专利名称：柴油机缸套外壁的激光热处理的制作方法
技术领域：
本发明属于金属热处理中的激光表面热处理工艺。
缸套是柴油机中的重要部件，同时也是最容易磨损和被腐蚀的部件。特别是在高、中速柴油机中，由于缸套外壁因穴蚀而造成缸套的过早的报废，几乎普遍而又严重地存在于各类动力机械中，经济损失极大。
长期以来，人们都在探索一种新工艺或技术来提高缸套的抗穴蚀性能，以达到提高柴油机缸套使用寿命的目的。
参见周裕康“柴油机缸套穴蚀的初步研究，”内燃机工程，第1期，1980，P27。
对高、中速柴油机缸套及其他类似动力机械，为水轮机叶片，水泵等的穴蚀现象的机理，众说纷云。特别对柴油机缸套的穴蚀现象，目目前国内外也持有各种观点。但综合起来，大多数的倾向性意见不外乎可归纳出如下二方面(1)柴油机中活塞运动方向转换时撞击缸套壁，产生高频振动，引起缸套外壁的冷却水形成气泡，继而这种振动又使气泡受到强大的冲击压力波(这种压力可达几千kgf/cm2)，与此同时，受到高压的气泡又对缸套外壁产生高压冲击，气泡的崩裂压力会使缸套外壁形成许多孔穴(针孔穴)，一旦小孔形成后，后继的气泡的崩裂压力又会使这类孔穴加深和加大，最后导致缸套外壁某些部位穿孔，最终使缸套过早报废。
(2)另外的一种原因是在柴油机缸套外壁的水冷却系统中，由于缸套浸泡在循环冷却水中，而导致缸套外壁生锈，这种电化学的腐蚀即水锈，对缸套材料的穴蚀起到推波助浪的作用。
基于上述对柴油机缸套穴蚀机理的探讨，人们采取了多种途经企图来克服缸套的穴蚀的产生及提高缸套的抗穴蚀能力。其主要归纳如下(1)缸套本身选用耐蚀材料，如选用高磷铸铁，加硼铸铁或38CrMoAl等。
(2)改善柴油机的结构形状设计，例如改变进水口位置，尽可能减少机体的横向尺寸，使缸套外壁至机体内壁间的宽度尽可能压缩等。
(3)在柴油机缸套的水冷却系统中加添加剂，缓蚀剂之类。
(4)采用常规热处理(例如对缸套进行氮化处理)。
以上诸种方法均不能有效地减轻和克服缸套的穴蚀现象。例如一些厂家采用高磷铸铁，加硼铸铁或38CrMoAl等材料，但缸套的穴蚀仍非常严重。
对于改进柴油机的结构设计，各种机型不同，结构设计不同，并且也不能有效地减轻和克服缸套的穴蚀问题。在缸套外壁的水冷却中加入缓蚀剂之类，目前缓蚀剂配方甚多，这类方法对减轻缸套外壁和其它部位的水锈虽有一定作用，在一定程度上也提高了一些缸套的抗穴蚀能力，但实践证明，任何一种缓蚀剂的加入都不能较大幅度地减轻缸套的穴蚀现象和提高缸套的抗穴蚀性能。
各类机件上的穴蚀现象广泛而又普遍地存在于各类动力机械中，除了柴油机缸套外壁外，还有诸如柴油机预燃室，水泵，水轮发电机叶片，船舶上的螺旋浆等。
文献C·M·Preece，Wear，67(1981)，P321·PrintedintheNetherland作者只研究了1040钢及303不锈钢二种材料试片的激光处理。在研究激光处理1040钢时，使用的激光功率仅300瓦，光斑尺寸为15mm，得到的激光处理的深度非常浅(仅只10μm)，且表面激光处理层的组织不均匀，抗蚀效果并不显著。在研究激光处理303不锈钢材料试片时，经激光处理的试片与未经激光处理的试片在抗蚀阻抗上比较时，几乎没有什么提高。此外，文献中并未涉及到任何其他材料的激光处理和任何一种实际使用中的动力机械件的激光处理研究。
本发明的目的是针对以上柴油机缸套外壁存在的严重的穴蚀问题，我们采用激光新技术对柴油机缸套外壁进行激光热处理，旨在提高其抗穴蚀性能，达到大幅度地提高缸套使用寿命的目的。
利用激光加热材料表面，可使材料表面温度达到相变点和熔点以及激光具有加热速度快，冷却速度高(可达到10-104℃/秒的冷却速率)的特点，因而可实现金属表面的相变硬化，激光表面涂覆和激光表面合金化。
采用激光处理柴油机缸套外壁，改变缸套外壁表面材料的组织结构，化学成份。提高缸套外壁材料的表面硬度和抗疲劳强度等。
本发明的主要点是1.激光处理前预先将柴油机缸套黑化，并加工到热处理所需要的尺寸。
