鋁基活塞環(huán)槽表面合金強(qiáng)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種活塞環(huán)槽的表面處理方法，該活塞環(huán)槽主要應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)上。
【背景技術(shù)】
[0002] 活塞是內(nèi)燃機(jī)上最關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)件，它在高溫高壓下承受反復(fù)交變載荷的作用，被 稱(chēng)為內(nèi)燃機(jī)的心臟?；钊е饕莾礊樵?00-573K溫度下和活塞環(huán)配對(duì)工作的環(huán)槽表 面接觸處磨損造成的。
[0003] 發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)在高溫、高壓、高速條件下?lián)?fù)著密封、傳熱的作用?；钊h(huán)與活塞 環(huán)槽緊密貼合，密封效果好，燃燒室內(nèi)油氣混合均勻，燃燒充分，儲(chǔ)存的化學(xué)能能充分地轉(zhuǎn) 化為熱能，排出的廢氣對(duì)環(huán)境的影響小。由于活塞環(huán)槽與活塞環(huán)之間是邊界潤(rùn)滑，且潤(rùn)滑 狀況較差，尤其是第一道環(huán)槽潤(rùn)滑條件最差，接觸應(yīng)力和沖擊力較大，將導(dǎo)致環(huán)槽出現(xiàn)磨 損，并引發(fā)氣缸漏氣，油耗率增大，功率降低以及壓縮不足，甚至發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作。活塞 環(huán)槽的耐磨性是評(píng)定內(nèi)燃機(jī)性能的重要指標(biāo)之一，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命有著重要影響。
[0004] 隨著發(fā)動(dòng)機(jī)向著高功率密度發(fā)展，出于減重的需要，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞大多采用質(zhì)量較 輕的鋁合金，但鋁合金由于熔點(diǎn)低，強(qiáng)度低，耐磨性不好等缺點(diǎn)成為鋁活塞在大功率發(fā)動(dòng)機(jī) 卜心用的障礙。目前，大多鋁合金活塞采用鑄鐵耐磨鑲?cè)?duì)環(huán)槽部位進(jìn)行強(qiáng)化，這樣就增加 了活塞的重量和成木。此外由于鑄鐵和鋁合金的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)等物理化學(xué)性 能相差懸殊，結(jié)合強(qiáng)度低，在活塞頂?shù)蔫T造時(shí)易出現(xiàn)環(huán)偏及環(huán)下氣孔等缺陷，并且在活塞的 焊接、熱處理及機(jī)加過(guò)程中，還易出現(xiàn)鑄鐵鑲環(huán)與鋁合金基體剝離現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，生 產(chǎn)成品率低。因此，如何提高活塞環(huán)槽表面硬度和耐磨性，提高活塞制造工藝成品率是當(dāng)前 急需解決的技術(shù)難題。
[0005]目前，國(guó)內(nèi)外正在使用的活塞環(huán)槽表面強(qiáng)化處理方法有以下幾種：
[0006] 第一種，化學(xué)熱處理，以活塞頭氮化、軟氮化居多，這類(lèi)技術(shù)文獻(xiàn)可以參考申請(qǐng)?zhí)?為200710164825. 7的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)《活塞環(huán)表面涂覆氮化硅膜層的方法》（公開(kāi) 號(hào)為CN101210318A)，還可以參考申請(qǐng)?zhí)枮?00810072083.X的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)《鑄 鐵活塞環(huán)的氮化裝置及氮化工藝》（公開(kāi)號(hào)為CN101403087A)。
