CN1632297A - 活塞环加工新工艺 - Google Patents

Abstract

活塞环加工新工艺涉及活塞环的加工工艺。包括以下工艺步骤：铸造→磨削→热处理→磨削→金加工→激光强化处理→热定型→金加工。由于这种活塞环的表面层是用激光合金化或激光熔覆处理，并通过高能激光束快速熔化，使活塞环外表面一定深度的基体快速熔化后凝固形成特定的陶瓷颗粒增强复合涂层。涂层与活塞环本体是冶金结构，在外力作用下不会发生脱落或剥离。本发明易于工业化生产，具有优异的抗粘着磨损和抗磨粒磨损能力，产品技术稳定性好。

Description

活塞环加工新工艺

技术领域

本发明涉及活塞环的加工工艺。

背景技术

活塞环的表面改性技术目前主要有镀铬、等离子喷钼应用于大批量生产。此外，国内外对活塞环表面采用气体氮化、真空等离子喷涂、镀TiN以及其它物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等方法制备耐磨涂层均有研究报导，并进行了一些小批量生产和装车试验，但它们的共同总是是装备和工艺复杂、技术稳定性差、产品检测困难，从而批量生产质量很难控制，这些方法制备的涂层很薄(2-10μm)，对改善活塞环早期磨损有良好作用，但对于提高活塞环整体寿命和改善配副性没有明显的效果，表面涂层与活塞环基体金属不能形成治金结合也是一个共同的不足之处。

镀铬：是应用最广泛的技术。镀铬环硬度高(可达HV_0.2750～850)，热膨胀系数小于钢和铸铁，摩擦系数低于喷钼环，耐蚀性好，但贮油性不佳，抗粘着磨损能力差。为改善此不足，国外发展了多孔型镀铬工艺。镀铬工艺的最大不足是镀层与基材不能形成冶金结合，电镀过程会产生有毒废物，环境污染大。此外，镀铬环的耐磨性随镀铬层厚度的增加而提高，但镀层过厚时，不仅电镀技术上产生困难，且镀层结合力变坏，易产生裂痕、剥离等质量问题。

等离子喷钼：喷钼环从196年才开始作为高负荷发动机的活塞环使用，其主要优点是喷钼层具有多孔性质，其孔隙率可达10-25％，因此贮油性良好，抗粘着磨损能力强。近年来由于发动机技术进步，随着比功率和转速的提高，发动机负荷不断增加，因拉缸而产生的问题有增加的倾向，喷钼环的使用范围迅速扩大。喷钼环的主要不足是喷钼层内部存在孔隙以及喷钼层与基材间不能形成冶金结合，因此它的失效主要是涂层的碎裂和剥落，喷钼层硬度只能达到HV_0.2600～850左右，其抗磨粒磨损能力较差，此外，等离子喷钼技术要求很高，目前国际上只有德、日、美等技术先进国家具有很强的技术优势并大批量生产优质喷钼环。我国活塞环生产企业目前主要采用进口设备及进口原料，但产品质量与进口喷钼环尚有明显差距。等离子喷涂工作环境较差，操作人员工作条件恶劣。

其它表面改性技术：目前国内外对活塞环表面采用气体氮化、真空等离子喷涂、镀TiN以及其它物理气相沉积(PVD)、化学气象沉积(CVD)等方法均有报导，并且进行了一些小批量生产和装车试验。但它们的共同特点是装备和工艺复杂、技术稳定性难控制、涂层很薄(2～10μm)。此类涂层对于改善活塞环早期磨损有良好，但对于提高活塞环整体寿命及改善配副性没有很明显的效果。

陶瓷化活塞环：二十世纪八十年代以后，陶瓷技术应用于活塞环的研究迅速兴起，由于陶瓷的增韧技术尚不成熟，成本高、可靠性不够稳定，整体陶瓷活塞环的研究进展已明显放缓。与此同时，把陶瓷相作为添加物，采用复合电镀或复合等离子体喷涂甚至直接以陶瓷粉喷涂，在活塞环表面形成高耐磨表层的研究开发成为目前国际上最新的技术发展方向，各国在技术上竞争激烈并且对技术细节高度保密。陶瓷相以弥散颗粒分布在合金涂层中，可以显著改善活塞环的摩擦磨损特性。此类新型活塞环在技术上具有明显的竞争优势。但其价格远高于镀铬环和喷钼环，并且涂层与基材之间的结合力低仍然是其应用中的一个主要障碍。

发明内容

本发明目的在于发明一种易于工业化生产、产品技术稳定性好的活塞环加工新工艺。

本发明包括以下工艺步骤：铸造→磨削→热处理→磨削→金加工→激光强化处理→热定型→金加工。

上述激光强化处理包括喷涂合金化涂料和激光扫描。

本发明的喷涂合金化涂料的涂层厚度为0.2mm～0.4mm。

本发明的激光扫描时的功率密度为10⁴～10⁵W/cm²，将聚焦的激光束沿圆周扫描。

上述合金的涂料中含有碳、硅、硼、稀土、钼、钨、钛、钴、镍：各元素的质量百分比(wt％)为碳15％～25％、硅8％～28％、硼3％～10％、稀土2.5％～7.5％、钼4％～9％、钨10％～28％、钛2％～10％、钴4％～9％、镍4％～9％。

