《活塞環加工新工藝》是江蘇儀征威龍活塞環有限公司和清華大學於2004年12月23日申請的專利，該專利的申請號為2004100658563，公布號為CN1632297，授權公布日為2005年6月29日，發明人是劉文今、朱有慧、馬明星、孫康和、鐘敏霖、張偉明、張錦英。
《活塞環加工新工藝》包括以下工藝步驟：鑄造→磨削→熱處理→磨削→金加工→雷射強化處理→熱定型→金加工。由於這種活塞環的表面層是用雷射合金化或雷射熔覆處理，並通過高能雷射束快速熔化，使活塞環外表面一定深度的基體快速熔化後凝固形成特定的陶瓷顆粒增強複合塗層。塗層與活塞環本體是冶金結構，在外力作用下不會發生脫落或剝離。
2009年，《活塞環加工新工藝》獲得第六屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
基本介紹
- 中文名：活塞環加工新工藝
- 公布號：CN1632297
- 公布日：2005年6月29日
- 申請號：2004100658563
- 申請日：2004年12月23日
- 申請人：江蘇儀征威龍活塞環有限公司、清華大學
- 地址：江蘇省儀征市北郊
- 發明人：劉文今、朱有慧、馬明星、孫康和、鐘敏霖、張偉明、張錦英
- 分類號：F02F5/00、F16J9/26
- 代理機構：揚州市錦江專利事務所
- 代理人：江平
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
活塞環的表面改性技術2004年12月前主要有鍍鉻、等離子噴鉬套用於大批量生產。此外，中國國內外對活塞環表面採用氣體氮化、真空等離子噴塗、鍍TiN以及其它物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）等方法製備耐磨塗層均有研究報導，並進行了一些小批量生產和裝車試驗，但它們的共同總是是裝備和工藝複雜、技術穩定性差、產品檢測困難，從而批量生產質量很難控制，這些方法製備的塗層很薄（2-10微米），對改善活塞環早期磨損有良好作用，但對於提高活塞環整體壽命和改善配副性沒有明顯的效果，表面塗層與活塞環基體金屬不能形成治金結合也是一個共同的不足之處。
鍍鉻：是套用最廣泛的技術。鍍鉻環硬度高（可達HV0.2750～850），熱膨脹係數小於鋼和鑄鐵，摩擦係數低於噴鉬環，耐蝕性好，但貯油性不佳，抗粘著磨損能力差。為改善此不足，中國國外發展了多孔型鍍鉻工藝。鍍鉻工藝的最大不足是鍍層與基材不能形成冶金結合，電鍍過程會產生有毒廢物，環境污染大。此外，鍍鉻環的耐磨性隨鍍鉻層厚度的增加而提高，但鍍層過厚時，不僅電鍍技術上產生困難，且鍍層結合力變壞，易產生裂痕、剝離等質量問題。
等離子噴鉬：噴鉬環從196年才開始作為高負荷發動機的活塞環使用，其主要優點是噴鉬層具有多孔性質，其孔隙率可達10-25％，因此貯油性良好，抗粘著磨損能力強。近年來由於發動機技術進步，隨著比功率和轉速的提高，發動機負荷不斷增加，因拉缸而產生的問題有增加的傾向，噴鉬環的使用範圍迅速擴大。噴鉬環的主要不足是噴鉬層內部存在孔隙以及噴鉬層與基材間不能形成冶金結合，因此它的失效主要是塗層的碎裂和剝落，噴鉬層硬度只能達到HV0.2600～850左右，其抗磨粒磨損能力較差，此外，等離子噴鉬技術要求很高，2004年12月前國際上只有德、日、美等技術先進國家具有很強的技術優勢並大批量生產優質噴鉬環。我國活塞環生產企業2004年12月前主要採用進口設備及進口原料，但產品質量與進口噴鉬環尚有明顯差距。等離子噴塗工作環境較差，操作人員工作條件惡劣。
