发动机挺柱及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种发动机挺柱，发动机挺柱内腔表面具有碳化物涂层，发动机挺柱基体为碳钢，并提供一种上述发动机挺柱的制备方法，先将外碳源固定在发动机挺柱芯模外壁，然后将钨板卷绕，并紧贴在奥氏体不锈钢发动机挺柱芯模外壁的石墨纸，随后将碳钢基体钢液浇铸砂型内，铸态的发动机挺柱经过热处理后炉冷至室温，发动机挺柱内腔表面形成碳化物涂层，而发动机挺柱基体仍为碳钢基体，所述碳化物涂层，包括准单晶WC陶瓷层，还可进一步包括微米WC致密陶瓷层及WC与基体的融合层。碳化物涂层与基体之间为冶金结合，结合力很强，克服了现有硬质颗粒与金属基体间结合力很弱，颗粒容易脱落的问题，大幅度提高了发动机挺柱工作表面的耐磨性能。

【技术实现步骤摘要】
发动机挺柱及其制备方法
本专利技术涉及一种具有耐磨涂层复合发动机挺柱及其制备方法，尤其涉及一种具有耐磨碳化物涂层的复合发动机挺柱及其制备方法，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挺柱及其制备方法。
技术介绍
挺柱是广泛应用于汽车、工程机械、拖拉机等发动机心脏部件中配气机构的主要组成部分。挺柱的一端与凸轮接触，另一端与气门接触，它的作用是将凸轮的推力传给气门。由于发动机的高速运转以及凸轮轴的冲击和磨损，要求挺柱的底面(与凸轮轴的接触面)具有高硬度、高耐磨性。随着汽车发动机不断向高速、高功率方向发展，不可避免地要增加配气机构的弹簧力和接触面的滑动速度，因而使凸轮-挺柱之间的润滑条件变得更加苛刻，所以延长凸轮-挺柱使用寿命已成为研制发动机的重要课题之一。凸轮-挺柱这一对摩擦副损坏形态大致可分为：擦伤、麻点和磨损。凸轮-挺柱是内燃机中三对主要的摩擦副之一，工作条件恶劣，问题很多。之前国内多数采用冷激铸铁挺柱，但寿命极端。当然影响寿命的因素是多方面的，如结构设计、润滑条件、加工精度和日常维护等，但材料的选择和改善是不可忽视的一个重要方面。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，以涂层方式覆盖在金属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：(1)碳化钨具有高强度、高硬度及高模量；(2)WC韧性好、抗冲击载荷及抗磨性好，与基体结合具有较好的抗界面腐蚀能力，而且它与钢铁润湿性好，二者之间的润湿角为零；(3)其次，我国是钨的富产国，所以选择WC作为增强相在技术、经济和社会效益上都十分合适。因此，WC涂层被广泛地用作无屑冷热金属加工工具、切削刀具、各种模具、耐磨耐热耐蚀零件表面等。目前金属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。因此如何在发动机挺柱工作表面获得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。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本专利技术的目的在于提供一种复合发动机挺柱，其挺柱内腔表面具有一种耐磨涂层，而柱体仍为碳钢基体，该耐磨涂层为WC致密陶瓷层，其化学稳定性和耐磨性好，具有低摩擦系数、高硬度、低表面能以及低传热性；并且进一步地，提供一种用于获得上述复合发动机挺柱的制备方法。进一步地，本专利技术还提供一种复合发动机挺柱，其挺柱内腔表面具有一种梯度复合涂层，所述梯度复合涂层为碳化物涂层，其优选被涂覆于挺柱内腔表面，以提高其表面的耐磨性和断裂韧性，特别是碳钢挺柱内腔表面，并且提供一种用于获得上述涂层的制备方法。所述发动机挺柱，在其内腔表面具有耐磨涂层。该涂层有利保证发动机挺柱工作表面具有很高的硬度和很好的耐磨性，而挺柱基体内部具有很好的韧性。为实现本专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种内腔表面具有耐磨涂层的发动机挺柱，该耐磨涂层为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。更优选地，沿WC致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为50-180μm，优选为100-180μm，；优选地，其中WC的体积分数大于80％，优选大于85％；优选地，粒径为10-50μm，优选为20-50μm。此外，本专利技术还提供一种内腔表面具有梯度复合涂层的发动机挺柱，所述梯度复合涂层为碳化物涂层，包括依次呈梯度分布的WC致密陶瓷层、微米WC陶瓷层、WC与基体的融合层。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。更优选地，沿WC致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为50-180μm，优选为100-180μm，优选地，其中WC的体积分数大于80％，优选大于85％；优选地，粒径为10-50μm，优选为20-50μm。进一步的，沿微米WC陶瓷层纵向剖面，其厚度为70-180μm，优选为130-180μm；其中WC的体积分数大于75％，优选大于80％，其粒径为5-30μm，优选为6-25μm。更进一步，所述碳化物涂层，还包括位于上述WC致密陶瓷层以及微米WC陶瓷层之下的WC与基体的融合层，沿涂层纵向剖面，其厚度为60-300μm，优选为100-300μm；其中WC的体积分数为40-80％，优选为60-80％，其粒径为1-20μm，优选为5-10μm。优选地，梯度复合涂层总厚度为180-660μm；优选在330-660μm。所述基体优选为碳钢，碳钢基体组织为珠光体、马氏体、铁素体、贝氏体、奥氏体和索氏体中的一种或几种。更优选地，发动机挺柱基体组织根据热处理方式不同可分为珠光体、马氏体、铁素体、贝氏体、奥氏体和索氏体中的一种或几种；优选地，该梯度复合涂层被施加于碳钢表面。本专利技术提供一种内腔表面具有耐磨涂层的发动机挺柱的制备方法，包括如下步骤：1)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；2)按照发动机挺柱尺寸，用聚苯乙烯泡沫塑料制作发动机挺柱消失模。