CN102031515B

CN102031515B - 一种缸套内壁激光合金化工艺

Info

Publication number: CN102031515B
Application number: CN 201010583272
Authority: CN
Inventors: 王爱华; 张政; 韩甜
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2030-12-09
Also published as: CN102031515A

Abstract

一种缸套内壁激光合金化工艺，其步骤包括：将粒径为200-900nm的固体合金化粉末与水或酒精或丙酮混合后得到的激光合金化涂料喷涂在缸套内壁，形成喷涂层，再在高能密度激光的作用下，使涂料与基材熔合，形成合金化带；所述固体合金化粉末成分的质量分数为Si：21-30％，Ti：18-23％，V：0.3-0.8％，Cr：16-24％，Fe：12-18％，Co：5-7％，W：6-10％，Mo：3.8-5.0％。普通缸套内壁经过本发明的激光合金化处理后可达到整体合金铸铁缸套的性能，节约了大量昂贵的金属材料，具有很强的实用性。

Description

一种缸套内壁激光合金化工艺

技术领域

本发明涉及金属材料表面加工技术领域，具体是指一种缸套内壁激光合金化工艺。

技术背景

缸套是内燃机、汽油发动机、液压设备的核心零部件，活塞在缸套中作高速往复运动造成缸套内壁的磨损。并且由于缸套内的环境恶劣，存在大量高温、高压油气，直接致使缸套表面的氧化和硫化，破坏了缸套内壁金属表面的性质，尤其是产生的硫化物等将导致缸套内壁金属的腐蚀。在缸套的使用过程中，磨损是导致其失效的主要原因，所以对缸套内壁进行强化加工处理，以大幅度提高其耐磨性是提高缸套寿命的主要手段。与此同时，也需要能提高缸套内壁的耐高温、耐腐蚀性。

现有技术中，一般采用激光淬火工艺对缸套内壁进行强化，并且淬火带呈网状结构。经过激光淬火工艺处理后的缸套内壁在摩擦过程中，未经激光处理的基体部分最先因摩擦而凹陷，形成菱形的储油结构，从而降低缸套与活塞之间的摩擦系数，并且储油结构还可以储存杂质和磨粒。同时，网状淬火带由于硬度大幅度提高，缸套内壁的耐磨性能也得到了提高。但目前采用激光淬火来提高缸套的耐磨性已经达到了工艺极限，对缸套内壁的耐磨性、耐高温性和耐腐蚀性的提高均有限。同时铸钢件的表面存在气泡，也影响缸套内壁的耐磨性。

发明内容

本发明的目的是针对上述背景技术存在的不足，提供一种可以显著提高缸套内壁耐磨性、耐高温性和耐腐蚀性，同时补偿铸钢件表面的气泡，从而延长缸套内壁使用寿命的缸套内壁激光合金化工艺。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种缸套内壁激光合金化工艺，其步骤包括：将粒径为200-900nm的固体合金化粉末与水或酒精或丙酮混合后得到的激光合金化涂料喷涂在缸套内壁，形成喷涂层，再在高能密度激光的作用下，使涂料与基材熔合，形成合金化带；所述固体合金化粉末成分的质量分数为Si：21-30％，Ti：18-23％，V：0.3-0.8％，Cr：16-24％，Fe：12-18％，Co：5-7％，W：6-10％，Mo：3.8-5.0％。

所述喷涂层的厚度为30-150μm。

所述高能密度激光是指从CO₂激光功率为1600-2200W的激光，

激光光斑尺寸为Φ3.5-5mm。

所述合金化带呈沿活塞行程方向前密后疏的螺旋条纹状。

本发明利用粒径为超微的激光合金化涂料在激光作用下与基材熔合，在缸套表层形成合金化层，向内逐渐过渡到淬火层，然后是基材。合金化层组织细密，且合金粉末中的各种耐高温、耐腐蚀的合金元素均匀分散并熔渗入合金化层，大大提高了合金化层的耐高温、耐腐蚀性能，因此合金化层具有优异的耐磨、耐高温和耐腐蚀性能。次表层的淬火层对合金化层有很好的支撑和缓冲作用，防止在突然受力的情况下因合金化层硬度高而出现开裂现象。同时，沿活塞行程方向上密下疏的螺旋条纹状合金化层，可以根据缸套的工作状况，在活塞与缸套内壁作用频繁及作用力较大的区域增加了合金化带与缸套内壁的面积比，从而增加了耐磨性，有效提高了缸套内壁的寿命；同时在不需要高面积比的区域又可有效提高加工效率，减少稀有贵重合金元素的消耗。这样，普通铸钢缸套内壁经过激光合金化处理后可达到整体合金铸铁缸套的性能，节约了大量昂贵的金属材料，具有很强的实用性。另外，添加的超微固体合金化粉末也可以补偿铸钢缸套表面的气泡。

附图说明

图1为本发明的螺旋条纹状合金化带展开示意图；

图2为本发明的合金化带的横截面示意图；

图3为实施例1中合金化带的硬度与合金化带内部至表面的关系；

1.缸套内壁、2.基材、3.合金化层、4.淬火层。

具体实施方式

以下结合具体实施例进一步说明本发明，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例：

实施例一

将粒径为200nm的固体合金化粉末与水按质量比2∶1混合后得到的激光合金化涂料喷涂在缸套内壁，形成150μm厚的喷涂层，再在从CO₂激光器发射的功率为2000W的激光作用下，使涂料与基材熔合，激光光斑尺寸为Φ3.5mm，形成宽度为3.5mm的合金化带，所述合金化带沿活塞行程方向呈前密后疏的螺旋条纹状。所述固体合金化粉末成分的质量分数为Si：25％，Ti：21％，V：0.5％，Cr：20％，Fe：15％，Co：6％，W：8％，Mo：4.5％。

