专利名称：铁基表面复合材料凸轮轴及其制造方法
技术领域：
本发明属于金属基复合材料产品及其制造技术领域，是一种具有以陶瓷颗粒增强的铁基表面复合材料为工作面的凸轮轴及其制造方法。
凸轮轴是发动机进排气机构的关键零件，随着高速发动机转速和压力的提高，要求其应具有能在高压、高速和剧烈磨损工况下正常工作的特性，但现有的可淬硬型凸轮轴和激冷铸铁凸轮轴都不能满足要求。它们的凸轮或缺少硬质增强相，或具有的硬质增强相硬度不高(仅为HV800)，而且形态差，容易产生剥落和点蚀，故这两种凸轮轴的凸轮都易过度磨损，使发动机燃烧不完全从而出现功率下降，油耗增加以及环境污染加剧。
本发明的目的之一就是克服现有凸轮轴存在的缺陷，提供一种工作面具有铁基表面复合材料烧结层结构的凸轮轴。
目前制造这种凸轮工作面具有铁基表面复合材料烧结层结构的凸轮轴的方法，只有本发明人在申请号为99114851.7中公开的“制备铁基复合材料的铸造烧结法”。该方法的工艺步骤有制造铸型、制造压坯、压坯固定、熔炼铁水、浇注和烧结。如果完全按照该方法的工艺步骤及条件来生产压坯中含有较多易熔组分的铁基表面复合材料凸轮轴，是可行的，但由于凸轮轴的凸轮部分壁较薄，一般小于22mm，因而铸造浇注时，铁水所能提供的热量不多，当涂覆层或压坯中含有较多的难熔组分时，在铸造过程中凸轮尖部的烧结致密化就难以完成，会出现黑皮、灰点、掉渣等缺陷。如果采用99114851.7中公开的补充烧结措施，其能耗大，完成周期长。另外该方法在制造压坯时所用的粘结剂为水基粘结剂，其中所含的水份蒸发较缓慢，即使经过长时间烘烤，也不易完全除去，会在压坯中形成孔洞，造成缺陷。
因而，本发明的目的之二是解决已有技术存在的问题，提供一种能保证在铸造过程中完成压坯烧结致密化，且又能耗低，周期短的方法。
本发明的目的之三是提供一种能解决因使用水基粘结剂所带来的问题的方法。
本发明的目的之一是由这样一种技术解决方案达到的该技术解决方案所展示的凸轮轴是由轴底、轴颈和凸轮构成，凸轮尖部的工作表面为铁基表面复合材料层，以提供凸轮尖部工作表面应具有高耐磨性和较好的耐热、耐蚀性；凸轮母体为球墨铸铁或灰铸铁，以提供凸轮母体应具有的强度、塑性和韧性；由于铁基表面复合材料层是通过铸造烧结而成的，故在凸轮母体和铁基表面复合材料层之间还有扩散过渡层，以提供牢固的冶金结合。
其中，铁基表面复合材料层为由在铁的马氏体或马氏体+奥氏体或珠光体基体上均匀分布WC、VC、TiC、(Cr，Fe)7C3、(Cr，Fe)23C6等碳化物陶瓷或Al2O3、ZrO2等氧化物陶瓷中的一种或两种或两种以上的陶瓷增强相组合而成，厚度控制为1～4mm。该材料层是在制造过程中利用铁水的热量使位于凸轮轴凸轮尖部铸型表面上的涂覆层或压坯发生烧结致密化，最终在凸轮尖部生成的。
扩散过渡层为由在铁的马氏体或马氏体+奥氏体或珠光体基体上均匀分布网状铬的碳化物组合构成，厚度为0.5～1.5mm。
本发明的目的之二是通过在已有方法的工艺步骤的基础上，增加一步预烧结处理工序的技术解决方案达到的，即在压坯制造好后，先经过预烧结处理再固定在铸型表面上。预烧结温度为500～1400℃，并在此温度下保温10～120分钟。
本发明的目的之三则是通过采用溶剂挥发度较高的粘结剂这样一种技术方案来达到的。具体来说是在制造压坯时所用的粘结剂采用醇基有机粘结剂，其加入量为2～7％。由于其中所含的醇类溶剂易挥发，且点火即可烧去，故完全消除了采用水基粘结剂的弊病。不仅如此，对于有机粘结剂，如果压坯进行了预烧结还可使其完全分解碳化，这对于避免气孔是非常有利的。
