摘要：通過對摩托車活塞環(huán)的激光表面處理試驗研究，發(fā)現(xiàn)激光處理的活塞環(huán)硬化層厚度和硬度與鍍鉻環(huán)相當，避免了鍍鉻環(huán)鍍層剝離的缺點。同時，就激光處理工藝和替代鍍鉻環(huán)的可能性作了一定的闡述。 關(guān)鍵詞：激光表面處理；活塞環(huán)；摩托車 1 前 言 隨著人們生活水平的提高，摩托車在國內(nèi)的銷售和使用正以成倍的速度增長，國產(chǎn)125型摩托車活塞環(huán)通常采用三道組合環(huán)，一、二道環(huán)和汽缸組成摩擦匹配副，第三道是組合油環(huán)。使用過程中，一、二道環(huán)最易磨損，磨損后導致發(fā)動機性能大大下降，出現(xiàn)氣密性差、拉缸、發(fā)動機無力等現(xiàn)象。目前活塞環(huán)通常采用磷化、鍍硬鉻、氮化和復合分散鍍層等手段提高其耐磨性[1]。然而，使用中仍然存在一些問題，如鍍鉻環(huán)易產(chǎn)生鍍層剝落、磷化環(huán)不夠耐磨、氮化環(huán)成本高等。 由于激光表面處理具有加工過程簡單快速、變形? ⑿矢摺⑽扌枵嬋眨患す獯肀礱娌愫突褰岷俠喂蹋薇礱姘湎窒蟮卻嘲旆ㄎ薹ㄌ媧撓諾悖殼耙丫徊糠值撓τ玫焦ひ瞪校⒉己玫男б媯縉蹈滋椎募す獗礱媧淼萚2]，同時也開始應(yīng)用于摩托車汽缸內(nèi)壁的表面處理。為此，結(jié)合生產(chǎn)企業(yè)，對125型摩托車活塞環(huán)進行了大量的激光處理工藝試驗，試圖采用激光加工這一高新技術(shù)解決摩托車活塞環(huán)的壽命問題。通過對摩托車零部件一系列工藝試驗表明，經(jīng)過激光處理的活塞環(huán)有較好的應(yīng)用潛力，從而揭示了應(yīng)用激光表面處理技術(shù)來提高摩托車質(zhì)量所能發(fā)揮的巨大潛力。 2 試驗條件 用5kWCO2橫流激光加工機對125系列摩托車第一、二道活塞環(huán)進行激光表面處理。分別采用光斑直徑為φ3.5和帶寬為10mm的寬帶激光束掃描，一次完成8～9個環(huán)的處理，掃描速度：10～20mm/s。活塞環(huán)材料為球鐵，成分是： 3.5～4.2%C，2.2～3.4%Si，0.2～0.8%Mn，0.5～1.0%Cu，0.5～1.0%Mo，≤0.5%Cr，≤0.2%P，≤0.5%S，處理前表面為磷化狀態(tài)。顯微硬度測量條件：0.2kg、15s。激光處理裝置，如圖1所示。 圖1激光處理活塞環(huán)裝置3 活塞環(huán)的激光表面處理與微觀分析 3.1激光處理對組織與顯微硬度影響 對125系磷化環(huán)的激光處理后，進行金相分析，如圖2(a)所示。激光處理硬化表層是基體的延伸，組織為隱針狀馬氏體和石墨球，石墨球數(shù)量比基體少，說明有部分石墨球已熔化，基體組織為細珠光體和石墨球，硬度HV355，激光處理硬化層硬度為HV821，高于基體2.3倍。 (a)激光處理環(huán)(H-03)140× (b)鍍鉻環(huán)140× 硬化層厚：0.25mm硬度：HV821鍍鉻層厚：0.14mm硬度：HV810 圖2激光處理環(huán)與鍍鉻環(huán)微觀觀察3.2 與鍍鉻環(huán)對比 如圖2(b)所示，鍍鉻環(huán)鍍鉻層硬度略低于激光處理環(huán)，鍍鉻層中有沿外表面伸展的顯微裂紋，電鍍層和基體有明顯的界面。由于電鍍工藝和清洗等因素，易產(chǎn)生鍍鉻層龜裂、脫鉻、鉻瘤等缺陷，因此影響了鍍鉻環(huán)的使用壽命。從這一角度出發(fā)，激光處理環(huán)就不存在這樣的缺點，無論從表層硬度和結(jié)合強度上都比鍍鉻環(huán)好。 