专利名称：激光合金化的铝合金引擎零组件及其制法的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种引擎零组件及其制法，特别是指一种适用于摩托车引擎的激光合金化的铝合金引擎零组件及其制法。
背景技术：
摩托车引擎作动时，汽缸、汽缸头等零组件必须承受燃油爆炸的高温与瞬间高压，以及活塞、进排气阀门…等零组件往复运动的接触磨耗，因此，引擎零组件必须具备散热快、耐高温、耐磨耗等特点。目前业界虽然大部份已采用散热快、硬度高的铝合金作为引擎零组件的基材，希望能藉此延长引擎使用寿命；但是，目前以铝合金为材料所制作的引擎零组件，例如汽缸、汽缸套、活塞…等，其耐磨耗性虽已有所改进，但仍然不敷当前对于引擎的耐磨耗性的需求。
参阅图1，以铝合金引擎零组件的一铝合金陶瓷汽缸1为例，目前业界为了提高其耐磨耗性，是在铝合金陶瓷汽缸1的一表面11向外镀覆一具有高硬度的耐磨耗层13，以提升铝合金陶瓷汽缸1本身的耐磨耗性。
上述耐磨耗层13是应用表面处理技术，以化学或电化学方法，将镍硅碳合金镀覆在铝合金陶瓷汽缸1的表面11向外形成，由于其具有良好的表面硬度，因此可以满足摩托车用铝合金引擎零组件所需的耐磨耗性的需求。
然而，此种在铝合金基材12向外镀覆耐磨耗层13的强化铝合金引擎零组件的方式，由于耐磨耗层13厚度一般在0.1mm以下，因此会产生耐磨耗层13剥离基材12的问题，而降低引擎的寿命。
所以，如何制造出具有较高的耐磨耗性，同时不会发生耐磨耗层13剥离基材12的问题的铝合金引擎零组件，以增加引擎寿命，是业者不断努力研究发展的目标。
发明内容因此，本发明的目的是提供一种激光合金化的铝合金引擎零组件及其制法，使铝合金引擎零组件具有连续路径分布的合金层，以提升摩托车用铝合金引擎零组件的耐磨耗性。
此外，本发明的另一目的是提供一种激光合金化的铝合金引擎零组件及其制法，使铝合金引擎零组件不会发生合金层剥离的现象，以使铝合金引擎零组件更加耐用。
于是，本发明提供一种激光合金化的铝合金引擎零组件，包含一铝合金材料为基材的该引擎零组件的本体；其特征在于该本体的一接触面分布有向接触面内部连续延伸的合金层，该合金层是以合金粉末与该基材合金化所形成。
所述激光合金化的铝合金引擎零组件，其特征在于该合金层深度为0.2至3.5mm，且呈连续路径分布。
该合金层可以是具有一预定成分的介金属化合物，该合金层可以是呈多数相间隔的线状分布。
该合金层也可以是呈纵横间隔的网状分布。
该合金层也可呈大区块连续面状分布。
本发明还提供一种激光合金化的铝合金引擎零组件的制法，其特征在于包括如下步骤(1)先将已成型的铝合金引擎零组件本体清洗，去除其接触面上的油脂及其他脏污；(2)将合金粉末均匀粘覆在接触面的预定区域内；(3)预热合金粉末与该本体，再以一定功率的激光同时作用于合金粉末与该本体，使自该接触面向内形成深度为0.2～3.5mm的硬化的合金层，该合金层具有一预定成分的介金属化合物；
(4)进行机械加工使该接触面平整。
在上述的步骤(1)之后可以适量的二氧化硅、乙醇、市售墨汁，及介面活性剂调制成粘结剂，并将其均匀涂覆于清洁后的该本体的接触面上；然后将合金粉末以自动洒粉器均匀洒覆于上述已涂覆有粘结剂的接触面的预定区域内。
该步骤(3)的预热温度为80℃～400℃，再以103至107W/cm2的功率的激光同时作用于合金粉末与涂覆有该粘结剂的本体，使该合金粉末与该铝合金基材形成合金化。
本发明的激光合金化的铝合金引擎零组件及其制法，使铝合金引擎零组件具有连续分布的合金层，可以提升摩托车用铝合金引擎零组件的耐磨耗性。
此外，本发明可使铝合金引擎零组件不会发生合金层剥离的现象，以使铝合金引擎零组件更加耐用。
本发明的前述以及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图所示的较佳实施例的详细说明中，将可更清楚明白。
图1是说明习知的一镀覆有耐磨耗层的铝合金陶瓷汽缸的立体图；图2是说明本发明激光合金化的铝合金引擎零组件的一较佳实施例铝合金汽缸的立体图，；图3是图2的一局部展开图，说明合金层的分布状态图4是一类似该图3的展开图，配合说明合金层可以呈间隔的直线连续分布；及图5是一类似该图3展开图，配合说明一合金层可以呈纵横交错的棋盘状直线连续分布；及图6是一SEM照片，说明本发明的一合金层的晶相结构。
