发动机凸轮及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有耐磨涂层复合发动机凸轮及其制备方法，尤其涉及一种具有耐磨碳化物涂层的复合发动机凸轮及其制备方法，具体涉及一种应用于碳钢表面的耐磨碳化物涂层复合发动机凸轮及其制备方法。
【背景技术】
[0002]凸轮是汽车发动机的关键零部件之一，不仅承受着一定的载荷，而且经受着长时间的磨损，其性能好坏直接影响着汽车的质量和寿命。凸轮是凸轮轴上重要的一部分，凸轮轴主要由凸轮、支承轴颈、轴颈等几部分组成，用以控制气门按一定的工作次序和配气相位及时开闭，并保证气门有足够的升程，对整个配气系统的性能具有决定性作用。其工作时，凸轮表面和挺杆之间有很高的周期性接触应力和较快的相对滑动速度，并且在机械运动过程中产生高温，致使凸轮经常以凸轮表面出现擦伤、点蚀、磨损、边缘龟裂及剥落等形式失效，因此要求凸轮材料具有较好的刚性和抗疲劳强度以及良好的耐磨性能。
[0003]目前，国内外生产凸轮的材料主要有锻钢和铸铁两种。以前，轿车发动机多采用锻钢凸轮。近年来，为了降低生产成本、改善加工性能，轿车发动机凸轮的生产开始采用各种铸铁材料。同时，由凸轮的工作条件可知，其主要磨损是由凸轮表面和挺杆之间的摩擦产生的，对凸轮部分的硬度和耐磨性能要求很高。因此，在当前国内外轿车凸轮生产中，铸铁已经成为广泛应用的材料。其次凸轮的铸造工艺和表面强化亦是制备过程中必须考宄的问题。凸轮工作时，不仅经受长时间的磨损，同时凸轮作为轴类零件，承受着一定的载荷，其表面常处于最大应力状态，并且介质环境复杂。因此，零件的失效和破坏也大多发生在表面或从表面开始，如在零件表层引入一定的残余压应力，增加表面硬度，改善表层组织等，就能显著地提高零件的疲劳强度和耐磨性。表面强化工艺可在保证零件整体塑、韧性的同时有效提高表层耐磨性和抗疲劳强度，有时还能提高耐腐蚀性能，已在凸轮、曲轴、传动齿轮等制造领域获得广泛应用。目前，在凸轮生产中，经常使用的表面强化工艺主要有淬火工艺和重熔工艺，此外，还有液体氮化工艺等。
[0004]碳化物材料的涂层是现阶段使用较多一种材料，其具有硬度高、耐磨损性能优越的特点，以涂层方式覆盖在碳钢合金基体表面可以提高由基体材料制备的零部件的耐磨性与寿命。其中WC是一种常见涂层材料，其有如下特点特性:(I)具备密度低、强度高、弹性模量高、耐磨、耐腐蚀、抗氧化等优异的综合性能；(2)其颗粒一般呈圆球状，其晶格结构为面心立方结构，具有很高的热稳定性和硬度；(3)便于切削加工、焊接、锻造，并且加工过程热变形小，且具有普通熔炼钢的冷热加工性能。因此，WC涂层被广泛地用作无肩冷热碳钢加工工具、切削刀具、各种模具、耐磨耐热耐蚀零件表面等。
[0005]目前碳钢材料表面涂层技术有:激光熔覆法、高温自蔓延烧结技术、粉末冶金技术、材料气相沉积技术(包括:化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD))等，但这些方法，存在生产设备要求苛刻、生产效率低、涂层结合强度低等不足。因此如何在发动机凸轮工作表面获得WC相的涂层，并且选择一种生产设备简单、工艺流程短的制备方法，获得与基体结合力好、不易脱落且力学性能、耐磨性能优异的涂层是亟待解决的问题。
【发明内容】
[0006]针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种发动机凸轮，在其凸轮工作部位的表面具有一种耐磨涂层，该涂层有利保证凸轮表面具有很高的硬度和很好的耐磨性和断裂韧性，而凸轮基体内部具有很好的韧性；并且提供一种用于获得上述发动机凸轮的制备方法。
[0007]进一步的，本发明还提供一种发动机凸轮，其工作部位的表面具有一种梯度符合涂层，其优选被涂覆于发动机凸轮工作部位的基体表面，以提高其表面的耐磨性和断裂韧性，并且提供一种用于获得上述涂层的制备方法。
[0008]所述发动机凸轮，在其工作部位具有耐磨涂层，该涂层有利保证发动机凸轮表面具有很高的硬度和很好的耐磨性，而凸轮本身具有很好的韧性。
[0009]为实现本发明目的，本发明采用了如下技术方案:
[0010]一种发动机凸轮，在其工作面具有耐磨涂层，其特征在于:所述耐磨碳化物涂层为WC致密陶瓷层。优选地，WC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0011]更优选地，沿WC致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为50-180 μm，优选为100-180 μπι ;优选地，WC的体积分数大于80%，优选大于85% ;WC致密陶瓷层粒径为10-50 μ m，优选为20-50 μ m，沿涂层，。
[0012]此外，本发明还提供一种发动机凸轮，在其工作面具有梯度复合涂层，所述梯度复合涂层为碳化物涂层，包括准单晶相WC致密陶瓷层、微米WC陶瓷层以及WC与基体的融合层O
[0013]优选地，WC致密陶瓷层为准单晶相。所述准单晶相是指，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的组织。准单晶相介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，准单晶相的晶界明显减少，位错密度低，有较多亚晶界，因此硬度有明显提升；而较之单晶相，其对制备方式要求更低，且组织更为稳定。
