大型柴油机活塞顶环槽的激光热处理

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大型柴油机活塞顶环槽的激光热处理

　经激光处理的缸径为400 mm的大型柴油机活塞顶环槽，表面硬度可达HV750，硬化层深度为0.59 mm。硬化层组织为超细化马氏体和残余奥氏体，与基体之间有良好组织结构的过渡层。实际运行结果表明，经激光热处理的活塞顶环槽的耐磨性大为提高，性能不低于进口件。该工艺已应用到批量生产中，产生了显著的社会效益和经济效益。
　　

表1　40CrNiMoA化学成分



C Cr Ni Mo Si Mn P S
0.38 0.721 1.26 0.188 0.228 0.597 0.0148 0.0119


　　活塞顶环槽激光热处理示意图见图1。采用HGL-89型2 kW横流电激励连续CO2激光器，加工系统为数控可倾斜旋转工作台。



图1　环槽激光热处理示意图
1.激光束　2.反射镜　3.聚焦透镜　4.活塞顶　5.硬化层

　　为了提高环槽表面对CO2激光的吸收率，采用上海光学精密机械研究所研制的黑色有机涂料为吸光涂料。
　　合理选取激光热处理的工艺参数可以得到最佳的硬化深度、最好的硬化效果，经过实验和分析，确定活塞顶环槽激光热处理的工艺参数。
　　采用D/max-rc阳极转靶X射线衍射仪对淬火层进行相分析，用S-550型扫描电镜分析淬火层的组织结构，用Shimazu显微硬度计测量淬火层的硬度。
　　
2　结果与讨论
　　活塞顶环槽磨损后呈梯形或出现磨台，即出现“喇叭口”现象，见图2。因此，在激光热处理时往往希望淬火层比较靠近环槽外部，






图2　活塞顶环槽的磨损形式

而且环槽外部尖角处也存在一定厚度的淬硬层。本文选用合适的激光热处理参数对缸径为400 mm的柴油机活塞顶环槽进行了强化处理，在每个环槽表面可得到宽5.48 mm、深0.59 mm的两道淬火带。图3表示了靠近环槽外部尖角处的淬火处理区的全貌。由图3可见，由于工艺参数选择合适，环槽外部尖角处存在一定厚度的淬硬层，同时尖角没有被烧塌。




图3　淬火处理区全貌

　　激光热处理后，环槽表面除出现淬火区外，淬火区和基体之间还出现了过渡区。X射线相分析结果表明，淬火层由马氏体和残余奥氏体组成。图4a、图4b分别为激光淬火区和过渡区金相组织的扫描电镜照片。图5表示了激光淬火和原高频淬火工艺得到的淬硬层的硬度梯度。由图5可知，激光淬火层的硬度比高频淬火提高了近100HV0.1，淬硬层表面硬度可达750HV0.1，这是在激光的快速加热和随后的快速冷却过程中，奥氏体晶粒得到了细化；马氏体中碳及合金元素的大量溶入造成了静畸变强化；残留奥氏体中碳及合金元素的固溶带来的相对强化等因素综合作用的结果。




图4　激光处理区的金相组织扫描电镜照片
(a)淬火区　(b)过渡区




图5　淬硬层的硬度梯度
1.激光淬火　2.高频淬火

　　从以上各图可以看出，处理区的组织特征和硬化曲线的变化趋势是对应的，即环槽整体具有很好的韧性，不易脆裂，而表面具有足够厚的高硬化层，可以提高耐磨性。

表2　缸径为400 mm的柴油机活塞顶运行实测结果


3　实际应用
　　缸径为400 mm的大型柴油机活塞顶进口件的材料为42CrMo，环槽表面采用高频淬火方法进行强化。在实际使用数千小时后，三道环槽的磨损量较大，呈现比较明显的“喇叭口”现象。作为对比，激光处理的缸径为400 mm的柴油机活塞顶在珠海华电前山柴油机发电厂实际装机运行2 500 h和5 000 h时，进行了抽检。用三坐标测量机测量了活塞顶三道环槽的实际尺寸，其结果见表2。可见，环槽磨损情况良好，未见明显“喇叭口”现象出现，磨损量远远低于经高频淬火的环槽的磨损量。

活塞顶
编号 槽宽(mm) 运行
时间
(h) 实测
结果
(mm) 磨损量
(mm)
槽位 出厂状况
　 第一道 8.20+0.030 2500 8.2447 约0.015
2010 第二道 8.17+0.030 2500 8.2025 ＜0.01
　 第三道 8.17+0.030 2500 8.2020 ＜0.01
　 第一道 8.20+0.030 5000 8.24～8.26 0.01～0.03
2009 第二道 8.17+0.030 5000 8.185 ＜0.02
　 第三道 8.17+0.030 5000 8.185 ＜0.02


　　目前，该批活塞顶已经正常运行近万小时，性能不低于进口产品。

4　经济效益与社会效益
　　大型柴油机活塞顶环槽的激光热处理工艺已在南海中南动力机械有限公司应用到批量生产中，产生了显著的社会效益和经济效益。
　　(1)直接经济效益　现已销售给柴油机发电厂缸径为400 mm的柴油机活塞顶36件，直接创造产值90万元，利润近50万元。目前，仍有100多件该型号和其它型号(如缸径为580 mm)的活塞顶在现场生产，完工后将会给该公司带来更大的经济效益。
　　(2)社会效益　缸径为400 mm的柴油机活塞顶的进口价格为9万元人民币，而从该公司购买一件的价格只有2.5万元人民币。仅以珠海华电前山柴油机发电厂为例，它更换一台机的活塞顶需购买该公司16件活塞顶，由此可节省费用104万元。目前，广东地区柴油发电行业拥有缸径为400 mm的柴油机54台，其它型号的大型柴油机近450台，由此可知，社会效益是巨大的。
单位：%　　大型柴油机活塞顶是柴油机的关键零件之一，在柴油机发电厂有着广泛的应用。它在使用过程中会出现复杂的摩擦磨损过程，因此，柴油机的工作可靠性与使用耐久性，在很大程度上与活塞顶环槽的磨损情况有关。如何提高活塞顶环槽的耐磨性一直是人们关注并深入研究的问题［1］。
　　激光热处理是近年新兴的材料表面处理技术，具有常规表面处理方法无法比拟的优点［2，3］，我们采用激光热处理对大型柴油机活塞顶环槽进行强化处理，使其耐磨性大为提高，性能不低于进口件，取得了显著的社会效益和经济效益。

1　实验
　　缸径为400 mm的大型柴油机活塞顶所用材料为40CrNiMoA钢(化学成分见表1)，基体调质，硬度为32～37HRC，金相组织为回火索氏体。