激光淬火提高柴油机缸套耐磨性的研究

陈玉琦

武警部队海警总队第六支队 山东青岛 266000

摘 要：近年来，激光表面处理技术不仅在研究和开发方面迅速发展，而且在工业应用方面也取得了很大的进步。柴油机缸套的激光淬火可以节省加工时间，简化工序流程，提高工作效率，能保证较高的经济效益，更为重要的是激光表面淬火可以提高缸套表面耐磨性，进而提高缸套的使用寿命，是高性能柴油发动机加工的一种趋势。本文介绍了激光淬火提高缸套表面耐磨性的方式方法，探讨激光处理如何延长缸套使用寿命，提高企业利润。

关键词：激光淬火，柴油机缸套，耐磨性，使用寿命

一、激光处理工艺及淬火方式的确定

一般将激光处理安排在半精珩磨之后，最后一道工序——精珩磨缸套内孔之前。为了保证激光吸收率大于70%，必须先对气缸套内孔表面进行黑化处理如磷化处理形成深黑色厚度均匀的 磷酸盐化合物，选择合理的激光参数及运动轨迹对处理的成功与否至关重要，下面就常见的方式进行分析；

（一）螺旋线形硬化

带用连续CO₂激光束在内壁上下移动缸套作回转运动，根据不同的材料及表面处理选择不同的激光参数及运动速度以获得最佳的效果，如原苏联交通部中央科学研究所对Д100型机车柴油机φ207mm铬镍铜气缸套进行激光处理选用800WCO₂激光束与缸套轴线成45°角配置宽2.2-3.3mm、间距10mm、硬化层深度0.5mm的硬化带其中表面熔化层厚度0.08~0.10mm。硬度 HV1100激光处理后缸套变形小于0.05mm仅需珩磨与磷化。

用配有数控系统的激光处理装置不仅能得到螺旋线形淬火轨迹还可得到交叉网纹形、等螺距、变螺距的激光淬火轨迹，淬火轨迹对初期磨合性能、机油消耗率及耐磨性能都有影响。轨迹与气缸套纵轴方向的夹角对气缸套—活塞环摩擦副有影响必须进行优化以获得磨损量最小的最佳夹角，激光处理长度一般为活塞环行程这既降低了激光器运行成本又减少了操作辅助时间提高了生产率，此外硬化面积与总面积的比率与寿命有一个最佳的关系。

这种方法的特点是相对运动简单对激光器的性能要求不高，缺点是激光处理面积大影响因素多需进行大量的优化试验，采用高阶模轴向横流CO₂激光处理时易产生局部熔化现象稳定性差。

（二）螺旋状圆弧槽硬化带

德国专利^[1]提出一种螺旋状圆弧槽淬火法,具体方法是先在缸壁上加工出半径R、深度t的圆弧沟槽然后对圆弧沟槽的底部激光淬火,最后用镗磨法将两圆弧槽的交界处磨成宽度为B的平面。例如，对于直径900mm的缸套可取R=150mm，t=0.04mm，B=1~2mm，激光硬化深度1mm。

此法优点是由于缸套硬化带之间有一段径向凸出的软质非硬化处，可使活塞环实现快速磨合。随着运转时间的延长非硬化处被磨损而形成含油沟槽，这时缸壁就由淬火带的耐磨骨架和含油沟槽组成能有效地提高耐磨性和抗擦伤性能。

（三）点状硬化

气缸套磨损最严重的区域是从第一道活塞环上死点上部位置开始到二道活塞环附近之间的区段，该区段紧靠发动机燃烧室不但温度高而且润滑不足再加上爆发压力使活塞环的背压升高，极易引起活塞环与缸套金属间的微观粘结和擦伤造成所谓的“段磨”，针对这一情况日本专利^[2]提出一种局部点状淬火法，设活塞环高度为B，淬火硬化带宽度为W以第一道活塞环上死点为基准，则淬火区至少分布在基准上方0.25B及下方的1B区域 内即W至少等于2.25B，在该区域内以φ0.5~φ3mm的激光光斑沿缸壁圆周方向实施点状淬火（淬火点呈复数列配置）。根据缸套材料等因素硬化总面积与该区段缸壁面积的比例可在20%~70%范围内变动。

该法优点是既能提高缸套上部最易磨损区的耐磨性和抗擦伤能力又不会在硬化区与非硬化区的过渡处产生阶梯形磨损，而且点状淬火方式有很大的灵活性可根据实际需要来调整硬化面积，缺点是对激光器的功能要求较高即激光器必须具备连续波与脉冲波相互转换的功能。

