發(fā)動機凸輪及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有耐磨涂層復(fù)合發(fā)動機凸輪及其制備方法，尤其涉及一種具有耐磨碳化物涂層的復(fù)合發(fā)動機凸輪及其制備方法，具體涉及一種應(yīng)用于碳鋼表面的耐磨碳化物涂層復(fù)合發(fā)動機凸輪及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]凸輪是汽車發(fā)動機的關(guān)鍵零部件之一，不僅承受著一定的載荷，而且經(jīng)受著長時間的磨損，其性能好壞直接影響著汽車的質(zhì)量和壽命。凸輪是凸輪軸上重要的一部分，凸輪軸主要由凸輪、支承軸頸、軸頸等幾部分組成，用以控制氣門按一定的工作次序和配氣相位及時開閉，并保證氣門有足夠的升程，對整個配氣系統(tǒng)的性能具有決定性作用。其工作時，凸輪表面和挺桿之間有很高的周期性接觸應(yīng)力和較快的相對滑動速度，并且在機械運動過程中產(chǎn)生高溫，致使凸輪經(jīng)常以凸輪表面出現(xiàn)擦傷、點蝕、磨損、邊緣龜裂及剝落等形式失效，因此要求凸輪材料具有較好的剛性和抗疲勞強度以及良好的耐磨性能。
[0003]目前，國內(nèi)外生產(chǎn)凸輪的材料主要有鍛鋼和鑄鐵兩種。以前，轎車發(fā)動機多采用鍛鋼凸輪。近年來，為了降低生產(chǎn)成本、改善加工性能，轎車發(fā)動機凸輪的生產(chǎn)開始采用各種鑄鐵材料。同時，由凸輪的工作條件可知，其主要磨損是由凸輪表面和挺桿之間的摩擦產(chǎn)生的，對凸輪部分的硬度和耐磨性能要求很高。因此，在當前國內(nèi)外轎車凸輪生產(chǎn)中，鑄鐵已經(jīng)成為廣泛應(yīng)用的材料。其次凸輪的鑄造工藝和表面強化亦是制備過程中必須考宄的問題。凸輪工作時，不僅經(jīng)受長時間的磨損，同時凸輪作為軸類零件，承受著一定的載荷，其表面常處于最大應(yīng)力狀態(tài)，并且介質(zhì)環(huán)境復(fù)雜。因此，零件的失效和破壞也大多發(fā)生在表面或從表面開始，如在零件表層引入一定的殘余壓應(yīng)力，增加表面硬度，改善表層組織等，就能顯著地提高零件的疲勞強度和耐磨性。表面強化工藝可在保證零件整體塑、韌性的同時有效提高表層耐磨性和抗疲勞強度，有時還能提高耐腐蝕性能，已在凸輪、曲軸、傳動齒輪等制造領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。目前，在凸輪生產(chǎn)中，經(jīng)常使用的表面強化工藝主要有淬火工藝和重熔工藝，此外，還有液體氮化工藝等。
[0004]碳化物材料的涂層是現(xiàn)階段使用較多一種材料，其具有硬度高、耐磨損性能優(yōu)越的特點，以涂層方式覆蓋在金屬碳基體表面可以提高由基體材料制備的零部件的耐磨性與壽命。其中TiC是一種常見涂層材料，其有如下特點特性:
[0005](I)具備密度低、強度高、彈性模量高、耐磨、耐腐蝕、抗氧化等優(yōu)異的綜合性能；
[0006](2)其顆粒一般呈圓球狀，其晶格結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu)，具有很高的熱穩(wěn)定性和硬度；
[0007](3)便于切削加工、焊接、鍛造，并且加工過程熱變形小，且具有普通熔煉鋼的冷熱加工性能。
[0008]因此，TiC涂層被廣泛地用作無肩冷熱金屬加工工具、切削刀具、各種模具、耐磨耐熱耐蝕零件表面等。
[0009]目前金屬材料表面涂層技術(shù)有:激光熔覆法、高溫自蔓延燒結(jié)技術(shù)、粉末冶金技術(shù)、材料氣相沉積技術(shù)(包括:化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD))等，但這些方法，存在生產(chǎn)設(shè)備要求苛刻、生產(chǎn)效率低、涂層結(jié)合強度低等不足。因此如何在發(fā)動機凸輪工作表面獲得TiC相的涂層，并且選擇一種生產(chǎn)設(shè)備簡單、工藝流程短的制備方法，獲得與基體結(jié)合力好、不易脫落且力學(xué)性能、耐磨性能優(yōu)異的涂層是亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種發(fā)動機凸輪，其工作部位的表面具有一種耐磨涂層，該耐磨涂層為TiC致密陶瓷層，該涂層有利保證凸輪表面具有很高的硬度和很好的耐磨性及斷裂韌性，而凸輪基體內(nèi)部具有很好的韌性。具有并且提供一種用于獲得上述發(fā)動機凸輪的制備方法。
