发动机凸轮及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种发动机凸轮，其工作部位的表面具有一种碳化物涂层，并且提供一种用于获得上述发动机凸轮的制备方法。所述发动机凸轮，在其表面工作部位具有碳化物涂层。所述准单晶WC致密陶瓷层、微米WC陶瓷层及WC与基体的融合层由外向内依次呈梯度分布，其被施加于碳钢表面。可被施加于碳钢表面。本发明专利技术通过铸造得到的基体与钨复合体，外引入外碳源，并加热、保温，从而在基体表面形成碳化物涂层，所述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碳钢基体间非冶金结合，结合力很弱，颗粒容易脱落的问题，大幅度提高了发动机凸轮工作表面的耐磨性能。

【技术实现步骤摘要】
发动机凸轮及其制备方法
本专利技术涉及一种具有耐磨涂层复合发动机凸轮及其制备方法，尤其涉及一种具有耐磨碳化物涂层的复合发动机凸轮及其制备方法，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凸轮及其制备方法。
技术介绍
凸轮是汽车发动机的关键零部件之一，不仅承受着一定的载荷，而且经受着长时间的磨损，其性能好坏直接影响着汽车的质量和寿命。凸轮是凸轮轴上重要的一部分，凸轮轴主要由凸轮、支承轴颈、轴颈等几部分组成，用以控制气门按一定的工作次序和配气相位及时开闭，并保证气门有足够的升程，对整个配气系统的性能具有决定性作用。其工作时，凸轮表面和挺杆之间有很高的周期性接触应力和较快的相对滑动速度，并且在机械运动过程中产生高温，致使凸轮经常以凸轮表面出现擦伤、点蚀、磨损、边缘龟裂及剥落等形式失效，因此要求凸轮材料具有较好的刚性和抗疲劳强度以及良好的耐磨性能。目前，国内外生产凸轮的材料主要有锻钢和铸铁两种。以前，轿车发动机多采用锻钢凸轮。近年来，为了降低生产成本、改善加工性能，轿车发动机凸轮的生产开始采用各种铸铁材料。同时，由凸轮的工作条件可知，其主要磨损是由凸轮表面和挺杆之间的摩擦产生的，对凸轮部分的硬度和耐磨性能要求很高。因此，在当前国内外轿车凸轮生产中，铸铁已经成为广泛应用的材料。其次凸轮的铸造工艺和表面强化亦是制备过程中必须考究的问题。凸轮工作时，不仅经受长时间的磨损，同时凸轮作为轴类零件，承受着一定的载荷，其表面常处于最大应力状态，并且介质环境复杂。因此，零件的失效和破坏也大多发生在表面或从表面开始，如在零件表层引入一定的残余压应力，增加表面硬度，改善表层组织等，就能显著地提高零件的疲劳强度和耐磨性。表面强化工艺可在保证零件整体塑、韧性的同时有效提高表层耐磨性和抗疲劳强度，有时还能提高耐腐蚀性能，已在凸轮、曲轴、传动齿轮等制造领域获得广泛应用。目前，在凸轮生产中，经常使用的表面强化工艺主要有淬火工艺和重熔工艺，此外，还有液体氮化工艺等。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，以涂层方式覆盖在碳钢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)具备密度低、强度高、弹性模量高、耐磨、耐腐蚀、抗氧化等优异的综合性能；(2)其颗粒一般呈圆球状，其晶格结构为面心立方结构，具有很高的热稳定性和硬度；(3)便于切削加工、焊接、锻造，并且加工过程热变形小，且具有普通熔炼钢的冷热加工性能。因此，WC涂层被广泛地用作无屑冷热碳钢加工工具、切削刀具、各种模具、耐磨耐热耐蚀零件表面等。目前碳钢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。因此如何在发动机凸轮工作表面获得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发动机凸轮，在其凸轮工作部位的表面具有一种耐磨涂层，该涂层有利保证凸轮表面具有很高的硬度和很好的耐磨性和断裂韧性，而凸轮基体内部具有很好的韧性；并且提供一种用于获得上述发动机凸轮的制备方法。进一步的，本专利技术还提供一种发动机凸轮，其工作部位的表面具有一种梯度符合涂层，其优选被涂覆于发动机凸轮工作部位的基体表面，以提高其表面的耐磨性和断裂韧性，并且提供一种用于获得上述涂层的制备方法。所述发动机凸轮，在其工作部位具有耐磨涂层，该涂层有利保证发动机凸轮表面具有很高的硬度和很好的耐磨性，而凸轮本身具有很好的韧性。为实现本专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种发动机凸轮，在其工作面具有耐磨涂层，其特征在于：所述耐磨碳化物涂层为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，WC的体积分数大于80％，优选大于85％；WC致密陶瓷层粒径为10-50μm，优选为20-50μm，沿涂层，。此外，本专利技术还提供一种发动机凸轮，在其工作面具有梯度复合涂层，所述梯度复合涂层为碳化物涂层，包括准单晶相WC致密陶瓷层、微米WC陶瓷层以及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，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的组织。准单晶相介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，准单晶相的晶界明显减少，位错密度低，有较多亚晶界，因此硬度有明显提升；而较之单晶相，其对制备方式要求更低，且组织更为稳定。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；其中WC的体积分数大于80％，优选大于85％；粒径为10-50μm，优选为20-50μm。进一步优选地，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，沿WC与基体的融合层纵向剖面，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。更进一步的，对于具有上述三种涂层的复合的碳化物涂层而言，所述涂层由外向内依次成梯度分布，其总厚度为180-660μm；优选为330-660μm。所述发动机凸轮以碳钢为基体，所选碳钢基体为低碳钢、中碳钢和高碳钢，优选为：Q275A、Q255AF、45钢、T12A、T8、ZG270-450等，见国家标准GB221-79。基体组织根据热处理方式的不同为珠光体、马氏体、铁素体、贝氏体、奥氏体和索氏体中的一种或几种。本专利技术提供一种发动机凸轮的制备方法，其工作表面具有耐磨涂层，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)按照凸轮尺寸，用聚苯乙烯泡沫塑料制作凸轮消失模，根据凸轮的工作受力状况，其主要磨损是凸轮表面与挺杆底面之间强烈的摩擦，据此在凸轮消失模工作表面固定钨板，然后在钨板表面固定外部碳源，使其与钨板紧密结合；所述碳源为三级以上的石墨纸，纯度99％，厚度为0.1-0.35mm，。3)按照凸轮尺寸，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。4)将碳钢基材冶炼为钢液，优选的，温度控制在1610℃-1630℃。5)采用消失模真空吸铸工艺，将上述钢液浇入放置有凸轮消失模、钨板和碳源的砂型内，待钢液冷却凝固后，取出铸件，清砂处理，获得凸轮基体为碳钢，凸轮工作表面为碳钢与钨板的复合体；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)将浇铸本文档来自技高网...

