一种基于表面强化的凸轮-挺柱副的制备方法

摘要

本发明公开了一种基于表面强化的凸轮‑挺柱副的制备方法，包括对钢铁基体表面进行去油和除锈处理，获得凸轮基体和挺柱基体，利用脉冲激光在凸轮基体和挺柱基体表面指定位置辐照，制成表面有非连续分布增强相小孔的摩擦副，将铁基自熔性粉末在保护气气流作用下送入凸轮基体和挺柱基体表面的小孔内，然后对小孔内粉末及小孔周围基体进行激光烧结，制备出表面分布有非连续硬质马氏体+碳化物复合棒的凸轮预制体和挺柱预制体；将凸轮预制体和挺柱预制体置于石灰中缓冷后，在凸轮预制体和挺柱预制体表面进行二次脉冲激光打孔，用作润滑孔，然后对凸轮预制体和挺柱预制体进行细加工，即制得非连续分布硬质马氏体+碳化物复合棒的凸轮‑挺柱副。

权利要求

1.一种基于表面强化的凸轮‑挺柱副的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对钢铁基体表面进行去油和除锈处理，然后按照凸轮和挺柱标准尺寸对钢铁基体进行锻压和机械加工，获得凸轮基体和挺柱基体；

步骤2，利用脉冲激光在凸轮基体和挺柱基体表面指定位置辐照，使被辐照位置的钢铁基体汽化，形成小孔，制成表面有非连续分布增强相小孔的摩擦副；

步骤3，激光熔覆，将铁基自熔性粉末和碳化物在保护气气流作用下通过送粉管道送达送粉喷嘴，经喷嘴送入凸轮基体和挺柱基体表面的小孔内，然后对小孔内粉末及小孔周围基体进行激光烧结，制备出表面非连续分布有硬质马氏体+碳化物复合棒的凸轮预制体和挺柱预制体；

步骤4，将凸轮预制体和挺柱预制体置于石灰中缓冷80min‑100min，取出空冷至室温，在凸轮预制体和挺柱预制体表面进行二次脉冲激光打孔，打的孔位于硬质马氏体+碳化物复合棒周围，用作润滑孔，然后对凸轮预制体和挺柱预制体进行细加工，打磨、抛光和倒角处理，即制得非连续分布硬质马氏体+碳化物复合棒的凸轮‑挺柱副；

所述步骤2中，利用脉冲激光在凸轮基体和挺柱基体表面指定位置辐照，使被辐照位置的钢铁基体汽化，形成小孔，凸轮基体表面小孔的直径为0.8mm～1.0mm，孔深为0.3mm～

3mm，相邻小孔的间距为0.1mm～0.2mm；

所述步骤2中，挺柱基体表面小孔的直径为0.6mm～0.8mm，孔深为0.3mm～3mm，相邻小孔的间距为0.1mm～0.2mm；

所述步骤3中的铁基自熔性粉末为Fe45、Fe55或Fe65粉末；

所述Fe45粉末，按照质量百分比，包括0.5‑0.6％C、3‑4％Si、3‑4％B、12‑14％Cr和16‑

18％Ni，余量为Fe；

所述Fe55粉末，按照质量百分比，包括0.1‑0.3％C、2.5‑3.5％Si、1.2‑1.8％B、1‑8％Cr和20‑35％Ni，余量为Fe；

所述Fe65粉末，按照质量百分比，包括4‑5％C、1‑2％Si、1‑2％B、40‑50％Cr和8‑12％Ni，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种基于表面强化的凸轮‑挺柱副的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，采用加热法对钢铁基体表面进行去油处理，将钢铁基体表面加热到300～450℃，保温0.5‑2h，去除油渍。

3.根据权利要求1所述的一种基于表面强化的凸轮‑挺柱副的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，在将铁基自熔性粉末送入凸轮基体和挺柱基体表面的小孔内前，先对凸轮基体和挺柱基体进行预热处理，预热处理温度为200‑300℃。