具体实施方式
本发明的一种激光合金化的铝合金引擎零组件，适用于摩托车引擎，例如汽缸、汽缸套、汽缸头、活塞…等引擎零组件，使得引擎零组件耐磨耗性提高，为使说明清楚起见，以下以铝合金汽缸2为例说明。
请同时参阅图2、3，铝合金汽缸2是以铝合金压铸成型或铸造成型(如图2所示)，经过激光合金化，包含一铝合金基材22的本体，该本体具有一接触面21，及一自铝合金基材22的接触面21向内形成的合金层23(配合参阅图3)。
先将已成型的铝合金汽缸2的本体，以重量百分比10％的氢氧化钠溶液清洗，再以清水冲洗，并如此重复数次，以去除其表面的油脂及其他脏污。当然，此清洁过程可以使用其他重量百分比的碱性溶液、酸性溶液，及脱脂剂等，只要能去除铝合金汽缸2本体表面上的油脂及其他脏污，且不侵蚀铝合金汽缸2本体本身即可。
接着以适量的二氧化硅、乙醇、市售墨汁，及介面活性剂调制成粘结剂，并将其均匀涂覆于清洁后的铝合金汽缸2本体的接触面21。
然后将预定组成且粒径范围介于70um与200um之间的合金粉末，以自动洒粉器均匀洒覆于上述已涂覆有粘结剂的铝合金汽缸2本体上。为配合本例中合金粉末的粒径范围，自动洒粉器是以每分钟1～2克，且0.5rpm转速的机台设定，将合金粉末均匀洒覆。
同时，为适应不同零组件设计所需，上述合金粉末可分别选自以镍为基底的镍基合金粉末(其组成为重量百分比0.4％的碳、重量百分比4％的硅、重量百分比2.3％的硼、重量百分比3％的铁、重量百分比11％的铬，及平衡量的镍)、以钴为基底的钴基合金粉末(其组成为重量百分比1.7％的碳、重量百分比1.2％的硅、重量百分比12.5％的钨、重量百分比1％的铁、重量百分比25％的铬、重量百分比22％的镍，及平衡量的钴)、以铁为基底的铁基合金粉末(其组成为重量百分比0.3％的碳、重量百分比3.7％的硅、重量百分比0.2％的锰、重量百分比2.5％的硼、重量百分比18％的铬、重量百分比介于7.5％的镍，及平衡量的铁)，及以铜为基底的铜基合金粉末(主要成分是重量百分比10％的铝、平衡量的铜，及其他不可避免的微量元素)中任一种。
当然，上述镍、钴、铁、铜基合金粉末的成分并不以此为限，举例来说，包含重量百分比介于0.41％至0.39％之间的碳、重量百分比介于4.12％至3.88％之间的硅、重量百分比介于2.37％至2.23％之间的硼、重量百分比介于3.09％至2.91％之间的铁、重量百分比介于11.33％至10.67％之间的铬，及平衡量的镍(即其余为镍)所组成的镍基合金粉末，包含重量百分比介于1.75％至1.65之间的碳、重量百分比介于1.24％至1.16％之间的硅、重量百分比介于12.88％至12.13％之间的钨、重量百分比介于1.03％至0.97％之间的铁、重量百分比介于25.75％至24.25％之间的铬、重量百分比介于22.66％至21.34％之间的镍，及平衡量的钴(即其余为钴)所组成的钴基合金粉末，包含重量百分比0.3％的碳、重量百分比介于3.81％至3.59％之间的硅、重量百分比为0.2％的锰、重量百分比介于2.58％至2.43％之间的硼、重量百分比介于18.54％至17.46％之间的铬、重量百分比介于7.73％至7.28％之间的镍，及平衡量的铁所组成的铁基合金粉末，及包含重量百分比介于10.3％至9.7％之间的铝、平衡量的铜，及其他少数不可避免的微量元素所组成的铝基合金粉末，皆可直接适用于本发明中；由于此等合金成分组成方式众多，在此不再一一举例说明。
最后预热合金粉末与涂覆有粘结剂的铝合金汽缸2的本体，使温度介于80℃与400℃之间，再以103至107W/cm2的功率的激光同时作用于合金粉末与涂覆有该粘结剂的铝合金汽缸2的本体，而自铝合金基材22的接触面21向内形成约0.2至3.5mm的硬化深度的合金层23，且该合金层23以连续路径分布而形成多数纵横间隔的网状态样分布，如第图3所示，而完成激光合金化的铝合金汽缸2。
当然，熟知金属加工技艺人士均知，此时完成铝合金汽缸2的接触面21，必然有些许高低不平整，此时可进一步进行相关的机械加工，例如搪孔加工、清洗…等等业界熟知的加工制程，而使该接触面21更为光滑平整，由于此等后续机械相关加工制程以为业界所周知，在此不一一赘述。