[0011]進一步的，本發(fā)明還提供一種發(fā)動機凸輪，其工作部位的表面具有一種梯度復(fù)合涂層，其優(yōu)選被涂覆于發(fā)動機凸輪工作部位的基體表面，以提高其表面的耐磨性和斷裂韌性，并且提供一種用于獲得上述涂層的制備方法。
[0012]所述發(fā)動機凸輪，在其工作部位具有耐磨涂層，該涂層有利保證發(fā)動機凸輪表面具有很高的硬度和很好的耐磨性，而凸輪本身具有很好的韌性。
[0013]為實現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
[0014]一種發(fā)動機凸輪，在其工作面具有耐磨涂層，其特征在于，該耐磨涂層為TiC致密陶瓷層。優(yōu)選的，TiC致密陶瓷層為準單晶相，所述準單晶相是指，介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。
[0015]更優(yōu)選的，沿TiC致密陶瓷層沿涂層縱向剖面，其厚度為70-200 μ m，優(yōu)選為100-200 μ m，更優(yōu)選為120-200 μ m ;優(yōu)選地，TiC的體積分數(shù)大于80%，優(yōu)選大于90% ；TiC致密陶瓷層粒徑為8-50 μ m，優(yōu)選為10-50 μ m。
[0016]此外，本發(fā)明還提供一種發(fā)動機凸輪，在其工作面具有梯度復(fù)合涂層，所述梯度復(fù)合涂層為碳化物涂層，包括依次呈梯度分布的TiC致密陶瓷層、微米TiC陶瓷層、TiC與鋼基體的融合層。
[0017]優(yōu)選地，TiC致密陶瓷層為準單晶相。所述準單晶相是指，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。準單晶相介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，準單晶相的晶界明顯減少，位錯密度低，有較多亞晶界，因此硬度有明顯提升；而較之單晶相，其對制備方式要求更低，且組織更為穩(wěn)定。
[0018]更優(yōu)選地，沿TiC致密陶瓷層縱向剖面，其厚度為70-200 μ m，優(yōu)選為100-200 μ m，更優(yōu)選為120-200 μπι;優(yōu)選的，其中TiC的體積分數(shù)大于80%，優(yōu)選大于90% ;粒徑為8-50 μ m，優(yōu)選為 10-50 μ m。
[0019]進一步優(yōu)選的，沿微米TiC陶瓷層縱向剖面，其厚度為50_150μπι，優(yōu)選為70-150 μ m，更優(yōu)選為80-150 μ m ;其中TiC的體積分數(shù)大于80%，優(yōu)選大于90%，其粒徑為5-15 μ m，優(yōu)選為 6-12 μ m，優(yōu)選為 8-10 μ m。
[0020]更進一步，沿TiC與基體的融合層縱向剖面，其厚度為50-200 μ m，優(yōu)選為100-200 μ m ;其中TiC的體積分數(shù)為20-80 %，優(yōu)選為50-85 %，其粒徑為1_10 μπι，優(yōu)選為2-8 μ m0
[0021]優(yōu)選地，梯度復(fù)合涂層總厚度為170-550 μπι;優(yōu)選為300-550 μπι。
[0022]更優(yōu)選地，所述發(fā)動機凸輪以碳鋼為基體，所選碳鋼基體為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼，優(yōu)選為:Q275A、Q255AF、45 鋼、T12A、T8、ZG270-450 等，見國家標準 GB221-79?；w組織根據(jù)熱處理方式的不同為珠光體、馬氏體、鐵素體、貝氏體、奧氏體和索氏體中的一種或幾種。
[0023]本發(fā)明提供一種發(fā)動機凸輪的制備方法，其工作表面具有耐磨涂層，包括如下步驟:
[0024]I)先準備一鈦板，優(yōu)選地，其中鈦的純度應(yīng)控制在99.7-99.99%，所述鈦板的厚度控制在0.2-3mm ;優(yōu)選地，所述鈦板先被加以表面處理；