[0007] 第二種，活塞環(huán)槽表面感應(yīng)淬火或激光淬火，這類(lèi)技術(shù)文獻(xiàn)可以參考申請(qǐng)?zhí)?為200610040204. 3的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)《活塞環(huán)槽高頻淬火工藝》（公開(kāi)號(hào)為 CN1844414A)，還可以參考申請(qǐng)?zhí)枮?01210531420. 3的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)《鐵基活塞 環(huán)槽側(cè)面激光淬火工藝》（公開(kāi)號(hào)為CN103014301A)。
[0008] 第三種，環(huán)槽表面鍍鉻、鎳鐵鑲環(huán)工藝，這類(lèi)技術(shù)文獻(xiàn)可以參考申請(qǐng)?zhí)枮?201310021922. 6的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)《帶有硬軟復(fù)合涂層與織構(gòu)化表面的耐磨活塞環(huán) 及制備方法》（公開(kāi)號(hào)為CN103089479A)，還可以參考申請(qǐng)?zhí)枮?01510126498. 0的中國(guó)發(fā)明 專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)《一種高性能復(fù)合涂層活塞環(huán)》（公開(kāi)號(hào)為CN104696098A)。
[0009] 但這些方法普遍存在表面強(qiáng)化層厚度薄、成本高、工藝復(fù)雜、環(huán)境污染嚴(yán)重等缺 點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述的技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種工藝簡(jiǎn)單、成本 低、改善耐磨性能的鋁基活塞環(huán)槽表面合金強(qiáng)化方法。
[0011] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為：一種鋁基活塞環(huán)槽表面合金強(qiáng)化 方法，其特征在于包括如下步驟：
[0012] ①對(duì)鐵基合金粉末進(jìn)行配比，該鐵基合金粉末由如下重量配比的組分：鎳含量為 32~38%，鉻含量為10~16%，鉬含量為3~6%，其余為鐵元素，烘干待用；
[0013] ②對(duì)鋁基活塞環(huán)槽上、下及內(nèi)表面均進(jìn)行凈化清洗處理，消除污物并使表面活化； 對(duì)活塞環(huán)槽基體進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為200~400°C;
[0014] ③等離子噴涂，將鐵基合金粉末噴涂到鋁基活塞環(huán)槽上、下及內(nèi)表面上，等離子噴 涂工藝參數(shù)，電壓控制在80~95V，電流為180~220A，噴距為85~90mm，送粉速度為15~ 20g/min；
[0015] ④電子束對(duì)涂層和基體進(jìn)行重熔處理，作用距離為650~750mm，真空度至少為 103mbar;電子束米用表面聚焦方式，加速電壓為55~65kV，聚焦電流為5~50mA，掃描速 度為15~30mmsS
[0016] ⑤對(duì)鋁基活塞環(huán)槽進(jìn)行車(chē)削精加工。
[0017] 作為優(yōu)選，步驟③中等離子噴涂后涂層厚度為100~150μm。
[0018] 作為優(yōu)選，于步驟④中所述的鋁基新合金強(qiáng)化層厚度為1~5mm
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明采用等離子噴涂與電子束重熔強(qiáng)化 技術(shù)結(jié)合的方法，不僅可以消除涂層中孔洞和未熔融粉末等缺陷，而且能使強(qiáng)化層與環(huán)槽 基體形成穩(wěn)定可靠的冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高。整體工藝操作簡(jiǎn)單，所花費(fèi)成本又較低，對(duì)環(huán) 境也沒(méi)有造成污染。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為實(shí)施例1中初始狀態(tài)錯(cuò)基活塞頭部結(jié)構(gòu)不意圖。
[0021] 圖2為實(shí)施例1中等離子噴涂過(guò)程示意圖。
[0022] 圖3為實(shí)施例1中電子束重熔強(qiáng)化過(guò)程示意圖。
