專利名稱：柴油機缸套外壁的激光熱處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬熱處理中的激光表面熱處理工藝。
缸套是柴油機中的重要部件，同時也是最容易磨損和被腐蝕的部件。特別是在高、中速柴油機中，由于缸套外壁因穴蝕而造成缸套的過早的報廢，幾乎普遍而又嚴(yán)重地存在于各類動力機械中，經(jīng)濟(jì)損失極大。
長期以來，人們都在探索一種新工藝或技術(shù)來提高缸套的抗穴蝕性能，以達(dá)到提高柴油機缸套使用壽命的目的。
參見周?？怠安裼蜋C缸套穴蝕的初步研究，”內(nèi)燃機工程，第1期，1980，P27。
對高、中速柴油機缸套及其他類似動力機械，為水輪機葉片，水泵等的穴蝕現(xiàn)象的機理，眾說紛云。特別對柴油機缸套的穴蝕現(xiàn)象，目目前國內(nèi)外也持有各種觀點。但綜合起來，大多數(shù)的傾向性意見不外乎可歸納出如下二方面(1)柴油機中活塞運動方向轉(zhuǎn)換時撞擊缸套壁，產(chǎn)生高頻振動，引起缸套外壁的冷卻水形成氣泡，繼而這種振動又使氣泡受到強大的沖擊壓力波(這種壓力可達(dá)幾千kgf/cm2)，與此同時，受到高壓的氣泡又對缸套外壁產(chǎn)生高壓沖擊，氣泡的崩裂壓力會使缸套外壁形成許多孔穴(針孔穴)，一旦小孔形成后，后繼的氣泡的崩裂壓力又會使這類孔穴加深和加大，最后導(dǎo)致缸套外壁某些部位穿孔，最終使缸套過早報廢。
(2)另外的一種原因是在柴油機缸套外壁的水冷卻系統(tǒng)中，由于缸套浸泡在循環(huán)冷卻水中，而導(dǎo)致缸套外壁生銹，這種電化學(xué)的腐蝕即水銹，對缸套材料的穴蝕起到推波助浪的作用。
基于上述對柴油機缸套穴蝕機理的探討，人們采取了多種途經(jīng)企圖來克服缸套的穴蝕的產(chǎn)生及提高缸套的抗穴蝕能力。其主要歸納如下(1)缸套本身選用耐蝕材料，如選用高磷鑄鐵，加硼鑄鐵或38CrMoAl等。
(2)改善柴油機的結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計，例如改變進(jìn)水口位置，盡可能減少機體的橫向尺寸，使缸套外壁至機體內(nèi)壁間的寬度盡可能壓縮等。
(3)在柴油機缸套的水冷卻系統(tǒng)中加添加劑，緩蝕劑之類。
(4)采用常規(guī)熱處理(例如對缸套進(jìn)行氮化處理)。
以上諸種方法均不能有效地減輕和克服缸套的穴蝕現(xiàn)象。例如一些廠家采用高磷鑄鐵，加硼鑄鐵或38CrMoAl等材料，但缸套的穴蝕仍非常嚴(yán)重。
對于改進(jìn)柴油機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，各種機型不同，結(jié)構(gòu)設(shè)計不同，并且也不能有效地減輕和克服缸套的穴蝕問題。在缸套外壁的水冷卻中加入緩蝕劑之類，目前緩蝕劑配方甚多，這類方法對減輕缸套外壁和其它部位的水銹雖有一定作用，在一定程度上也提高了一些缸套的抗穴蝕能力，但實踐證明，任何一種緩蝕劑的加入都不能較大幅度地減輕缸套的穴蝕現(xiàn)象和提高缸套的抗穴蝕性能。
各類機件上的穴蝕現(xiàn)象廣泛而又普遍地存在于各類動力機械中，除了柴油機缸套外壁外，還有諸如柴油機預(yù)燃室，水泵，水輪發(fā)電機葉片，船舶上的螺旋漿等。
文獻(xiàn)C·M·Preece，Wear，67(1981)，P321·PrintedintheNetherland作者只研究了1040鋼及303不銹鋼二種材料試片的激光處理。在研究激光處理1040鋼時，使用的激光功率僅300瓦，光斑尺寸為15mm，得到的激光處理的深度非常淺(僅只10μm)，且表面激光處理層的組織不均勻，抗蝕效果并不顯著。在研究激光處理303不銹鋼材料試片時，經(jīng)激光處理的試片與未經(jīng)激光處理的試片在抗蝕阻抗上比較時，幾乎沒有什么提高。此外，文獻(xiàn)中并未涉及到任何其他材料的激光處理和任何一種實際使用中的動力機械件的激光處理研究。
本發(fā)明的目的是針對以上柴油機缸套外壁存在的嚴(yán)重的穴蝕問題，我們采用激光新技術(shù)對柴油機缸套外壁進(jìn)行激光熱處理，旨在提高其抗穴蝕性能，達(dá)到大幅度地提高缸套使用壽命的目的。
利用激光加熱材料表面，可使材料表面溫度達(dá)到相變點和熔點以及激光具有加熱速度快，冷卻速度高(可達(dá)到10-104℃/秒的冷卻速率)的特點，因而可實現(xiàn)金屬表面的相變硬化，激光表面涂覆和激光表面合金化。
采用激光處理柴油機缸套外壁，改變缸套外壁表面材料的組織結(jié)構(gòu)，化學(xué)成份。提高缸套外壁材料的表面硬度和抗疲勞強度等。
本發(fā)明的主要點是1.激光處理前預(yù)先將柴油機缸套黑化，并加工到熱處理所需要的尺寸。