[0025]2)按照凸輪尺寸，用聚苯乙烯泡沫塑料制作凸輪消失模，根據(jù)凸輪的工作受力狀況，其主要磨損是凸輪表面與挺桿底面之間強烈的摩擦，據(jù)此在凸輪消失模工作表面固定鈦板，然后在鈦板表面固定外部碳源，所述外部碳源為三級以上的石墨紙，純度99%，厚度為0.1-0.35mm，使其與鈦板緊密結(jié)合。
[0026]3)按照凸輪尺寸，制作砂型；優(yōu)選地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬樹脂砂或潮模砂制作砂型。
[0027]4)將碳鋼基材冶煉為鋼液，優(yōu)選的，溫度控制在1610°C -1630°C ;
[0028]5)采用消失模真空吸鑄工藝，將上述鋼液澆入放置有凸輪消失模、鈦板和碳源的砂型內(nèi)，待鋼液冷卻凝固后，取出鑄件，清砂處理，獲得凸輪基體為碳鋼，凸輪工作表面為碳鋼與鈦板的復(fù)合體；優(yōu)選地，澆注溫度控制在1610°C _1630°C;更優(yōu)選地，澆注時間40-50秒為宜；進一步優(yōu)選地，一分鐘后，在冒口補饒，優(yōu)選地，室溫冷卻。
[0029]6)將澆鑄完的凸輪復(fù)合體放入具有保護氣氛的保溫爐內(nèi)保溫，最后隨爐冷卻至室溫，從而在凸輪工作表面形成耐磨涂層，而凸輪基體仍為碳鋼基體。
[0030]其中，耐磨碳化物涂層為TiC致密陶瓷層。
[0031]優(yōu)選地，通過控制步驟6)中保溫時間、保溫溫度獲得該TiC致密陶瓷層；優(yōu)選地，TiC致密陶瓷層為準單晶相，所述準單晶相是指，介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。
[0032]本發(fā)明還提供一種發(fā)動機凸輪的制備方法，其工作表面具有梯度復(fù)合涂層，包括如下步驟:
[0033]I)先準備一鈦板，優(yōu)選地，其中鈦的純度控制在99.7-99.99%，所述鈦板的厚度控制在0.2-3mm ;優(yōu)選地，所述鈦板先被加以表面處理；
[0034]2)按照凸輪尺寸，用聚苯乙烯泡沫塑料制作凸輪消失模，根據(jù)凸輪的工作受力狀況，其主要磨損是凸輪表面與挺桿底面之間強烈的摩擦，據(jù)此在凸輪消失模工作表面固定鈦板，然后在鈦板表面固定外部碳源，使其與鈦板緊密結(jié)合；所述碳源為三級以上的石墨紙，純度99%，厚度為0.1-0.35mm。
[0035]3)按照凸輪尺寸，制作砂型；優(yōu)選地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬樹脂砂或潮模砂制作砂型。
[0036]4)將碳鋼基材冶煉為鋼液，優(yōu)選的，溫度控制在1610°C -1630°C。
[0037]5)采用消失模真空吸鑄工藝，將上述鋼液澆入放置有凸輪消失模、鈦板和碳源的砂型內(nèi)，待鋼液冷卻凝固后，取出鑄件，清砂處理，獲得凸輪基體為碳鋼，凸輪工作表面為碳鋼與鈦板的復(fù)合體；優(yōu)選地，澆注溫度控制在1610°C _1630°C;更優(yōu)選地，澆注時間40-50秒為宜；進一步優(yōu)選地，一分鐘后，在冒口補饒，優(yōu)選的，室溫冷卻。
[0038]6)將澆鑄完的凸輪復(fù)合體放入具有保護氣氛的保溫爐內(nèi)保溫，最后隨爐冷卻至室溫，從而在凸輪工作表面形成梯度復(fù)合涂層，而凸輪基體仍為碳鋼基體。
[0039]7)所得的表面具有梯度復(fù)合涂層的鏟齒被進一步熱處理以獲得更合適的基體組織。
[0040]優(yōu)選地，鈦板厚度為0.2-3mm ;若小于0.2mm，則鈦板在饒注復(fù)合過程中就已經(jīng)完全反應(yīng)，不能獲得TiC致密陶瓷層，直接生成彌散分布TiC顆粒；超過3mm則導(dǎo)致擴散距離增大，反應(yīng)動力不足。
[0041]優(yōu)選地，通過嚴格控制步驟6)中保溫溫度與時間的關(guān)系，獲得所述準單晶相TiC致密陶瓷層。該陶瓷層呈現(xiàn)出較為明顯的準單晶組織，光學(xué)顯微鏡下表現(xiàn)為晶界減少，影響斷裂韌性的位錯也相應(yīng)減少，代之亞晶界增多，有效提高該陶瓷層的抗裂能力。
[0042]優(yōu)選地，通過控制步驟6)中保溫時間、保溫溫度獲得該梯度復(fù)合涂層即碳化物涂層，所述碳化物涂層包括依次呈梯度分布的準單晶相TiC致密陶瓷層、微米TiC陶瓷層、TiC與基體的融合層。
[0043]更優(yōu)選地，上述步驟6)中保溫