4.根据权利要求1所述的一种基于表面强化的凸轮‑挺柱副的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，对小孔内粉末及小孔周围基体进行激光烧结，激光烧结过程中，激光器功率为2～3kW，离焦量为35～45mm。

说明书

一种基于表面强化的凸轮‑挺柱副的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于摩擦材料技术领域，涉及一种基于表面强化的凸轮‑ 挺柱副的制备方法。

背景技术

[0002] 凸轮‑挺柱副是配气机构一对重要而且十分敏感的摩擦副，其发生磨损会影响整个发动机的正常工作。随着现代内燃机向高速和重载方向发展，配气机构的磨损问题越来越严重。凸轮挺柱的磨损不仅影响配气机构换气性能，而且会增加噪音，最终影响整个发动机的寿命。一般认为凸轮和挺柱之间是以滑动为主的点线接触摩擦副，凸轮挺柱摩擦副表面接触应力一般很大，凸轮与挺柱的工作环境通常在十分恶劣，比如温度高，速度快和变压力等。凸轮和挺柱表面容易剧烈摩擦和磨损，进而影响整个配气机构的工作精度。有学者利用激光熔覆表面修复工程来改善凸轮与挺柱之间摩擦副的耐磨性，选择专用激光熔覆合金粉末，通过熔覆层成分设计，能够制备出耐热、耐磨、抗疲劳的表面熔覆层。另外还有学者对其进行渗碳或者淬火工艺，提高其表面硬度来增强摩擦副之间的耐磨性。

[0003] 综上所述，从现有的技术来看，可以通过激光熔覆技术去修复已经磨损的摩擦副，通过渗碳或者热处理工艺去提高其耐磨性。但是，目前对于凸轮和挺柱之间摩擦副的耐磨性还存在以下问题亟待解决：激光熔覆层都是些高脆相，会出现开裂、脱落等问题，存在安全隐患；通过渗碳和淬火的方式提高其硬度来增强耐磨性工序繁琐，会导致工件出现内应力过大的问题，不能完全避免安全隐患。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种基于表面强化的凸轮‑挺柱副的制备方法，解决了现有方法制备的凸轮‑挺柱副表面都是高脆相，会出现开裂和脱落，存在安全隐患的问题。

[0005] 本发明所采用的技术方案是，一种基于表面强化的凸轮‑挺柱副的制备方法，包括以下步骤：

[0006] 步骤1，对钢铁基体表面进行去油和除锈处理，然后按照凸轮和挺柱标准尺寸对钢铁基体进行锻压和机械加工，获得凸轮基体和挺柱基体；

[0007] 步骤2，利用脉冲激光在凸轮基体和挺柱基体表面指定位置辐照，使被辐照位置的钢铁基体汽化，形成小孔，制成表面有非连续分布增强相小孔的摩擦副；

[0008] 步骤3，激光熔覆，将铁基自熔性粉末在保护气气流作用下通过送粉管道送达送粉喷嘴，经喷嘴送入凸轮基体和挺柱基体表面的小孔内，然后对小孔内粉末及小孔周围基体进行激光烧结，制备出表面分布有非连续硬质马氏体+碳化物复合棒的凸轮预制体和挺柱预制体；

[0009] 步骤4，将凸轮预制体和挺柱预制体置于石灰中缓冷80min ‑100min，取出空冷至室温，在凸轮预制体和挺柱预制体表面进行二次脉冲激光打孔，打的孔位于硬质马氏体+碳化物复合棒周围，用作润滑孔，然后对凸轮预制体和挺柱预制体进行细加工，打磨、抛光和倒角处理，即制得非连续分布硬质马氏体+碳化物复合棒的凸轮‑挺柱副。

[0010] 步骤1中，采用加热法对钢铁基体表面进行去油处理，将钢铁基体表面加热到300～450℃，保温0.5‑2h，去除油渍。

[0011] 步骤2中，利用脉冲激光在凸轮基体和挺柱基体表面指定位置辐照，使被辐照位置的钢铁基体汽化，形成小孔，凸轮基体表面小孔的直径为0.8mm～1.0mm，孔深为0.3mm～3mm，相邻小孔的间距为 0.1mm～0.2mm。