为了提高粉料的流动性和润滑性，防止压坯产生溃散、裂纹、分层等缺陷，提高压坯强度，在制造压坯时还可加入0.1～1.5％的成型剂。该成型剂可选用硬脂酸锌、聚乙二醇、丁钠橡胶、石蜡中的一种或两种。
此外，由于本发明采用了预烧结工艺，使压坯在铸造过程中容易完成烧结致密化，因此铁水的浇注温度可选择比已有技术低的温度范围，即1400～1550℃，这对降低能耗，减少铁水氧化烧损，提高炉衬寿命都有好处。
本发明与已有技术相比，具有以下优点1．本发明提供的具有铁基表面复合材料层的凸轮轴，由于其凸轮工作表面含有大量高硬度的陶瓷增强相(硬度HV1800～3000)，并且其形态也很好，因此该凸轮既具有陶瓷材料的高耐磨性、耐热性，又保持了钢铁材料的高强度和高韧性，可做到外硬内韧，有十分优良的综合性能，可承受更高的载荷和更严酷的工作环境，特别适用现代高速发动机。
2．由于本发明提供的制造方法增加了预烧结工序，不仅能够保证含较多难熔组分的压坯在铸造过程中完成烧结致密化，完全消除了黑皮、灰点和掉渣等缺陷，而且还能使本发明方法在制造压坯时所采用的醇基有机粘结剂中的醇类溶剂迅速去除，有机粘结剂完全分解碳化，避免了气孔的产生。
3．由于本发明用醇基有机粘结剂替代了原用的水基粘结剂，故粘结剂中的溶剂易于除去，除去时间短，无能耗，且又不会造成烧结层中的孔洞。
4．由于本发明还提出可加入成型剂，故还可以提高粉料的流动性和润滑性，防止压坯产生溃散、裂纹或分层等缺陷，保证了铁基复合材料烧结层的质量。
5．由于本发明浇注温度可大大降低，不仅降低了能耗，减少铁水氧化烧损，而且还提高了炉衬的寿命。
图1为四缸发动机凸轮轴的主视结构示意图；图2为图1中凸轮的A-A剖面结构放大图。
下面结合附图给出本发明凸轮轴的实施例和制造凸轮轴方法的实施例，并对其进行详述。
实施例1如图1、2所示，本实施例的凸轮轴是由轴底1、轴颈2和凸轮3构成，凸轮3尖部的工作表面位于凸轮母体4的外表面，为铁基表面复合材料层5，是由在铁的马氏体或马氏体+奥氏体或珠光体基体上均匀分布WC、VC、TiC、(Cr，Fe)7C3、(Cr，Fe)23C6等碳化物陶瓷或Al2O3、ZrO2等氧化物陶瓷中的一种或两种或两种以上的陶瓷增强相组合构成，厚度为1～4mm。凸轮母体4为球墨铸铁或灰铸铁制成。由于铁基表面复合材料层5是经铸造烧结而成的，故在凸轮母体4与铁基表面复合材料5之间还形成有扩散过渡层6。该扩散过渡层6为由在铁的马氏体或马氏体+奥氏体或珠光体基体上均匀分布网状铬的碳化物组合构成，厚度为0.5～1.5mm。
实施例2～7(1)制造铸型用覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂按常规方法制造凸轮轴的铸型。
(2)制造压坯按表1所列实施例2～7的组合配比，将粒度≤50μm的各种粉料一起置于球磨机中，并加入粉料总重8～20％的无水乙醇；湿混8～48小时，转速60～200转/分。
其中各实施例所加的易熔合金粉各成分的配比对应见于表2。
将混匀的粉料取出烘干，加入粉料总重2～7％的醇基有机粘结剂，混匀后，装入金属模具在液压机上，以100～1000MPa的单位压力压制成厚度为1～4mm的压坯。另外还可在粉料中加入0.1～1.5％的成型剂。成型剂可为硬脂酸锌、聚乙二醇、丁钠橡胶、石蜡中的一种或两种。
(3)预烧结处理将压坯在真空烧结炉中进行预烧结处理，各实施例预烧结处理的温度和保温时间分别为实施例21300℃20～60分实施例31400℃10～60分实施例4 600℃40～80分实施例5 800℃30～70分实施例6 700℃40～80分实施例7 500℃ 50～120分(4)压坯固定将冷却后的压坯用1粘结剂或钢丝固定在铸型表面。如果用粘结剂固定，粘结剂可为502胶水、PVA水溶液、水玻璃等中的任一种。