[0023] 圖4為實(shí)施例1中電子束重熔強(qiáng)化后鋁基活塞頭部結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0025] 實(shí)施例1 :
[0026] 步驟1，確定鐵、鎳、絡(luò)、鎢、鉬等元素比重，對(duì)鐵基合金粉末進(jìn)行配比（其中鎳含量 為37%，鉻含量為15%，鉬含量為3%，其余為鐵元素）；烘干，并放入送粉器內(nèi)；
[0027] 步驟2,利用酒精或煤油對(duì)鋁基活塞環(huán)槽上、下及內(nèi)表面進(jìn)行凈化處理，消除污物 并使表面活化；對(duì)活塞環(huán)槽基體進(jìn)行預(yù)熱，消除表面水分和濕氣，提高粉末與環(huán)槽表面接觸 時(shí)的界面溫度，減少因基體膨脹造成的涂層應(yīng)力，避免涂層開(kāi)裂，初始狀態(tài)的鋁基活塞頭如 圖1所示，般有三道環(huán)槽，第一道和二道為氣環(huán)槽，第三道為油環(huán)槽。每個(gè)環(huán)槽均有三個(gè)表 面，即環(huán)槽上表面11、環(huán)槽下表面12、環(huán)槽內(nèi)表面13 ;
[0028] 步驟3,根據(jù)合金粉末種類(lèi)、環(huán)槽結(jié)構(gòu)和噴槍2性能確定等離子噴涂工藝參數(shù)，電 壓控制在90V，電流為200A，主氣為氮?dú)?，送粉氣為空氣，噴距?0mm，送粉速度為20g/min， 如圖2所示環(huán)槽上、下及內(nèi)表面的涂層3厚度在150μm范圍內(nèi)，鐵基合金粉末首先在熱源 中加速、熔化或部分熔化后，在沖擊力的作用下，在環(huán)槽上、下及內(nèi)表面鋪展并凝固形成涂 層；
[0029] 步驟4,如圖3所示利用電子束發(fā)生器4對(duì)涂層和基體進(jìn)行重熔處理，以電子束為 熱源，對(duì)涂層和環(huán)槽上、下及內(nèi)表面基體材料進(jìn)行重熔處理，最后再次凝固形成鋁基新合金 5。圖4為電子束重熔強(qiáng)化后鋁基活塞頭部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 作用距離為700mm，真空度為103mbar;電子束采用表面聚焦方式，加速電壓為 60kV，聚焦電流為50mA，掃描速度為30mms\在環(huán)槽處形成3mm的錯(cuò)基新合金強(qiáng)化層；
[0031] 步驟5,對(duì)合金強(qiáng)化后的環(huán)槽進(jìn)行車(chē)削精加工，以滿足使用要求。
[0032] 表1材料性能對(duì)比
[0033]
[0034] 實(shí)施例2 :
[0035] 步驟1，確定鐵、鎳、絡(luò)、鎢、鉬等元素比重，對(duì)鐵基合金粉末進(jìn)行配比（其中鎳含量 為37%，鉻含量為15%，鉬含量為3%，其余為鐵元素）；烘干，并放入送粉器內(nèi)；
[0036] 步驟2,利用酒精或煤油對(duì)鋁基活塞環(huán)槽上、下及內(nèi)表面進(jìn)行凈化處理，消除污物 并使表面活化；對(duì)活塞環(huán)槽基體進(jìn)行預(yù)熱，消除表面水分和濕氣，提高粉末與環(huán)槽表面接觸 時(shí)的界面溫度，減少因基體膨脹造成的涂層應(yīng)力，避免涂層開(kāi)裂；
[0037] 步驟3,根據(jù)合金粉末種類(lèi)、環(huán)槽結(jié)構(gòu)和噴槍性能確定等離子噴涂工藝參數(shù)，電壓 控制在85V，電流為180A，主氣為氮?dú)?，送粉氣為空氣，噴距?0mm，送粉速度為15g/min，環(huán) 槽上、下及內(nèi)表面的涂層厚度在100ym范圍內(nèi)；
[0038] 步驟4,所示利用電子束對(duì)涂層和基體進(jìn)行重熔處理，作用距離為700mm，真空度 為103mbar;電子束采用表面聚焦方式，加速電壓為60kV，聚焦電流為50mA，掃描速度為 25mms\在環(huán)槽處形成4mm的錯(cuò)基新合金強(qiáng)化層；
[0039] 步驟5,對(duì)合金強(qiáng)化后的環(huán)槽進(jìn)行車(chē)削精加工，以滿足使用要求。
[0040] 表2本實(shí)施例材料性能對(duì)比 [0041 ]
[0042] 實(shí)施例3 :
[0043] 步驟1，確定鐵、鎳、絡(luò)、鎢、鉬等元素比重，對(duì)鐵基合金粉末進(jìn)行配比（其中鎳含量 為37%，鉻含量為15%，鉬含量為3%，其余為鐵元素）；烘干，并放入送粉器內(nèi)；
