激光陶瓷合金活塞环的制作方法

本发明涉及机械领域，具体涉及一种耐腐蚀、抗磨损的陶瓷合金活塞环。

背景技术：

据统计，世界贸易90%以上的货物都是由海运船舶运输，船舶按运输货物类型分油船，散货船，集装箱船，天然气船及其他特殊船舶。根据交通部《2015年中国航运发展报告》，中国大陆大概拥有各类海运船舶5830艘，香港拥有海运船舶712艘，台湾拥有海运船舶662艘。而全球十大船舶拥有国家和地区拥有海运船舶总数大概为44000艘以上。据英国克拉克松数据统计，全世界在册的各类海运船舶大概在10万艘左右。且全球每年新造船的数量在1000艘左右。这些船舶都由二冲程低速柴油机作为动力，其中，活塞环是柴油机上不可或缺的极其重要的零部件。

二冲程低速柴油机按设计公司分为曼恩，瓦锡兰，罗尔斯.罗伊斯，现代，通用，卡特彼勒等世界知名品牌主机。在市场上，主要以曼恩，瓦锡兰两种柴油机为主，其中，曼恩公司的主机占二冲程低速柴油机市场90%左右份额。瓦锡兰公司的主机占二冲程低速柴油机市场8%左右份额，因此，新发明的活塞环主要为曼恩公司，瓦锡兰公司的二冲程低速柴油机配套及作为备件使用。

按二冲程低速柴油机专利设计公司要求，活塞环的使用寿命一般为16000h。实际上，由于活塞环本身的质量问题和其它外界原因，造成活塞环提前报废，一般平均3-6个月左右更换新的活塞环，且每次更换的费用较大。

现活塞环有两种结构：一种为表面喷涂一层陶瓷再热喷涂一层铜铝层的活塞环（二冲程低速柴油机气缸直径≥700 mm）；一种为表面热喷涂一层铜铝层的活塞环（二冲程低速柴油机气缸直径<700 mm）。不管哪种结构活塞环最常见，最致命的缺陷就是表面镀层的剥落。据调查，有的柴油机在试验台磨合期间，活塞环表面镀层有大小不一的剥落产生；还有的船舶在保修期内，活塞环镀层常有剥落现象产生，更换活塞环，极大影响船舶航行。再有，活塞环的材料为合金铸铁，硬度为HV230左右，材料本身不耐腐蚀，不耐磨，特别是材料较软，催化剂颗粒易嵌入活塞环表面，拉伤气缸套。再有汽缸冷凝水容易进入汽缸中，破坏润滑油膜，势必造成活塞环表面的过度磨损。其中最主要的原因是气缸工作条件苛刻，产生了气缸冷腐蚀。气缸冷腐蚀由以下4个原因造成：

1.气缸的温度

2.气缸的压力

3.气缸冷却水的数量

4.燃油的含硫量

由于气缸冷腐蚀作用，现有活塞环不能完全满足气缸工作条件，直接表现为环镀层剥落，过度磨损，导致活塞环达不到二冲程柴油机的工作要求。

技术实现要素：

根据上述问题，本发明提供一种激光陶瓷合金活塞环，试图解决活塞环表面镀层剥落、抗磨损和抗冷腐蚀的问题。

一种激光陶瓷合金活塞环，有活塞环本体，其特征在于：活塞环外环表面设有一层陶瓷合金层，活塞环下底面带有一层硬化层；所述陶瓷合金层是在活塞环外环表面预先涂有一层陶瓷合金，通过激光束扫描加热使其快速与活塞环本体融合，再冷却凝固而形成；硬化层是将活塞环下底面经过激光淬火后形成。所述硬化层是在活塞环下底面预先涂有一层吸光涂料，利用激光加热活塞环下底面，将活塞环下底面加热到相变点以上，停止激光加热，随着活塞环下底面自身冷却，由奥氏体转变为马氏体，在活塞环下底面形成一层硬化层。所述陶瓷合金层可以是任意厚度，其优选大于0.6mm，陶瓷合金层外还热喷涂有一层铜铝镀层。

所述陶瓷合金涂料含有铬、硅、硼等元素，活塞环本体材料采用合金铸铁，将陶瓷合金预先喷涂在活塞环外环表面，在高能量高密度的激光束作用下，活塞环表面合金铸铁被快速加热溶化，陶瓷合金迅速均匀地进入活塞环本体，后通过激光冷却使其快速冷却凝固，在活塞环外表面形成了一层陶瓷合金层。此陶瓷合金层与活塞环本体无明显界面，因此在活塞环工作过程中，此陶瓷合金层绝不会脱落。

在活塞环外表面快速溶化和凝固的过程中，陶瓷合金层中的碳和合金元素的含量增加，并且，陶瓷合金层中的铬、硅、硼含量较活塞环本体中铬、硅、硼的含量明显提高，因此，带有陶瓷合金层的活塞环，不仅具有高的硬度和耐磨性，而且具有良好的抗腐蚀能力。

本项实用新型适用于任何中、低速船用柴油机，尤其适用于重油介质下低速柴油机，样品1与样品2的活塞环本体采用材料不同，经过激光扫描形成陶瓷合金层厚度不同，样品1陶瓷合金层厚度为0.633mm，样品2陶瓷合金层厚度为0.815mm，二者厚度均大于0.6mm，根据样品1和样品2的硬度检测结果显示（如图3所示），当陶瓷合金层厚度大于0.6mm时，其硬度超过60HRC，耐磨性提高2倍以上。活塞环的直径为300-1080mm，适用于任何中、低速船用柴油机。

在中、低速柴油机上，与活塞环相配合的活塞头环槽外表面，同样可通过激光加热扫描形成与环槽本体无明显界面的陶瓷合金层，带有陶瓷合金层的活塞头可提高其外表面硬度、耐腐蚀等性能，延长活塞头使用寿命2倍以上。

附图说明

图1是样品1与样品2的硬度检测结果；

图2是活塞环第1道环的主视图；

图3是图2中A-A部分的局部结构图；

图4是活塞环第2、3、4道环的主视图；

图5是图4中A-A部分的局部结构图；

其中：1-活塞环本体、2-硬化层、3-陶瓷合金层、4-铜铝镀层。

具体实施方式

下面结合附图对本项实用新型做进一步说明，如图3、5所示，一种激光陶瓷活塞环，有活塞环本体1，在活塞环本体外环表面涂有一层陶瓷合金涂料，通过激光加工工艺系统，使其与活塞环本体加热融合、冷却凝固后形成陶瓷合金层2。活塞环下底面涂有一层吸光涂料，通过激光淬火技术，使其形成一层硬化层3。

所述活塞环的直径为500mm，应用于二冲程低速柴油机中，在柴油机中配置有4根活塞环，如图2所示，第1道活塞环本体的材料为球铁，环上设有搭口，如图4所示，第2、3、4道活塞环本体采用合金铸铁，第2、4道环的开口方向左旋，第3道环的开口方向右旋。

所述激光加工工艺系统由5000-10000W高功率CO2激光器，激光专用制冷系统，外光路系统，多功能激光数控加工机床组成。为减少柴油机试验台磨合时间，在处理后的活塞环外圆表面再热喷涂一层铜铝镀层4，从而达到活塞环的设计及使用要求。

这种带有陶瓷合金层的活塞环，陶瓷合金层与活塞环本体无明显界面，在活塞环工作过程中，此陶瓷合金层绝不会脱落，具有高的硬度和耐磨性，以及良好的抗腐蚀能力。