2.将需要处理的柴油机缸套装在既能沿X水平方向作直线运动，又能使缸套本身沿其孔中心轴线旋转的工作台上，激光束可直接照射到缸套外壁上。或者将缸套固定在另一种类型工作台上，此工作台可使缸套沿其孔中心轴线旋转并能作上下直线运动，而相应的激光导光系统可将激光束引入到旋转的缸套的外壁上，实现对缸套外壁的激光处理。
3.在激光处理缸套之前，还要对光束进行处理，使之得到适合缸套外壁的激光热处理的光束质量。
4.用高功率CO2激光对柴油机缸套外壁进行扫描处理，其工艺参数规范如下激光功率1-5KW;工作台扫描时间在3-95mm/秒范围;光斑尺寸少于12mm;激光光束扫描带重叠宽度少于3mm。
5.对柴油机缸套材料为高磷铸铁的试片进行激光热处理，得到材料表面的显微硬度Hv达800左右，试片的抗穴蚀效果提高1-2倍以上。经快速穴蚀试验证明，原来经激光处理的穴蚀失重每2小时在120mg左右，而经激光处理后的试片的穴蚀失重每2小时在30-60mg左右。
6.对激光处理后的柴油机缸套外壁进行组织性能检测，得到缸套外壁材料表面的组织均匀，晶粒细化，显微硬度比原基体材料提高2-3倍左右。
7.对激光处理后的柴油机缸套进行某些必要的后序加工，以保证柴油机缸套的正常运行。
8.本发明也适合柴油机预燃室、水轮机叶片和水泵的处理。
本发明的优点是激光处理柴油机缸套外壁新工艺与缸套常规热处理(例如氮化处理)相比是缸套氮化处理周期长，工艺复杂，有污染和成本高。而采用激光处理缸套外壁，能得到比氮化处理更高的缸套表面硬度，缸套外壁表面组织更均匀，晶粒更细，并且能改变材料成份等。用激光处理缸套外壁还可进行局部热处理，即可对缸套穴蚀严重的部位进行有选择区域的激光热处理。在进行这类激光热处理工艺时，方法简单，操作方便，容易控制，热处理的周期短，效率高，成本低。此外激光热处理缸套时，不需任何其它介质，环境干净清洁，无有害气体污染等。激光热处理缸套外壁与改进柴油机结构设计和在冷却液中加缓蚀剂之类的方法比较是后面二种方法均不能有效地减轻缸套外壁的穴蚀现象，大幅度地提高缸套外壁的抗穴蚀能力。用激光处理柴油机缸套外壁则能改变其材料的组织结构，改变材料的成份，可大大地提高缸套材料表面的硬度和抗疲劳强度。因而达到了柴油机运行时间在超过常规正常工作时间的情况下，激光处理的缸套外壁并没有任何锈斑和污秽。且能大幅度地提高柴油机缸套外壁的抗穴蚀性能，大大地延长了缸套的使用寿命。通常采用此项发明，可使缸套寿命延长一倍以上。例如用激光处理后的高磷铸铁缸套和硼铸铁缸套，其使用寿命可大于2000-3000小时以上。
权利要求
1.一种用于柴油机缸套外壁激光热处理方法，其特征在于，激光处理前，预先将柴油机缸套黑化，并加工到激光处理所需要的尺寸，然后将柴油机缸套装在既能沿X(水平)方向作直线运动，又能使缸套本身沿孔中心轴线旋转的工作台上，激光束直接照射到缸套外壁上，也可以将缸套固定在另一种类型工作台上，该工作台使缸套沿孔中心轴轴线旋转，并能上、下作直线运动，激光束通过导光系统引入到旋转的缸套外壁上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在激光处理缸套前，预先对光束进行处理，使之得到适合缸套外壁的激光热处理的光束质量。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，激光功率为1至5KW，工作台扫描速度是3-95mm/秒，光斑尺寸小于12mm，激光光束重叠宽度小于3mm。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，经过激光热处理后的缸套，应进行珩磨等加工。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法也适用于柴油机预燃室，水轮机叶片和水泵的处理。
全文摘要
一种用于柴油机缸套外壁激光热处理方法采用大功率CO
文档编号F02B3/06GK1034225SQ8710549
公开日1989年7月26日 申请日期1987年11月9日 优先权日1987年11月9日
发明者郑启光, 李再光, 杨杨, 胡伟光, 陈明耀, 田鸿业, 王茂梁, 李家镕, 王汉生 申请人:华中工学院, 中国人民解放军38609部队青岛研究室海军4808厂