二、关键技术

（一）激光淬火轨迹

如上所述激光淬火轨迹对强化效果、生产率及 生产成本等影响很大，根据具体情况选择合适的处理方式。下面仅对常用的4种主要形式进行分析。在国外的研究早期由于激光器的发展所限采用螺旋线激光淬火轨迹但需要优化的参数多、单件加工成本高。据已公开的报道目前国内所有从事缸套激光淬火的研究机构及单位都是采用国产轴向横流激光器故障率高仅有连续波功能所以也只能采用螺旋线淬火轨迹常发生表面熔化现象。

（二）表面预处理

激光淬火前的表面预处理对硬化效果有着显著的影响一般要求表面涂层均匀、薄厚控制 适当、吸光率高且全部覆盖需硬化的区域，对于同一种材料的零件不同涂层的效果不同，对于同一种涂层材料不同金属材料的激光淬火效果也不同，涂层的吸光率直接影响激光淬火工艺参数如功率密度、扫描速度等。

表面预处理的方法很多如磷化法、氧化法、喷（刷）涂料法、镀膜法等，缸套处理常用磷化法及喷（刷）涂料法

（1）磷化法。磷化处理是很多机械零件加工的最后一道工序可作为激光处理前的表面预处理，磷化分高温磷化（90~98℃)、中温磷化(55~70)℃和室温磷化（约25℃），在激光处理过程中，因材料不同激光处理工艺不同三种磷化工艺的表面预处理层（磷化膜）对激光的吸收率各不相同，一般认为高中温磷化的效果更好些。缺点:工艺复杂设备投资大废水处理费用高（有污染）

（2）喷（刷）涂料法。涂料多种多样而且还在不断地开发出新配方和新品种，在众多的涂料中，有的配方简单，有的复杂，但都具有提高对激光吸收率的效果，大部分吸光率可达80%-98%以上完全满足激光淬火的要求^[3]。喷刷类涂料使用方法简单操作方便除可采用喷涂方法应用于较大规模生产外还可手工刷涂用于零星少量的临时加工与实验，且无需增加成套设备。

（三）激光参数优化

根据具体的条件，如气缸套尺寸、精度、材料、预处理方式、生产率、激光器等确定激光淬火轨迹，优化激光参数，建立一套完整的能供工程直接应用的数据库。

三、激光强化机理及效果分析

激光淬火也称激光相变硬化是利用激光将材料表面加热到相变点以上随着材料自身冷却奥氏体转变成马氏体从而使材料表面硬化，这一过程是在快速加热和快速冷却（达10⁴-10⁹℃/s)下完成的，马氏体晶粒十分细化，具有比常规淬火更高的缺陷密度，所得硬化层组织较细硬度高于常规淬火的硬度。同时残余奥氏体获得极高的位错密度可达10¹²条/cm2数量级。细小的组织、高度弥散分布的碳化物、高密度位错、晶格缺陷和在表层形成的残余压应力使得激光淬火组织具有比常规淬火更为优异的性能，从而改善了材料的耐磨性和抗疲劳性能。缸套材料不同提高耐磨性的机理也有所不同。硼铸铁经激光淬火后硬化带之间形成良好的贮油区，并将分散在硼铸铁微凹部的润滑油集中在该区，从而使得活塞环经充分润滑后通过硬化带时更能经受硬微粒的磨损即提高了耐磨性^[4]。

四、结论

1. 激光淬火能有效地提高气缸套的耐磨性延长缸套使用寿命1-2倍；

2. 对缸体直接进行激光淬火可使发动机寿命超过有硼缸套发动机的16%-20%，最长的提高3倍；

3. 激光淬火轨迹的选择及参数优化至关重要，优化的工艺规范不仅能有效地提高缸套的耐磨性而且能大幅降低活塞环的磨损量。

参考文献

[1] Klink.发动机气缸的激光珩磨,德国专利 DE3029215A1[P].

[2] 日本公开特许公报,昭53-137362[P].

[3] 关振中主编.激光加工工艺手册[M].北京:中国计量出版社1998.

[4] 李苏林.硼铸铁气缸套激光处理研究[J].车用发动机1989(3):29-32.

陈玉琦（1992.02.19）；性别：男，民族：汉，籍贯：吉林舒兰，学历：本科；现有职称：初级助理工程师；研究方向：船舶柴油机管理。