[0012] 步骤2中，挺柱基体表面小孔的直径为0.6mm～0.8mm，孔深为 0.3mm～3mm，相邻小孔的间距为0.1mm～0.2mm。

[0013] 铁基自熔性粉末为Fe45、Fe55或Fe65粉末。

[0014] Fe45粉末，按照质量百分比，包括0.5‑0.6％C、3‑4％Si、3‑4％B、 12‑14％Cr和16‑18％Ni，余量为Fe。

[0015] Fe55粉末，按照质量百分比，包括0.1‑0.3％C、2.5‑3.5％Si、 1.2‑1.8％B、1‑8％Cr和20‑35％Ni，余量为Fe。

[0016] Fe65粉末，按照质量百分比，包括4‑5％C、1‑2％Si、1‑2％B、 40‑50％Cr和8‑12％Ni，余量为Fe。

[0017] 步骤3中，在将铁基自熔性粉末送入凸轮基体和挺柱基体表面的小孔内前，先对凸轮基体和挺柱基体进行预热处理，预热处理温度为 200‑300℃。

[0018] 步骤3中，对小孔内粉末及小孔周围基体进行激光烧结，激光烧结过程中，激光器功率为2～3kW，离焦量为35～45mm、送粉量为 7～7.8g/min。

[0019] 本发明的有益效果是：

[0020] (1)通过在凸轮‑挺柱副的钢铁基体表面激光打孔，然后在孔中填充铁基自熔性粉末进行激光熔覆，只对小孔内粉末及小孔周围基体进行激光烧结，防止形成大面积连续熔覆层，从而可有效避免铁基自熔性粉末熔覆层开裂、氧化、产生气孔；

[0021] (2)铁基自熔性粉末与钢铁基体在激光熔覆过程中可灵活引入碳化物，在钢铁基体表面形成硬质马氏体+碳化物复合棒，达到马氏体+碳化物双增强的效果；

[0022] (3)铁基自熔性粉末与钢铁基体熔覆时相容性强，实现了硬质马氏体+碳化物复合棒与凸轮、挺柱的冶金结合，钢铁基体表面非连续分布的硬质马氏体+碳化物复合棒与钢铁基体实现了更好的强韧性配合，克服了大面积连续马氏体+碳化物熔覆层高硬度、高耐磨性而低韧性的缺点；

[0023] (4)在凸轮预制体和挺柱预制体表面进行二次脉冲激光打孔，用作润滑孔，该润滑孔能起到收集磨屑和储存多余润滑油的双重作用。

具体实施方式

[0024] 下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0025] 实施例1

[0026] 一种基于表面强化的凸轮‑挺柱副的制备方法，包括以下步骤：

[0027] 步骤1，以45钢作为钢铁基体，对钢铁基体表面进行去油和除锈处理，采用加热法对钢铁基体表面进行去油处理，将钢铁基体表面加热到300℃，保温1h，去除油渍；然后对钢铁基体表面进行打磨，去除锈迹；再按照凸轮和挺柱JB/T 6728.1‑2008标准尺寸对钢铁基体进行锻压和机械加工，获得凸轮基体和挺柱基体；

[0028] 步骤2，利用脉冲激光在凸轮基体和挺柱基体表面指定位置辐照，使被辐照位置的钢铁基体汽化，形成小孔，制成表面有非连续分布增强相小孔的摩擦副；挺柱基体表面小孔的直径为0.6mm，孔深为 0.5mm，相邻小孔的间距为0.1mm；凸轮基体表面小孔的直径为 0.8mm，孔深为1mm，相邻小孔的间距为0.2mm；

[0029] 步骤3，激光熔覆，对凸轮基体和挺柱基体进行预热处理，预热处理温度为220℃，保温时间为1h，再将铁基自熔性粉末在保护气气流作用下通过送粉管道送达送粉喷嘴，经喷嘴送入凸轮基体和挺柱基体表面的小孔内，然后对小孔内粉末及小孔周围基体进行激光烧结，激光烧结过程中，激光器功率为2.5kW，离焦量为35mm、送粉量为 7g/min，烧结后制备出表面分布有非连续硬质马氏体+碳化物复合棒的凸轮预制体和挺柱预制体；