在此要特别说明的是，涂覆粘结剂的作用仅在使合金粉末均匀分布于铝合金汽缸2的表面，而可使合金粉末与铝合金汽缸2更轻易完成合金化过程，并非一定必要涂覆粘结剂，方可进行合金粉末与铝合金汽缸的的合金化。同时，预热合金粉末与涂覆有该粘结剂的铝合金汽缸的使其到达的温度范围，是与预定作用的激光的功率及作用时间正相关，同时必须配合欲合金化的面积而定，一般预热的温度越高、作用激光的功率愈强，及作用时间越长，所形成的合金层厚度越厚，合金化的程度也越高。
再者，可以先预热合金粉末与铝合金汽缸2，而在洒覆合金粉末的同时，以激光同步作用于合金粉末与铝合金汽缸2，而合金化形成合金层23。
当然，也必须依照不同零组件的形状而形成合金层23的态样需求，设计其相配合的方式，将合金层23形成如图4所示之间隔分布的连续直线分布，或是如图5所示的棋盘状纵横交错的多数直线分布，或是不考虑制造成本，将接触面21以大区块方式整面均匀形成合金层23，以符合实际零组件的耐磨耗性的需求，由于上述的制程及相互配合方式繁多，故在此不再多加赘述。
上述以激光作用于预先洒覆的合金粉末与铝合金基材22合金化形成的合金层23，其主要是形成包含预定成分比例、分布均匀致密且晶相结构良好完整的介金属化合物，且部分硬化层组织可达到次奈米相组织，请参阅图6所示，而可提升其耐磨耗性，举例来说，若洒覆的合金粉末是上述举例成分镍基合金粉末，该合金层即为包含碳、硅、硼、铁，及铬等元素的铝镍介金属化合物；若洒覆的合金粉末是钴基合金粉末，该合金层即为包含碳、硅、钨、铁、铬，及镍等元素的铝钴介金属化合物；若洒覆的合金粉末是铁基合金粉末，该合金层即为包含碳、硅、锰、硼、铬，及镍等元素的铝铁介金属化合物；若洒覆的合金粉末是铜基合金粉末，该合金层即为包含铝及其他少量不可避免的微量元素的铝铜介金属化合物，而可符合当前引擎零组件的耐磨耗性的需求。
由上述说明可知，本发明激光合金化的铝合金引擎零组件，是以激光自铝合金引擎零组件的接触面21向内合金化，形成一高硬度、耐磨耗且成连续路径分布的合金层23，使合金层23自基材22的接触面21向内合金化形成硬化深度约0.2至3.5mm的合金层23，而不会有合金层23与基材22相互间附着力的问题产生，而可以改善习知镀覆有耐磨耗层13的铝合金陶瓷汽缸1，会发生镀覆的耐磨耗层13剥落的问题，同时，合金层23是以连续路径分布的线状、网状，及整区块形成分布，而使得引擎实际运作时各零组件的耐磨耗性提升，而可延长引擎的使用寿命，确实达到本发明的目的。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围。
权利要求
1.一种激光合金化的铝合金引擎零组件，包含一铝合金材料为基材的该引擎零组件的本体；其特征在于该本体的一接触面分布有向接触面内部连续延伸的合金层，该合金层是以合金粉末与该基材合金化所形成。
2.如权利要求1所述激光合金化的铝合金引擎零组件，其特征在于该合金层深度为0.2至3.5mm，且呈连续路径分布。
3.如权利要求1所述激光合金化的铝合金引擎零组件，其特征在于该合金层是具有一预定成分的介金属化合物，该合金层是呈多数相间隔的线状分布。
4.如权利要求1所述激光合金化的铝合金引擎零组件，其特征在于该合金层是呈纵横间隔的网状分布。
5.如权利要求1所述激光合金化的铝合金引擎零组件，其特征在于该合金层呈大区块连续面状分布。
6.一种激光合金化的铝合金引擎零组件的制法，其特征在于包括如下步骤(1)先将已成型的铝合金引擎零组件本体清洗，去除其接触面上的油脂及其他脏污；(2)将合金粉末均匀粘覆在接触面的预定区域内；(3)预热合金粉末与该本体，再以一定功率的激光同时作用于合金粉末与该本体，使自该接触面向内形成深度为0.2～3.5mm的硬化的合金层，该合金层具有一预定成分的介金属化合物；(4)进行机械加工使该接触面平整。
7.如权利要求6所述的激光合金化的铝合金引擎零组件的制法，其特征在于在上述的步骤(1)之后以适量的二氧化硅、乙醇、市售墨汁，及介面活性剂调制成粘结剂，并将其均匀涂覆于清洁后的该本体的接触面上；然后将合金粉末以自动洒粉器均匀洒覆于上述已涂覆有粘结剂的接触面的预定区域内。