其它表面改性技術：2004年12月前中國國內外對活塞環表面採用氣體氮化、真空等離子噴塗、鍍TiN以及其它物理氣相沉積（PVD）、化學氣象沉積（CVD）等方法均有報導，並且進行了一些小批量生產和裝車試驗。但它們的共同特點是裝備和工藝複雜、技術穩定性難控制、塗層很薄（2～10微米）。此類塗層對於改善活塞環早期磨損有良好，但對於提高活塞環整體壽命及改善配副性沒有很明顯的效果。
陶瓷化活塞環：二十世紀八十年代以後，陶瓷技術套用於活塞環的研究迅速興起，由於陶瓷的增韌技術尚不成熟，成本高、可靠性不夠穩定，整體陶瓷活塞環的研究進展已明顯放緩。與此同時，把陶瓷相作為添加物，採用複合電鍍或複合電漿噴塗甚至直接以陶瓷粉噴塗，在活塞環表面形成高耐磨表層的研究開發成為2004年12月前國際上最新的技術發展方向，各國在技術上競爭激烈並且對技術細節高度保密。陶瓷相以彌散顆粒分布在合金塗層中，可以顯著改善活塞環的摩擦磨損特性。此類新型活塞環在技術上具有明顯的競爭優勢。但其價格遠高於鍍鉻環和噴鉬環，並且塗層與基材之間的結合力低仍然是其套用中的一個主要障礙。
發明內容
專利目的
《活塞環加工新工藝》目的在於發明一種易於工業化生產、產品技術穩定性好的活塞環加工新工藝。
技術方案
《活塞環加工新工藝》包括以下工藝步驟：鑄造→磨削→熱處理→磨削→金加工→雷射強化處理→熱定型→金加工。
上述雷射強化處理包括噴塗合金化塗料和雷射掃描。
該發明的噴塗合金化塗料的塗層厚度為0.2毫米～0.4毫米。
該發明的雷射掃描時的功率密度為10～10瓦/平方厘米，將聚焦的雷射束沿圓周掃描。
上述合金的塗料中含有碳、矽、硼、稀土、鉬、鎢、鈦、鈷、鎳：各元素的質量百分比（wt％）為碳15％～25％、矽8％～28％、硼3％～10％、稀土2.5％～7.5％、鉬4％～9％、鎢10％～28％、鈦2％～10％、鈷4％～9％、鎳4％～9％。
改善效果
《活塞環加工新工藝》與2004年12月前已有鍍鉻、等離子噴塗、物理/化學氣相沉積等塗層技術不同，它是採用雷射合金化技術在鋼或鑄鐵活塞環外圓工作表面製備的陶瓷顆粒增強複合塗層的新型活塞環。在活塞環半成品外圓表面上預先噴塗或刷塗成份（質量百分比，wt％）為15％～25％碳（C）、8％～28％矽（Si）、3％～10％硼（B）、2.5～7.5％稀土（RE）、4％～9％鉬（Mo）、10％～28％鎢（W）、2％～10％鈦（Ti）、4％～9％鈷（Co）、4％～9％鎳（Ni）等合金化元素的雷射合金化塗料，用功率密度10～10瓦/平方厘米的聚焦雷射束沿圓周掃描，使活塞環外表面～定深度的基材快速熔化後凝固形成特定陶瓷顆粒增強複合塗層，然後再完成後續的最終精加工獲得成品。根據活塞環的規格尺寸和工作條件差異，通過雷射束掃描速度的改變，雷射製備的成品活塞環顆粒陶瓷增強複合塗層厚度可以控制在0.08～0.60毫米，塗層表面維氏硬度HV850～1200。在金相顯微鏡下觀察，塗層的典型組織為細小的FeCSiB亞共晶介穩組織，可有共晶和過共晶介穩組織共存，即其顯微組織由細小彌散的滲碳體和奧氏體組成。金相顯微鏡高倍下觀察，可看到奧氏體發生了馬氏體相變，還可觀察到在上述組織中存在大量尺寸為1～3微米左右的硬質顆粒，其密度達到10個/平方毫米數量級。由於這種活塞環的表面層是用雷射合金化或雷射熔覆處理，並通過高能雷射束快速熔化，使活塞環外表面一定深度的基體快速熔化後凝固形成特定的陶瓷顆粒增強複合塗層。塗層與活塞環本體是冶金結構，在外力作用下不會發生脫落或剝離。這是這種新型活塞環與鍍鉻、噴鉬、物理/化學氣相沉積塗層活塞環的根本區別。尺寸為微米級、彌散分布的高硬度增強顆粒及先共晶、共晶滲碳體作為摩擦副支撐骨架、細小的韌性的奧氏體急冷轉變相（馬氏體和殘餘奧氏體）有利於儲油並保持潤滑油膜連續性，這種結構顯著提高了活塞環的表面硬度並降低了摩擦係數，兼有很強的抗磨粒磨損和抗粘著磨損能力。摩擦磨損實驗和發動機台架試驗證明，這種活塞環在與不同材質氣缸套配副時都顯示出了優異的摩擦磨損特性：低摩擦係數和環、套雙方磨損量的顯著降低。