[0030] 所述铁基自熔性粉末为Fe45粉末，Fe45粉末，按照质量百分比，包括0.6％C、3％Si、3％B、14％Cr和16％Ni，余量为Fe。

[0031] 铁基自熔性粉末与钢铁基体在激光熔覆过程中可灵活引入碳化物，达到马氏体+碳化物双增强的效果。而且，铁基自熔性粉末与钢铁基体熔覆时相容性强，实现了硬质马氏体+碳化物复合棒与凸轮、挺柱的冶金结合，非连续分布的硬质马氏体+碳化物复合棒与钢铁基体实现了更好的强韧性配合，克服了大面积连续马氏体+碳化物熔覆层高硬度、高耐磨性而低韧性的缺点。

[0032] 只对小孔内粉末及小孔周围基体进行激光烧结，防止形成大面积连续熔覆层，从而可有效避免铁基自熔性粉末熔覆层开裂、氧化、产生气孔。

[0033] 步骤4，将凸轮预制体和挺柱预制体置于石灰中缓冷90min，取出空冷至室温，在凸轮预制体和挺柱预制体表面进行二次脉冲激光打孔，打的孔位于硬质马氏体+碳化物复合棒周围，用作润滑孔，润滑孔的直径为0.05mm、间距为0.1mm、深度为0.5mm，该润滑孔能起到收集磨屑和储存多余润滑油的双重作用；然后对凸轮预制体和挺柱预制体进行细加工，打磨、抛光和倒角处理，即制得非连续分布硬质马氏体+碳化物复合棒的凸轮‑挺柱副。

[0034] 对实施例1制得的凸轮‑挺柱副进行检测，凸轮表面的硬质马氏体+碳化物复合棒的表面占比为67％，挺柱副表面的硬质马氏体+碳化物复合棒的表面占比为62％，凸轮硬度可以达到HRC59，挺柱硬度可以达到HRC56，满足使用要求，其理论使用寿命比传统凸轮‑挺柱副提高了5％，工艺出品率高达98.9％。

[0035] 实施例2

[0036] 一种基于表面强化的凸轮‑挺柱副的制备方法，包括以下步骤：

[0037] 步骤1，以45钢作为钢铁基体，对钢铁基体表面进行去油和除锈处理，采用加热法对钢铁基体表面进行去油处理，将钢铁基体表面加热到350℃，保温2h，去除油渍；然后对钢铁基体表面进行打磨，去除锈迹；再按照凸轮和挺柱JB/T 6728.1‑2008标准尺寸对钢铁基体进行锻压和机械加工，获得凸轮基体和挺柱基体；

[0038] 步骤2，利用脉冲激光在凸轮基体和挺柱基体表面指定位置辐照，使被辐照位置的钢铁基体汽化，形成小孔，制成表面有非连续分布增强相小孔的摩擦副；挺柱基体表面小孔的直径为0.7mm，孔深为 0.3mm，相邻小孔的间距为0.15mm；凸轮基体表面小孔的直径为 0.9mm，孔深为0.5mm，相邻小孔的间距为0.15mm；

[0039] 步骤3，激光熔覆，对凸轮基体和挺柱基体进行预热处理，预热处理温度为250℃，保温时间为1.5h，再将铁基自熔性粉末在保护气气流作用下通过送粉管道送达送粉喷嘴，经喷嘴送入凸轮基体和挺柱基体表面的小孔内，然后对小孔内粉末及小孔周围基体进行激光烧结，激光烧结过程中，激光器功率为2kW，离焦量为40mm、送粉量为 7.5g/min，烧结后制备出表面分布有非连续硬质马氏体+碳化物复合棒的凸轮预制体和挺柱预制体；