8.如权利要求7所述的激光合金化的铝合金引擎零组件的制法，其特征在于该步骤(3)的预热温度为80℃～400℃，再以103至107W/cm2的功率的激光同时作用于合金粉末与涂覆有该粘结剂的本体，使该合金粉末与该铝合金基材形成合金化。
9.如权利要求7所述激光合金化的铝合金引擎零组件的制法，其特征在于该合金粉末的粒径介于70um与200um之间。
10.如权利要求6或7所述激光合金化的铝合金引擎零组件的制法，其特征在于该合金粉末选自镍基合金、钴基合金、铁基合金，及/或铜基合金其中之一。
11.如权利要求10所述激光合金化的铝合金引擎零组件的制法，其特征在于该合金粉末是以镍为基底，并选择地包含碳、硅、硼、铁，及/或铬。
12.如权利要求11所述激光合金化的铝合金引擎零组件的制法，其特征在于其中，碳的重量百分比介于0.41％至0.39％之间、硅的重量百分比介于4.12％至3.88％之间、硼的重量百分比介于2.37％至2.23％之间、铁的重量百分比介于3.09％至2.91％之间、铬的重量百分比介于11.33％至10.67％之间，及平衡量的镍。
13.如权利要求10所述激光合金化的铝合金引擎零组件的制法，其特征在于该合金粉末是以钴为基底，并选择地包含碳、硅、钨、铁、铬，及/或镍。
14.如权利要求13所述激光合金化的铝合金引擎零组件的制法，其特征在于其中，碳的重量百分比介于1.75％至1.65％之间、硅的重量百分比介于1.24％至1.16％之间、钨的重量百分比介于12.88％至12.13％之间、铁的重量百分比介于1.03％至0.97％之间、铬的重量百分比介于25.75％至24.25％之间、镍的重量百分比介于22.66％至21.34％之间，及平衡量的钴。
15.如权利要求10所述激光合金化的铝合金引擎零组件的制法，其特征在于其中，该合金粉末是以铁为基底，并选择地包含碳、硅、锰、硼、铬，及/或镍。
16.如权利要求15所述激光合金化的铝合金引擎零组件的制法，其特征在于其中，碳的重量百分比0.3％、硅的重量百分比介于3.81％至3.59％之间、锰的重量百分比为0.2％、硼的重量百分比介于2.58％至2.43％之间、铬的重量百分比介于18.54％至17.46％之间、镍的重量百分比介于7.73％至7.28％之间，及平衡量的铁。
17.如权利要求10所述激光合金化的铝合金引擎零组件的制法，其特征在于其中，该合金粉末是以铜为基底，并包含铝。
18.如权利要求17所述激光合金化的铝合金引擎零组件的制法，其特征在于其中，铝的重量百分比介于10.3％至9.7％之间，及平衡量的铜。
19.如权利要求10所述激光合金化的铝合金引擎零组件的制法，其特征在于其中，该介金属化合物是铝镍介金属化合物，并选择地包含碳、硅、硼、铁，及/或铬。
20.如权利要求10所述激光合金化的铝合金引擎零组件的制法，其特征在于其中，该介金属化合物是铝钴介金属化合物，并选择地包含碳、硅、钨、铁、铬及/或镍。
21.如权利要求10所述激光合金化的铝合金引擎零组件的制法，其特征在于其中，该介金属化合物是铝铁介金属化合物，并选择地包含碳、硅、锰、硼、铬及/或镍。
22.如权利要求1所述激光合金化的铝合金引擎零组件的制法，其特征在于其中，该介金属化合物是铝铜介金属化合物，并包含铝。
全文摘要
一种激光合金化的铝合金引擎零组件及其制法，该引擎零组件包含一铝合金材料为基材的该引擎零组件的本体；该本体的一接触面分布有向接触面内部连续延伸的合金层，该合金层是以合金粉末与该基材合金化所形成。该制法主要是先将铝合金引擎零组件本体清洗，将合金粉末均匀粘覆在接触面的预定区域内，再预热合金粉末与该本体，再以激光同时作用于合金粉末与该本体，使自该接触面向内形成深度为0.2～3.5mm的硬化的合金层，本发明可以提升摩托车用铝合金引擎零组件的耐磨耗性，使铝合金引擎零组件不会发生合金层剥离的现象，使铝合金引擎零组件更加耐用。
文档编号C23C24/10GK1537970SQ0311065
公开日2004年10月20日 申请日期2003年4月18日 优先权日2003年4月18日
发明者高森田, 杨耀升, 庄尧智, 廖英彦, 郭力源, 李英仁, 庄道弦 申请人:光阳工业股份有限公司