[0044] 步驟2,利用酒精或煤油對(duì)鋁基活塞環(huán)槽上、下及內(nèi)表面進(jìn)行凈化處理，消除污物 并使表面活化；對(duì)活塞環(huán)槽基體進(jìn)行預(yù)熱，消除表面水分和濕氣，提高粉末與環(huán)槽表面接觸 時(shí)的界面溫度，減少因基體膨脹造成的涂層應(yīng)力，避免涂層開(kāi)裂；
[0045] 步驟3,根據(jù)合金粉末種類(lèi)、環(huán)槽結(jié)構(gòu)和噴槍性能確定等離子噴涂工藝參數(shù)，電壓 控制在85V，電流為180A，主氣為氮?dú)?，送粉氣為空氣，噴距?0mm，送粉速度為20g/min，環(huán) 槽上、下及內(nèi)表面的涂層厚度在100ym范圍內(nèi)；
[0046] 步驟4,利用電子束對(duì)涂層和基體進(jìn)行重熔處理，作用距離為700mm，真空度 為103mbar;電子束采用表面聚焦方式，加速電壓為60kV，聚焦電流為50mA，掃描速度為 15mms\在環(huán)槽處形成5mm的錯(cuò)基新合金強(qiáng)化層；
[0047] 步驟5,對(duì)合金強(qiáng)化后的環(huán)槽進(jìn)行車(chē)削精加工，以滿足使用要求。
[0048] 表3為本實(shí)施例材料性能對(duì)比
[0049]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種鋁基活塞環(huán)槽表面合金強(qiáng)化方法，其特征在于包括如下步驟： ① 對(duì)鐵基合金粉末進(jìn)行配比，該鐵基合金粉末由如下重量配比的組分：鎳含量為32~ 38 %，鉻含量為10~16 %，鉬含量為3~6 %，其余為鐵元素，烘干待用； ② 對(duì)鋁基活塞環(huán)槽上、下及內(nèi)表面均進(jìn)行凈化清洗處理，消除污物并使表面活化；對(duì)活 塞環(huán)槽基體進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為200~400°C; ③ 等離子噴涂，將鐵基合金粉末噴涂到鋁基活塞環(huán)槽上、下及內(nèi)表面上，等離子噴涂工 藝參數(shù)，電壓控制在80~95V，電流為180~220A，噴距為85~90mm，送粉速度為15~ 20g/min； ④ 電子束對(duì)涂層和基體進(jìn)行重熔處理，作用距離為650~750mm，真空度至少為 103mbar;電子束米用表面聚焦方式，加速電壓為55~65kV，聚焦電流為5~50mA，掃描速 度為15~30mmsS ⑤ 對(duì)鋁基活塞環(huán)槽進(jìn)行車(chē)削精加工。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁基活塞環(huán)槽表面合金強(qiáng)化方法，其特征在于步驟③中等離 子噴涂后涂層厚度為100~150μm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁基活塞環(huán)槽表面合金強(qiáng)化方法，其特征在于步驟④中所述 的鋁基新合金強(qiáng)化層厚度為1~5mm。
【專(zhuān)利摘要】一種鋁基活塞環(huán)槽表面合金強(qiáng)化方法，其特征在于包括如下步驟：①對(duì)鐵基合金粉末進(jìn)行配比；②對(duì)鋁基活塞環(huán)槽進(jìn)行等離子噴涂；④電子束對(duì)涂層和基體進(jìn)行重熔處理；⑤對(duì)鋁基活塞環(huán)槽進(jìn)行車(chē)削精加。等離子噴涂與電子束重熔強(qiáng)化技術(shù)結(jié)合的方法，不僅可以消除涂層中孔洞和未熔融粉末等缺陷，而且能使強(qiáng)化層與環(huán)槽基體形成穩(wěn)定可靠的冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高。整體工藝操作簡(jiǎn)單，所花費(fèi)成本又較低，對(duì)環(huán)境也沒(méi)有造成污染。
【IPC分類(lèi)】C22C38/44, C23C4/134, C23C4/18, C23C4/08
【公開(kāi)號(hào)】CN105296878
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510788717
【發(fā)明人】沈正祥, 李亞哲, 劉峰濤, 王芳, 楊輝, 周克, 周春華, 陳炯, 袁書(shū)強(qiáng)
【申請(qǐng)人】中國(guó)兵器科學(xué)研究院寧波分院
【公開(kāi)日】2016年2月3日
【申請(qǐng)日】2015年11月17日