本发明与现有镀铬、等离子喷涂、物理/化学气相沉积等涂层技术不同，它是采用激光合金化技术在钢或铸铁活塞环外圆工作表面制备的陶瓷颗粒增强复合涂层的新型活塞环。在活塞环半成品外圆表面上预先喷涂或刷涂成份(质量百分比，wt％)为15％～25％碳(C)、8％～28％硅(Si)、3％～10％硼(B)、2.5～7.5％稀土(RE)、4％～9％钼(Mo)、10％～28％钨(W)、2％～10％钛(Ti)、4％～9％钴(Co)、4％～9％镍(Ni)等合金化元素的激光合金化涂料，用功率密度10⁴～10⁵W/cm²的聚焦激光束沿圆周扫描，使活塞环外表面～定深度的基材快速熔化后凝固形成特定陶瓷颗粒增强复合涂层，然后再完成后续的最终精加工获得成品。根据活塞环的规格尺寸和工作条件差异，通过激光束扫描速度的改变，激光制备的成品活塞环颗粒陶瓷增强复合涂层厚度可以控制在0.08～0.60mm，涂层表面维氏硬度HV850～1200。在金相显微镜下观察，涂层的典型组织为细小的FeCSiB亚共晶介稳组织，可有共晶和过共晶介稳组织共存，即其显微组织由细小弥散的渗碳体和奥氏体组成。金相显微镜高倍下观察，可看到奥氏体发生了马氏体相变，还可观察到在上述组织中存在大量尺寸为1～3μm左右的硬质颗粒，其密度达到10⁴个/mm²数量级。由于这种活塞环的表面层是用激光合金化或激光熔覆处理，并通过高能激光束快速熔化，使活塞环外表面一定深度的基体快速熔化后凝固形成特定的陶瓷颗粒增强复合涂层。涂层与活塞环本体是冶金结构，在外力作用下不会发生脱落或剥离。这是这种新型活塞环与镀铬、喷钼、物理/化学气相沉积涂层活塞环的根本区别。尺寸为微米级、弥散分布的高硬度增强颗粒及先共晶、共晶渗碳体作为摩擦副支撑骨架、细小的韧性的奥氏体急冷转变相(马氏体和残余奥氏体)有利于储油并保持润滑油膜连续性，这种结构显著提高了活塞环的表面硬度并降低了摩擦系数，兼有很强的抗磨粒磨损和抗粘着磨损能力。摩擦磨损实验和发动机台架试验证明，这种活塞环在与不同材质气缸套配副时都显示出了优异的摩擦磨损特性：低摩擦系数和环、套双方磨损量的显著降低。

具体实施方式

由以下工艺步骤加工活塞环：

毛坯铸造→磨削加工端面→热处理→机械加工两端面→仿形粗车外圆→喷涂合金化涂料→激光扫描→热处理→铣切口→粗镗孔→粗修口→磨外圆→精镗孔→精修口→磷化→上油。

合金化涂料中含(各元素的质量百分比wt％)为碳15％～25％、硅8％～28％、硼3％～10％、稀土2.5％～7.5％、钼4％～9％、钨10％～28％、钛2％～10％、钴4％～9％、镍4％～9％。喷涂合金化涂料的涂层厚度为0.2mm～0.4mm。以激光束沿圆周扫，描激光扫描的功率密度为10⁴～10⁵W/cm²。

下表为激光陶瓷颗粒增强复合涂层活塞环主要技术性能指标与国内外同类产品比较：

φ125		硬度(HV0.2)	耐磨损性能	摩擦系数
					国内	普通镀铬环	750～850	抗磨粒磨损优，抗粘着磨损差	0.117～0.133
喷钼环	575～800	抗磨粒磨损差，抗粘着磨损优	0.107～0.121
				国外		德国格茨喷钼环	813～1144	性能优于国产环	0.140～0.146
激光陶瓷颗粒增强复合涂层活塞环		850～1200	兼有优异的抗粘着磨损和抗磨粒磨损能力，耐磨性优于进口喷钼环和镀铬环		0.070～0.085

此外，进入稳定摩擦磨损阶段后，各种活塞环与气缸套配副之间的摩擦系数会缓慢上升，直到摩擦副失效。而本发明涉及的激光陶瓷颗料增强复合涂层活塞环与气缸套配副之间的摩擦系数在大多数情况下是缓慢下降，不仅显著提高环套双方的寿命，还显著降低了发动机长时间工作消耗的摩擦功。因此，本发明所涉及的活塞环是一种对于不同材质气缸套都具有优良配副性和耐磨性的新型活塞环。最后，由于这种新型活塞环的激光表面合金化层具有优异的耐腐蚀性能，成品活塞环经磷化处理化，工作表面(柱面或桶形面)呈颜色深浅不一的带状：中间浅色宽带是激光强化带，两侧深灰色窄带为正常磷化层。这是本发明专利所涉及的活塞环在外观上与现有各种表面处理获得的活塞环具有典型差别的特征，也是一种很难仿制的天然防伪标记。

Claims (6)

1、活塞环加工新工艺，其特征在于包括以下工艺步骤：铸造→磨削→热处理→磨削→金加工→激光强化处理→热定型→金加工。

2、根据权利要求1所述活塞环加工新工艺，其特征在于激光强化处理包括喷涂合金化涂料和激光扫描。

3、根据权利要求2所述活塞环加工新工艺，其特征在于喷涂合金化涂料的厚度为0.2mm～0.4mm。

4、根据权利要求2所述活塞环加工新工艺，其特征在于激光扫描时的功率密度为10⁴～10⁵W/cm²，将聚焦的激光束沿圆周扫描。

5、根据权利要求1或2或3或4所述活塞环加工新工艺，其特征在于所述合金的涂料中含有碳、硅、硼、稀土、钼、钨、钛、钴、镍。

6、根据权利要求5所述活塞环加工新工艺，其特征在于在合金化涂料中各元素的质量百分比(wt％)为碳15％～25％、硅8％～28％、硼3％～10％、稀土2.5％～7.5％、钼4％～9％、钨10％～28％、钛2％～10％、钴4％～9％、镍4％～9％。