[0014]更优选地，沿WC致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为50-180 μ m，优选为100-180 μπι;其中WC的体积分数大于80%，优选大于85% ;粒径为10-50 μm，优选为20-50 μπι。
[0015]进一步优选地，沿微米WC陶瓷层纵向剖面，其厚度为70-180 μ m，优选为130-180 μπι;其中WC的体积分数大于75%，优选大于80%，其粒径为5_30μπι，优选为6-25 μm0
[0016]更进一步，沿WC与基体的融合层纵向剖面，其厚度为60-300 μπι，优选为100-300 μ m ;其中WC的体积分数为40-80 %，优选为60-80 %，其粒径为1_20 μ m，优选为5-10 μm0
[0017]更进一步的，对于具有上述三种涂层的复合的碳化物涂层而言，所述涂层由外向内依次成梯度分布，其总厚度为180-660 μπι ;优选为330-660 μπι。
[0018]所述发动机凸轮以碳钢为基体，所选碳钢基体为低碳钢、中碳钢和高碳钢，优选为:Q275A、Q255AF、45钢、T12A、T8、ZG270-450等，见国家标准GB221-79。基体组织根据热处理方式的不同为珠光体、马氏体、铁素体、贝氏体、奥氏体和索氏体中的一种或几种。
[0019]本发明提供一种发动机凸轮的制备方法，其工作表面具有耐磨涂层，包括如下步骤:
[0020]I)先准备一钨板，优选地，其中钨的纯度应控制在99.7-99.99%，优选地，所述钨板先被加以表面处理；
[0021]2)按照凸轮尺寸，用聚苯乙烯泡沫塑料制作凸轮消失模，根据凸轮的工作受力状况，其主要磨损是凸轮表面与挺杆底面之间强烈的摩擦，据此在凸轮消失模工作表面固定钨板，然后在钨板表面固定外部碳源，使其与钨板紧密结合；所述碳源为三级以上的石墨纸，纯度99%，厚度为0.1-0.35mm，。
[0022]3)按照凸轮尺寸，制作砂型；优选地，用C02水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂制作砂型。
[0023]4)将碳钢基材冶炼为钢液，优选的，温度控制在1610°C -1630°C。
[0024]5)采用消失模真空吸铸工艺，将上述钢液浇入放置有凸轮消失模、钨板和碳源的砂型内，待钢液冷却凝固后，取出铸件，清砂处理，获得凸轮基体为碳钢，凸轮工作表面为碳钢与钨板的复合体；优选地，浇注温度控制在1610°C _1630°C;更优选地，浇注时间40-50秒为宜；进一步优选地，一分钟后，在冒口补饶，优选地，室温冷却。
[0025]6)将浇铸完的凸轮复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却至室温，从而在凸轮工作表面形成耐磨涂层，而凸轮基体仍为碳钢基体。
[0026]其中，耐磨碳化物涂层为WC致密陶瓷层。
[0027]优选地，通过控制步骤6)中保温时间、保温温度获得该WC致密陶瓷层；优选地，WC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0028]本发明还提供一种发动机凸轮的制备方法，其工作表面具有梯度复合涂层，包括如下步骤:
[0029]I)、先准备一钨板，优选地，其中钨的纯度控制在99.7-99.99%，所述钨板的厚度控制在0.2-3mm ;优选地，所述钨板先被加以表面处理；
[0030]2)按照凸轮尺寸，用聚苯乙烯泡沫塑料制作凸轮消失模，根据凸轮的工作受力状况，其主要磨损是凸轮表面与挺杆底面之间强烈的摩擦，据此在凸轮消失模工作表面固定钨板，然后在钨板表面固定外部碳源，使其与钨板紧密结合；所述碳源为三级以上的石墨纸，纯度99%，厚度为0.1-0.35mm。
[0031]3)按照凸轮尺寸，制作砂型；优选地，用C02水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂制作砂型。
[0032]4)将碳钢基材冶炼为钢液，优选的，温度控制在1610°C -1630°C ;
[0033]5)采用消失模真空吸铸工艺，将上述钢液浇入放置有凸轮消失模、钨板和碳源的砂型内，待钢液冷却凝固后，取出铸件，清砂处理，获得凸轮基体为碳钢，凸轮工作表面为碳钢与钨板的复合体；优选地，浇注温度控制在1610°C _1630°C;更优选地，浇注时间40-50秒为宜；进一步优选地，一分钟后，在冒口补饶，优选的，室温冷却。
[0034]6)将浇铸完的凸轮复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却至室温，从而在凸轮工作表面形成梯度复合涂层，而凸轮基体仍为碳钢基体。
[0035]7)所得的表面具有梯度复合涂层的铲齿被进一步热处理以获得更合适的基体组织。
[0036]优选地，钨板厚度为0.2-3mm ;若小于0.2mm，则钨板在浇注复合过程中就已经完全反应，不能获得WC致密陶瓷层，直接生成弥散分布WC颗粒；超过3mm则导致扩散距离增大，反应动力不足。
[0037]优选地，通过严格控制步骤6)中保温温度与时间的关系，获得所述准单晶相WC致密陶瓷层。该陶瓷层呈现出较为明显的准单晶组织，光学显微镜下表现为晶界减少，影响断裂韧性的位错也相应减少，代之亚晶界增多，有效提高该陶瓷层的抗裂能力。
[0038]优选地，通过控制步骤6)中保温时间、保温温度获得该梯度复合涂层即碳化物涂层，所述碳化物涂层包括依次呈梯度分布的准单晶相WC致密陶瓷层、微米WC陶瓷层、WC与基体的融合层。
[0039]更优选地，上述步骤6)中保温温度、保温时间以及最终能够获得的梯度复合涂层的总厚度符合如下公式，
[0040]L = kTlogtl/2+b0