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

【技术特征摘要】
1.一种发动机凸轮，在其工作面具有耐磨涂层，其特征在于：所述耐磨碳化物涂层为WC致密陶瓷层，其中，所述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.如权利要求1所述的发动机凸轮，其特征在于：沿WC致密陶瓷层纵向剖面，其所述厚度为100-180μm；所述WC的体积分数大于85％；所述WC致密陶瓷层粒径为20-50μm。3.一种发动机凸轮，在其工作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与碳钢基体的融合层，其中，所述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；其中WC的体积分数大于80％；WC粒径为10-50μm。4.如权利要求3所述的发动机凸轮，其特征在于：沿WC致密陶瓷层纵向剖面，其所述厚度为100-180μm；所述WC的体积分数大于85％；所述WC粒径为20-50μm。5.如权利要求3-4之一所述的发动机凸轮，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。6.如权利要求5所述的发动机凸轮，其特征在于：沿微米WC陶瓷层纵向剖面，其所述厚度为130-180μm；所述WC的体积分数大于80％；所述WC的粒径为6-25μm。7.如权利要求3-4，6之一所述的发动机凸轮，其特征在于：沿WC与钢基体的融合层纵向剖面，其厚度为60μm-300μm，其中WC的体积分数为40％-80％，WC的粒径为1-20μm。8.如权利要求7所述的发动机凸轮，其特征在于：沿WC与钢基体的融合层纵向剖面，其所述厚度100-300μm，所述WC的体积分数为60％-80％，所述WC的粒径为5-10μm。9.如权利要求3-4，6，8之一所述的发动机凸轮，其特征在于：梯度复合涂层总厚度为180-660μm。10.如权利要求9所述的发动机凸轮，其特征在于：所述梯度复合涂层总厚度330-660μm。11.如权利要求3-4，6，8，10之一所述的发动机凸轮，其特征在于：基体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。12.如权利要求11所述的发动机凸轮，其特征在于：该梯度复合涂层被施加于碳钢表面。13.一种如权利要求1-2之一所述的发动机凸轮的制备方法，其特征在于，凸轮表面具有耐磨涂层，包括如下步骤：1)先准备一钨板；2)按照凸轮尺寸，用聚苯乙烯泡沫塑料制作凸轮消失模，根据凸轮的工作受力状况，其主要磨损是凸轮表面与挺杆底面之间强烈的摩擦，据此在凸轮消失模工作表面固定钨板，然后在钨板表面固定外部碳源，使其与钨板紧密结合；3)按照凸轮尺寸，制作砂型；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凸轮消失模、钨板和碳源的砂型内，待钢液冷却凝固后，取出铸件，清砂处理，获得凸轮基体为碳钢，凸轮工作表面为碳钢与钨板的复合体；6)将浇铸完的凸轮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，从而在凸轮工作表面形成耐磨涂层，而凸轮基体仍为碳钢基体；其中，耐磨碳化物涂层为WC致密陶瓷层。14.如权利要求13所述的发动机凸轮的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，其中钨的纯度控制在99.7-99.99％，所述钨板的厚度控制在0.2-3mm；所述钨板先被加以表面处理；在步骤3)中，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂制作砂型；在步骤4)中，温度控制在1610℃-1630℃；在步骤5)中，浇注温度控制在1610℃-1630℃。15.如权利要求14所述的发动机凸轮的制备方法，其特征在于：在步骤5)中，浇注时间为40-50秒。16.如权利要求15所述的发动机凸轮的制备方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：许云华，赵娜娜，梁淑华，钟黎声，燕映霖，叶芳霞，王亮亮，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