(5)熔炼铁水将相应炉料在感应电炉中按常规方法熔炼铁水，并进行相应的处理。
(6)浇注和烧结将高温铁水浇入铸型，浇注温度为1400～1550℃，并利用铁水热量完成压坯的烧结致密化，以在凸轮尖部上形成铁基表面复合材料层。
实施例8～9本实施例制作压坯的成分按表1和2所列实施例8～9的组分配比，且制造工序除预烧结处理工序外，同前，略。不同的是本实施例的压坯都不经过预烧结处理，但都需要点火烧去压坯中的醇基溶剂。
实施例10本实施例的制造工序除无制造压坯、预烧结处理或不处理、压坯的固定工序外，其余同前，略。本实施例制作压坯的粉料配方同实施例8，并在粉料中加入占粉料总重6～8％的醇基有机粘结剂调成膏状，直接涂覆在铸型凸轮的相应表面，然后点火烧去涂覆层中的醇基溶剂即可。
本发明不局限于以上实施例。
表1 表2
权利要求
1．一种铁基表面复合材料凸轮轴，由轴底(1)、轴颈(2)和凸轮(3)构成，其特征在于凸轮母体(4)为球墨铸铁或灰铸铁，凸轮(3)的工作表面为铁基表面复合材料层(5)，且在凸轮母体(4)和铁基表面复合材料层(5)之间还有扩散过渡层(6)。
2．根据权利要求1所述的铁基表面复合材料凸轮轴，其特征在于凸轮铁基表面复合材料层(5)的厚度为1～4mm，扩散过渡层(6)的厚度为0.5～1.5mm。
3．根据权利要求1或2所述的铁基表面复合材料凸轮轴，其特征在于凸轮铁基表面复合材料层(5)为由在铁的马氏体或马氏体+奥氏体或珠光体基体上均匀分布WC、VC、TiC、(Cr，Fe)7C3、(Cr，Fe)23C6等碳化物陶瓷或Al2O3、ZrO2等氧化物陶瓷中的一种或两种或两种以上的陶瓷增强相组合构成。
4．根据权利要求1或2所述的铁基表面复合材料凸轮轴，其特征在于凸轮(3)中的扩散过渡层(6)为由在铁的马氏体或马氏体+奥氏体或珠光体基体上均匀分布网状铬的碳化物组合构成。
5．一种制造铁基表面复合材料凸轮轴的方法，其工艺步骤有制造铸型、制造压坯、压坯固定、熔炼铁水、浇注和烧结，其特征在于压坯制造好后，需先经过预烧结处理再固定在铸型上，预烧结温度为500～1400℃，并在此温度下保温10～120分钟。
6．根据权利要求5所述的制造铁基表面复合材料凸轮轴的方法，其特征在于在制造压坯时所用的粘结剂为醇基有机粘结剂，其加入量为2～7％。
7．根据权利要求5或6所述的制造铁基表面复合材料凸轮轴的方法，其特征在于制造压坯时还加入了0.1～1.5％的成型剂。
8．根据权利要求7所述的制造铁基表面复合材料凸轮轴的方法，其特征在于所用的成型剂为硬脂酸锌、聚乙二醇、丁钠橡胶、石蜡中的一种或两种。
9．根据权利要求5或6或8所述的制造铁基表面复合材料凸轮轴的方法，其特征在于浇注温度为1400～1550℃。
全文摘要
本发明提供的具有铁基表面复合材料层的凸轮轴,其凸轮母体为高强度灰铸铁或球墨铸铁,尖部工作表面的铁基复合材料层为由在铁的基体上均匀分布的碳化物或氧化物陶瓷增强相组合构成,在二者之间还有在铸造烧结过程中形成的扩散过渡层。其制造方法是将相应的粉料制成压坯,并经预烧结处理后固定或直接将粉料涂覆在铸型表面,浇入高温铁水,烧结、冷却而成。该凸轮轴耐磨性高,综合性能好,且制造工序少,周期短,成本低。
文档编号F16C3/22GK1297797SQ0011318
公开日2001年6月6日 申请日期2000年9月14日 优先权日2000年9月14日
发明者王一三, 杨屹, 李功伟, 倪翔华, 戴红星, 冯可芹, 蒋玉明 申请人:四川大学, 江苏仪征凸轮轴厂