免了局部组织硬化及材料局部组织性能变差的缺点。同时，本发明形成的微凹结构比较均匀，能有效储存润滑液，增加润滑膜承载能力，改善润滑效果，提高工件的抗磨性能。
在此基础上，还可以进一步调整冲击的速度、磨料材质及粒径、射程、冲击时长等条件，以提高织构效率或者改善织构效果。
在一些实施方式中，所述冲击的速度可以为30m/s-100m/s。
冲击速度若超出150m/s后，可能会造成工件的不受控制的变形、破裂等问题。
在一些实施方式中，所述冲击的方向垂直于所述待织构的表面。垂直方向的冲击可以更大效率的应用冲击速度产生的能量，从而提高织构效率，节省能耗。
在一些实施方式中，利用高压气体手段实现所述冲击的速度。高压气体实现冲击的手段不易带来污染物，且设备简单。
在一些实施方式中，采用喷嘴喷出所述磨料，所述喷嘴距离所述待织构的表面的距离为5mm-30mm。
若距离过长，则由于空气阻力等原因导致速度损耗大；若距离过段，则对压力要求越高。因此，综合考虑，距离保持在5mm-30mm范围内更佳。
在一些实施方式中，所述磨料包括以下中的至少一种：陶瓷、碳化硅、铸铁、钢。
这些磨料对合金的磨损更高效，且原料易获得，并且成本低廉。
在一些实施方式中，所述磨料的粒径为20μm-1000μm。
当磨料粒径过小时，在喷嘴中容易团聚，过大则容易造成微凹结构分布不均匀。
通过持续不断的冲击补偿速度不足，可以实现更高要求的微凹结构。
在一些实施方式中，所述磨料采用粒径为20μm-100μm的陶瓷。
在一些实施方式中，所述冲击的时长为10～15min，可以达到均匀织构的效果。
本发明对合金工件的材质没有特别限制。
在一些实施方式中，所述合金工件为内燃机气缸。
理论上，本发明适用于任意类型或任意设备上的合金工件。对内燃机气缸而言，对组织性能要求更严格，因此优选本发明的方法。
在一些实施方式中，在织构之前可以对合金工件进行预处理，包括但不限于清洗、去油等。
本发明还提供了以下实施例及对比例。
实施例1
内燃机气缸孔表面的织构方法，如图2所示。
第一步，制作掩模板。
根据内燃机气缸孔的形状、尺寸等确定掩模板形状及尺寸。
第二步，清洁内燃机气缸孔，去油。
第三步，将掩模板2置于待织构的表面1。
第四步，利用高压喷头4向内燃机气缸孔表面喷射磨料3。首先将工件放置距离喷头5mm的位置，利用高压空气5将磨料(20μm-100μm陶瓷)颗粒加速，使其达到工件表面的速度在150m/s范围内，使磨料3颗粒撞击被露出未被掩模板遮盖的表面，经过约10分钟后，在磨料的撞击下，材料表面被破坏，进而形成一定形貌的微凹表面。
第五步，去除掩模板，清理碎屑等杂物，得到的织构形貌如图3所示(为工件表面的局部放大示意图)。
实施例2
与实施例1的区别是磨料的冲击速度不同，达到15m/s。
实施例3
与实施例1的区别是磨料的材质不同，为碳化硅。
对比例1
提供与实施例1相同的内燃机气缸，对气缸孔表面用激光照射。
观察以上实施例和对比例处理后工件的组织性能变化，结果显示，采用15m/s-150m/s的冲击速度喷射磨料进行织构，对工件的损伤更小，其组织性能基本没有发生变化。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种合金工件的表面织构方法，其特征在于，包括：
提供合金工件，其具有待织构的表面；
在所述待织构的表面铺设掩模板，所述掩模板使所待织构的表面的一部分表面裸露，掩盖其余表面；
使磨料以15m/s-150m/s速度冲击所述合金工件的铺设有掩模板的所述待织构的表面。
2.根据权利要求1所述的合金工件的表面织构方法，其特征在于，所述冲击的速度为30m/s-100m/s。
3.根据权利要求1或2所述的合金工件的表面织构方法，其特征在于，所述冲击的方向垂直于所述待织构的表面。
4.根据权利要求1所述的合金工件的表面织构方法，其特征在于，利用高压气体手段实现所述冲击的速度。
5.根据权利要求4所述的合金工件的表面织构方法，其特征在于，采用喷嘴喷出所述磨料，所述喷嘴距离所述待织构的表面的距离为5mm-30mm。
6.根据权利要求1所述的合金工件的表面织构方法，其特征在于，所述磨料包括以下中的至少一种：陶瓷、碳化硅、铸铁、钢。
7.根据权利要求1或6所述的合金工件的表面织构方法，其特征在于，所述磨料的粒径为20μm-1000μm。
8.根据权利要求1所述的合金工件的表面织构方法，其特征在于，所述磨料采用粒径为20μm-100μm的陶瓷。
9.根据权利要求1或5所述的合金工件的表面织构方法，其特征在于，所述冲击的时长为10～15min。
10.根据权利要求1所述的合金工件的表面织构方法，其特权利要求书征在于，所述合金工件为内燃机气缸。
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