[0040] 铁基自熔性粉末为Fe55粉末，按照质量百分比，包括0.2％C、 3％Si、1.5％B、6％Cr和25％Ni，余量为Fe。

[0041] 步骤4，将凸轮预制体和挺柱预制体置于石灰中缓冷80min，取出空冷至室温，在凸轮预制体和挺柱预制体表面进行二次脉冲激光打孔，打的孔位于硬质马氏体+碳化物复合棒周围，用作润滑孔，润滑孔的直径为0.05mm、间距为0.1mm、深度为0.5mm，该润滑孔能起到收集磨屑和储存多余润滑油的双重作用；然后对凸轮预制体和挺柱预制体进行细加工，打磨、抛光和倒角处理，即制得非连续分布硬质马氏体+碳化物复合棒的凸轮‑挺柱副。

[0042] 对实施例2制得的凸轮‑挺柱副进行检测，凸轮表面的硬质马氏体+碳化物复合棒的表面占比为63％，挺柱副表面的硬质马氏体+碳化物复合棒的表面占比为55％，凸轮硬度可以达到HRC53，挺柱硬度可以达到HRC53，满足使用要求，其理论使用寿命比传统凸轮‑挺柱副提高了3％，工艺出品率高达98.8％。

[0043] 实施例3

[0044] 一种基于表面强化的凸轮‑挺柱副的制备方法，包括以下步骤：

[0045] 步骤1，以45钢作为钢铁基体，对钢铁基体表面进行去油和除锈处理，采用加热法对钢铁基体表面进行去油处理，将钢铁基体表面加热到450℃，保温0.5h，去除油渍；然后对钢铁基体表面进行打磨，去除锈迹；再按照凸轮和挺柱JB/T 6728.1‑2008标准尺寸对钢铁基体进行锻压和机械加工，获得凸轮基体和挺柱基体；

[0046] 步骤2，利用脉冲激光在凸轮基体和挺柱基体表面指定位置辐照，使被辐照位置的钢铁基体汽化，形成小孔，制成表面有非连续分布增强相小孔的摩擦副；挺柱基体表面小孔的直径为0.8mm，孔深为3mm，相邻小孔的间距为0.2mm；凸轮基体表面小孔的直径为1.0mm，孔深为3mm，相邻小孔的间距为0.2mm；

[0047] 步骤3，激光熔覆，对凸轮基体和挺柱基体进行预热处理，预热处理温度为300℃，保温时间为1h，再将铁基自熔性粉末在氩气保护气气流作用下通过送粉管道送达送粉喷嘴，经喷嘴送入凸轮基体和挺柱基体表面的小孔内，然后对小孔内粉末及小孔周围基体进行激光烧结，激光烧结过程中，激光器功率为3kW，离焦量为45mm、送粉量为7.8g/min，烧结后制备出表面分布有非连续硬质马氏体+碳化物复合棒的凸轮预制体和挺柱预制体；

[0048] 铁基自熔性粉末为Fe65粉末，按照质量百分比，包括4.5％C、 1.5％Si、2％B、45％Cr和10％Ni，余量为Fe。

[0049] 步骤4，将凸轮预制体和挺柱预制体置于石灰中缓冷100min，取出空冷至室温，在凸轮预制体和挺柱预制体表面进行二次脉冲激光打孔，打的孔位于硬质马氏体+碳化物复合棒周围，用作润滑孔，润滑孔的直径为0.05mm、间距为0.1mm、深度为0.5mm，该润滑孔能起到收集磨屑和储存多余润滑油的双重作用；然后对凸轮预制体和挺柱预制体进行细加工，打磨、抛光和倒角处理，即制得非连续分布硬质马氏体+碳化物复合棒的凸轮‑挺柱副。

[0050] 对实施例3制得的凸轮‑挺柱副进行检测，凸轮表面的硬质马氏体+碳化物复合棒的表面占比为75％，挺柱副表面的硬质马氏体+碳化物复合棒的表面占比为68％，凸轮硬度可以达到HRC62，挺柱硬度可以达到HRC61，满足使用要求，其理论使用寿命比传统凸轮‑挺柱副提高了6％，工艺出品率高达98.4％。