3.3 分析討論 3.3.1 激光處理工藝對活塞環(huán)精度影響 激光束能量密度愈高，磷化環(huán)對激光的吸收愈大，引起表面熔化或過燒，破壞表面光潔度，同時由于活塞環(huán)本身體積和剛度小，變形程度增加，尤其是影響了活塞環(huán)的彈性和圓度，在漏光檢驗時不合格而報廢。如表1所示，當激光處理輸出功率較大或轉(zhuǎn)速較小的情況下，活塞環(huán)表面熔化甚至過熔，使得變形增加，在表面出現(xiàn)氣孔和顯微裂紋，嚴重影響表面光潔度，漏光檢驗多為不合格。只有當參數(shù)控制適中，表面微熔或不熔時，變形較小，表面光潔度影響不大，但從硬化層厚度和硬度分布看，表面微熔較好。表1 工藝參數(shù)對活塞環(huán)變形及表面的影響 對于不采取特殊裝置進行單個活塞環(huán)的處理，變形很難得到控制，其變形量都達不到要求。因此，激光處理時應(yīng)嚴格控制工藝參數(shù)，如激光輸出功率和掃描速度等，處理時使活塞環(huán)表面不過熔，同時采用多個活塞環(huán)套在芯棒上并夾緊后，用寬帶激光束掃描，可有效的提高效率，增加傳熱效果，減小變形。只有在這種情況下，激光處理后的活塞環(huán)精度才能不受大的影響。當激光能量密度過大，使活塞環(huán)表面熔化或過熔時，嚴重影響表面光潔度的同時，微觀檢測顯示，表面層就會有顯微裂紋和氣孔出現(xiàn)。 3.3.2 激光處理環(huán)替代鍍鉻環(huán)的可能性 鍍鉻環(huán)的鍍層與基體的結(jié)合強度隨生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性而變化，鍍鉻層龜裂、脫鉻、鉻瘤等缺陷在生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)生，在使用中，同一個環(huán)只要有一處有裂紋或剝離，就會產(chǎn)生拉缸而嚴重影響發(fā)動機性能。 激光處理時，從技術(shù)上看，通過采取一定的措施，變形可以得到控制，同時由于實行寬帶掃描，4～8s鐘內(nèi)可完成9～20個活塞環(huán)的處理，所以處理的效率較高；若進行專業(yè)化生產(chǎn)，采用激光連續(xù)掃描，效率會更高。處理一圈的時間決定于激光輸出功率和活塞環(huán)表面對激光的吸收率，由于采用磷化處理，活塞環(huán)對激光的吸收率大為提高，所以在活塞環(huán)表面微熔或不熔化的情況下，照樣有一定的硬化層，激光處理的活塞環(huán)不存在剝離問題。由此可見，用激光處理活塞環(huán)替代目前的鍍鉻環(huán)已成為可能。 雖然這樣，要投入實際使用仍需要進一步研究解決，為了獲得較厚的硬化層，最好激光處理后的活塞環(huán)處于表面微熔狀態(tài)，這樣將對表面光潔度有一定的影響；激光處理對活塞環(huán)彈性影響等。 4 結(jié)論 (1)激光處理的活塞環(huán)硬化層硬度和厚度可以達到或超過鍍鉻環(huán)，硬化層是基體的延伸，避免了鍍鉻環(huán)鉻層剝離和裂紋缺陷的產(chǎn)生。 (2)激光處理對活塞環(huán)的精度有一定影響。通過對激光處理工藝參數(shù)控制、表面磷化預處理以及特殊激光處理裝置，可提高效率，降低對精度的影響程度，從而，使激光處理活塞環(huán)替代鍍鉻環(huán)成為可能。 作者簡介： 姚建華(1965-)，男，浙江余杭人，副教授，碩士學位。主要從事激光加工領(lǐng)域的研究和教學工作。 參考文獻 1谷明.活塞環(huán)的構(gòu)造、材料及其發(fā)展動向.摩托車，1996,(6)：25～26. 2王家金.激光加工技術(shù).北京：中國計量出版社，1992，4～6.