3)按照发动机挺柱尺寸，制作砂型；优选地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂制作砂型；根据发动机挺柱的工作受力状况，其主要磨损的部位是发动机挺柱的内腔表面，据此在砂型内发动机挺柱芯模外壁表面固定石墨纸，然后将钨板卷绕并紧贴在奥氏体不锈钢发动机挺柱芯模的石墨纸上，使其与石墨纸紧密结合；4)将碳钢基材冶炼为钢液；5)采用消失模真空吸铸工艺，将上述钢液浇入放置有石墨纸和钨板的发动机挺柱芯模的砂型内，待钢液冷却凝固后，取出铸件，清砂处理，获得发动机挺柱基体为碳钢，发动机挺柱内腔工作表面为与钨板的复合体；优选地，浇注温度控制在1610℃-1630℃，更优选地，浇注时间40-50秒为宜，进一步优选地，一分钟后，在冒口补浇；优选地，室温冷却；6)将浇铸完得到的发动机挺柱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，从而在挺柱内表面形成耐磨涂层，而挺住基体仍为碳钢基体。其中，耐磨涂层为WC致密陶瓷层。优选地，通过控制保温时间、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。本专利技术还提供一种内腔表面具有梯度复合涂层的发动机挺柱的制备方法，包括如下步骤：1)先准备一钨板，优选地，其中钨的纯度应控制在99.7-99.9％，优选地，所述钨板先被加以表面处理；2)按照发动机挺柱尺寸，用聚苯乙烯泡沫塑料制作发动机挺柱消失模。3)按照发动机挺柱尺寸，制作砂型；优选地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂制作砂型；根据发动机挺柱的工作受力状况，其主要磨损的部位是发动机挺柱的内腔表面，据此在砂型内发动机挺柱芯模外壁表面固定石墨纸，然本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发动机挺柱，在其工作面具有耐磨涂层，其特征在于：所述耐磨涂层为WC致密陶瓷层。

【技术特征摘要】
1.一种发动机挺柱，在其工作面具有耐磨涂层，其特征在于：所述耐磨涂层为WC致密陶瓷层，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，沿WC致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为50-180μm，WC的体积分数大于80％，WC致密陶瓷层粒径为10-50μm。2.一种发动机挺柱，在其挺柱内腔表面具有梯度复合涂层，其特征在于：所述梯度复合涂层为碳化物涂层，包括依次呈梯度分布的WC致密陶瓷层、微米WC陶瓷层、WC与基体的融合层，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，沿WC致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为50-180μm，WC的体积分数大于80％，WC致密陶瓷层粒径为10-50μm。3.如权利要求2所述的发动机挺柱，其特征在于：沿微米WC陶瓷层纵向剖面，其厚度为70-180μm，WC的体积分数大于75％，WC的粒径为5-30μm。4.如权利要求2所述的发动机挺柱，其特征在于：沿WC与基体的融合层的纵向剖面，其厚度为60μm-300μm，其中WC的体积分数为40％-80％，该融合层层中，WC的粒径为1-20μm。5.如权利要求2所述的发动机挺柱，其特征在于：梯度复合层总厚度为180-660μm。6.如权利要求3～5之一所述的发动机挺柱，其特征在于：组织根据热处理不同为珠光体、马氏体、铁素体、贝氏体、奥氏体和索氏体中的一种或几种；该梯度复合涂层被施加于碳钢表面。7.一种如权利要求1所述发动机挺柱的制备方法，其特征在于内腔表面具有耐磨涂层，包括如下步骤：1)先准备一钨板，其中钨的纯度应控制在99.7-99.99％，所述钨板先被加以表面处理；2)按照发动机挺柱尺寸，用聚苯乙烯泡沫塑料制作发动机挺柱消失模；3)按照发动机挺柱尺寸制作砂型，根据发动机挺柱的工作受力状况，其主要磨损的部位是发动机挺柱的内腔表面，据此在砂型内发动机挺柱芯模外壁表面固定石墨纸，然后将钨板卷绕并紧贴在奥氏体不锈钢发动机挺柱芯模的石墨纸上，使其与石墨纸紧密结合；用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂制作砂型；4)将碳钢基材冶炼为钢液，温度控制在1610℃-1630℃；5)将上述钢液浇入放置有石墨纸和钨板的发动机挺柱芯模的砂型内，待钢液冷却凝固后，取出铸件，清砂处理，获得发动机挺柱基体为碳钢，工作表面为与钨板的复合体；采用消失模真空吸铸工艺，将上述钢液浇入放置有石墨纸和钨板的发动机挺柱芯模的砂型内；浇注温度控制在1610℃-1630℃，浇注时间为40-50秒，一分钟后，在冒口补浇；室温冷却；6)将浇铸完得到的发动机挺柱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，从而在挺柱内表面形成耐磨涂层，而挺柱基体仍为碳钢基体；其中，耐磨涂层为WC致密陶瓷层。8.如权利要求7所述的发动机挺柱的制备方法，其特征在于：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；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。9.一种如权利要求4～6之一所述发动机挺柱的制备方法，其特征在于，其内腔表面具有梯度复合涂层，包括如下步骤：1)先准备一钨板，其中钨的纯度应控制在99.7-99.99％，所述钨板的厚度控制在0.2-3mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：许云华，赵娜娜，卢正欣，钟黎声，梁淑华，燕映霖，叶芳霞，任冰，邹军涛，肖鹏，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61