如图1所示，本发明的合金化带呈上密下疏的螺旋条纹状。可根据缸套工作状况灵活调整合金化带与缸套内壁的面积比。在活塞与缸套内壁作用频繁及作用力较大的区域适当增加合金化带与缸套内壁的面积比，增强缸套耐磨性，有效提高缸套内壁的寿命，同时在不需要高面积比的区域减小合金化带与缸套内壁的面积比，有效提高了加工效率，减少了稀有贵重合金元素的消耗，因此具有很高的经济性和实用性。

如图2所示，缸套内壁合金化后，表层为合金化层，纵深方向逐渐过渡到淬火层，然后是基材。合金化层组织细密，具有优异的耐磨、耐高温和耐腐蚀性能，次表层的淬火层对合金化层有很好的支撑和缓冲作用，防止在突然受力的情况下因合金化层硬度高而出现开裂现象。

如图3所示，合金化带的硬度达到了HV1050，而灰铸铁缸套内壁经激光淬火后的硬度一般为HV700左右。故缸套内壁经激光合金化后的硬度远远超过激光淬火所能达到的硬度极限，大幅度提高了缸套内壁的耐磨性能。同时，本发明的硬化层较深，超过1.0mm，且分布呈现一定的梯度，耐冲击性能更好，更加适合缸套内恶劣的工作环境。

实施例2

将粒径为500nm的固体合金化粉末与酒精按质量比2∶1混合后得到的激光合金化涂料喷涂在缸套内壁，形成80μm厚的喷涂层，再在从CO₂激光器发射的功率为1800W的激光作用下，使涂料与基材熔合，激光光斑尺寸为Φ4mm，形成宽度为4mm的合金化带，所述合金化带呈沿活塞行程方向前密后疏的螺旋条纹状。所述固体合金化粉末成分的质量分数为Si：21％，Ti：23％，V：0.3％，Cr：18％，Fe：12％，Co：5％，W：8.9％，Mo：3.8％。

在此工艺条件下，得到的合金化带显微硬度可达HV972，硬化层深度可达0.8mm，缸套内壁的耐磨性能提高了1.2倍。

实施例3

将粒径为900nm的固体合金化粉末与丙酮按质量比2∶1混合后得到的激光合金化涂料喷涂在缸套内壁，形成100μm厚的喷涂层，再在从CO₂激光器发射的功率为2000W的激光作用下，使涂料与基材熔合，激光光斑尺寸为Φ4.2mm，形成宽度为4.2mm的合金化带，所述合金化带呈沿活塞行程方向前密后疏的螺旋条纹状。所述固体合金化粉末成分的质量分数为Si：30％，Ti：20％，V：0.8％，Cr：16％，Fe：18％，Co：5％，W：6％，Mo：4.2％。

在此工艺条件下，得到的合金化带显微硬度可达HV880，硬化层深度可达1.0mm，缸套内壁的耐磨性能提高了1.32倍。

实施例4

将粒径为300nm的固体合金化粉末与水按质量比2∶1混合后得到的激光合金化涂料喷涂在缸套内壁，形成120μm厚的喷涂层，再在从CO₂激光器发射的功率为2200W的激光作用下，使涂料与基材熔合，激光光斑尺寸为Φ4.5mm，形成宽度为4.5mm的合金化带，所述合金化带呈沿活塞行程方向前密后疏的螺旋条纹状。所述固体合金化粉末成分的质量分数为Si：28％，Ti：20.6％，V：0.4％，Cr：17％，Fe：16.8％，Co：6％，W：6.2％，Mo：5.0％。

在此工艺条件下，得到的合金化带显微硬度可达HV940，硬化层深度可达1.1mm，缸套内壁的耐磨性能提高了1.4倍。

实施例5

将粒径为300nm的固体合金化粉末与水按质量比2∶1混合后得到的激光合金化涂料喷涂在缸套内壁，形成30μm厚的喷涂层，再在从CO₂激光器发射的功率为1600W的激光作用下，使涂料与基材熔合，激光光斑尺寸为5mm，形成宽度为5mm的合金化带，所述合金化带呈沿活塞行程方向前密后疏的螺旋条纹状。所述固体合金化粉末成分的质量分数为Si：21％，Ti：18％，V：0.5％，Cr：24％，Fe：15.5％，Co：7％，W：10％，Mo：4.0％。

在此工艺条件下，得到的合金化带显微硬度可达HV860，硬化层深度可达0.92mm，缸套内壁的耐磨性能提高了1.3倍。

Claims

1.一种缸套内壁激光合金化工艺，其步骤包括：将粒径为200-900nm的固体合金化粉末与水或酒精或丙酮混合后得到的激光合金化涂料喷涂在缸套内壁，形成喷涂层，再在高能密度激光的作用下，使涂料与基材熔合，形成合金化带；所述固体合金化粉末成分的质量分数为Si：21-30％，Ti：18-23％，V：0.3-0.8％，Cr：16-24％，Fe：12-18％，Co：5-7％，W：6-10％，Mo：3.8-5.0％；所述高能密度激光是指从CO2激光器发射的功率为1600-2200W的激光，激光光斑尺寸为Φ3.5-5mm。

2.根据权利要求1所述的缸套内壁激光合金化工艺，其特征在于：所述喷涂层的厚度为30-150μm。

3.根据权利要求1所述的缸套内壁激光合金化工艺，其特征在于：所述合金化带呈沿活塞行程方向前密后疏的螺旋条纹状。