2.將需要處理的柴油機缸套裝在既能沿X水平方向作直線運動，又能使缸套本身沿其孔中心軸線旋轉(zhuǎn)的工作臺上，激光束可直接照射到缸套外壁上。或者將缸套固定在另一種類型工作臺上，此工作臺可使缸套沿其孔中心軸線旋轉(zhuǎn)并能作上下直線運動，而相應(yīng)的激光導(dǎo)光系統(tǒng)可將激光束引入到旋轉(zhuǎn)的缸套的外壁上，實現(xiàn)對缸套外壁的激光處理。
3.在激光處理缸套之前，還要對光束進(jìn)行處理，使之得到適合缸套外壁的激光熱處理的光束質(zhì)量。
4.用高功率CO2激光對柴油機缸套外壁進(jìn)行掃描處理，其工藝參數(shù)規(guī)范如下激光功率1-5KW;工作臺掃描時間在3-95mm/秒范圍;光斑尺寸少于12mm;激光光束掃描帶重疊寬度少于3mm。
5.對柴油機缸套材料為高磷鑄鐵的試片進(jìn)行激光熱處理，得到材料表面的顯微硬度Hv達(dá)800左右，試片的抗穴蝕效果提高1-2倍以上。經(jīng)快速穴蝕試驗證明，原來經(jīng)激光處理的穴蝕失重每2小時在120mg左右，而經(jīng)激光處理后的試片的穴蝕失重每2小時在30-60mg左右。
6.對激光處理后的柴油機缸套外壁進(jìn)行組織性能檢測，得到缸套外壁材料表面的組織均勻，晶粒細(xì)化，顯微硬度比原基體材料提高2-3倍左右。
7.對激光處理后的柴油機缸套進(jìn)行某些必要的后序加工，以保證柴油機缸套的正常運行。
8.本發(fā)明也適合柴油機預(yù)燃室、水輪機葉片和水泵的處理。
本發(fā)明的優(yōu)點是激光處理柴油機缸套外壁新工藝與缸套常規(guī)熱處理(例如氮化處理)相比是缸套氮化處理周期長，工藝復(fù)雜，有污染和成本高。而采用激光處理缸套外壁，能得到比氮化處理更高的缸套表面硬度，缸套外壁表面組織更均勻，晶粒更細(xì)，并且能改變材料成份等。用激光處理缸套外壁還可進(jìn)行局部熱處理，即可對缸套穴蝕嚴(yán)重的部位進(jìn)行有選擇區(qū)域的激光熱處理。在進(jìn)行這類激光熱處理工藝時，方法簡單，操作方便，容易控制，熱處理的周期短，效率高，成本低。此外激光熱處理缸套時，不需任何其它介質(zhì)，環(huán)境干凈清潔，無有害氣體污染等。激光熱處理缸套外壁與改進(jìn)柴油機結(jié)構(gòu)設(shè)計和在冷卻液中加緩蝕劑之類的方法比較是后面二種方法均不能有效地減輕缸套外壁的穴蝕現(xiàn)象，大幅度地提高缸套外壁的抗穴蝕能力。用激光處理柴油機缸套外壁則能改變其材料的組織結(jié)構(gòu)，改變材料的成份，可大大地提高缸套材料表面的硬度和抗疲勞強度。因而達(dá)到了柴油機運行時間在超過常規(guī)正常工作時間的情況下，激光處理的缸套外壁并沒有任何銹斑和污穢。且能大幅度地提高柴油機缸套外壁的抗穴蝕性能，大大地延長了缸套的使用壽命。通常采用此項發(fā)明，可使缸套壽命延長一倍以上。例如用激光處理后的高磷鑄鐵缸套和硼鑄鐵缸套，其使用壽命可大于2000-3000小時以上。
權(quán)利要求
1.一種用于柴油機缸套外壁激光熱處理方法，其特征在于，激光處理前，預(yù)先將柴油機缸套黑化，并加工到激光處理所需要的尺寸，然后將柴油機缸套裝在既能沿X(水平)方向作直線運動，又能使缸套本身沿孔中心軸線旋轉(zhuǎn)的工作臺上，激光束直接照射到缸套外壁上，也可以將缸套固定在另一種類型工作臺上，該工作臺使缸套沿孔中心軸軸線旋轉(zhuǎn)，并能上、下作直線運動，激光束通過導(dǎo)光系統(tǒng)引入到旋轉(zhuǎn)的缸套外壁上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在激光處理缸套前，預(yù)先對光束進(jìn)行處理，使之得到適合缸套外壁的激光熱處理的光束質(zhì)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，激光功率為1至5KW，工作臺掃描速度是3-95mm/秒，光斑尺寸小于12mm，激光光束重疊寬度小于3mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，經(jīng)過激光熱處理后的缸套，應(yīng)進(jìn)行珩磨等加工。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法也適用于柴油機預(yù)燃室，水輪機葉片和水泵的處理。
全文摘要
一種用于柴油機缸套外壁激光熱處理方法采用大功率CO
文檔編號F02B3/06GK1034225SQ8710549
公開日1989年7月26日 申請日期1987年11月9日 優(yōu)先權(quán)日1987年11月9日
發(fā)明者鄭啟光, 李再光, 楊楊, 胡偉光, 陳明耀, 田鴻業(yè), 王茂梁, 李家镕, 王漢生 申請人:華中工學(xué)院, 中國人民解放軍38609部隊青島研究室海軍4808廠