權利要求
1、《活塞環加工新工藝》特徵在於包括以下工藝步驟：鑄造→磨削→熱處理→磨削→金加工→雷射強化處理→熱定型→金加工。
2、根據權利要求1所述活塞環加工新工藝，其特徵在於雷射強化處理包括噴塗合金化塗料和雷射掃描。
3、根據權利要求2所述活塞環加工新工藝，其特徵在於噴塗合金化塗料的厚度為0.2毫米～0.4毫米。
4、根據權利要求2所述活塞環加工新工藝，其特徵在於雷射掃描時的功率密度為10～10瓦/平方厘米，將聚焦的雷射束沿圓周掃描。
6、根據權利要求5所述活塞環加工新工藝，其特徵在於在合金化塗料中各元素的質量百分比（wt％）為碳15％～25％、矽8％～28％、硼3％～10％、稀土2.5％～7.5％、鉬4％～9％、鎢10％～28％、鈦2％～10％、鈷4％～9％、鎳4％～9％。
實施方式
《活塞環加工新工藝》由以下工藝步驟加工活塞環：毛坯鑄造→磨削加工端面→熱處理→機械加工兩端面→仿形粗車外圓→噴塗合金化塗料→雷射掃描→熱處理→銑切口→粗鏜孔→粗修口→磨外圓→精鏜孔→精修口→磷化→上油。
合金化塗料中含（各元素的質量百分比wt％）為碳15％～25％、矽8％～28％、硼3％～10％、稀土2.5％～7.5％、鉬4％～9％、鎢10％～28％、鈦2％～10％、鈷4％～9％、鎳4％～9％。噴塗合金化塗料的塗層厚度為0.2毫米～0.4毫米。以雷射束沿圓周掃，描雷射掃描的功率密度為10～10瓦/平方厘米。
下表為雷射陶瓷顆粒增強複合塗層活塞環主要技術性能指標與中國國內外同類產品比較：
φ125 | / | 硬度（HV0.2） | 耐磨損性能 | 摩擦係數 |
中國國內 | 普通鍍鉻環 | 750〜850 | 抗磨粒磨損優，抗粘著磨損差 | 0.117〜0.133 |
噴鉬環 | 575〜800 | 抗磨粒磨損差，抗粘著磨損優 | 0.107〜0.121 | |
中國國外 | 德國格茨噴鉬環 | 813〜1144 | 性能優於國產環 | 0.140〜0.146 |
雷射陶瓷顆粒增強複合塗層活塞環 | 850〜1200 | 兼有優異的抗粘著磨損和抗磨粒磨損能力，耐磨性優於進口噴鉬環和鍍鉻環 | 0.070〜0.085 | |
此外，進入穩定摩擦磨損階段後，各種活塞環與氣缸套配副之間的摩擦係數會緩慢上升，直到摩擦副失效。而《活塞環加工新工藝》涉及的雷射陶瓷顆料增強複合塗層活塞環與氣缸套配副之間的摩擦係數在大多數情況下是緩慢下降，不僅顯著提高環套雙方的壽命，還顯著降低了發動機長時間工作消耗的摩擦功。因此，該發明所涉及的活塞環是一種對於不同材質氣缸套都具有優良配副性和耐磨性的新型活塞環。最後，由於這種新型活塞環的雷射表面合金化層具有優異的耐腐蝕性能，成品活塞環經磷化處理化，工作表面（柱面或桶形面）呈顏色深淺不一的帶狀：中間淺色寬頻是雷射強化帶，兩側深灰色窄帶為正常磷化層。這是該發明專利所涉及的活塞環在外觀上與2004年12月前已有各種表面處理獲得的活塞環具有典型差別的特徵，也是一種很難仿製的天然防偽標記。
榮譽表彰
2009年，《活塞環加工新工藝》獲得第六屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
