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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410630772.3 (22)申请日 2014.11.11 B23K 15/00(2006.01) (71)申请人 中国兵器工业第五二研究所 地址 315103 浙江省宁波市科技园区凌云路 199 号 (72)发明人 石磊 王英 陈东亮 程朝丰 杜乐一 (74)专利代理机构 宁波诚源专利事务所有限公 司 33102 代理人 袁忠卫 (54) 发明名称 一种铝硅合金活塞环槽的电子束合金强化方 法 (57) 摘要 一种铝硅合金活塞环槽的电子束合金强化方 法， 其特征在于包括如下步骤 ： 先用溶剂对活塞 表面进行清洗， 再将 1Cr18。
2、Ni9Ti 不锈钢焊丝添 加到活塞环槽部位 ； 对活塞环槽进行两次真空电 子束扫描 ： 第一次电子束扫描采用表面聚焦， 使 生成 6mm 8mm 的熔深 ； 第二次电子束扫描采用 表面下聚焦， 并将增大焊接束流， 使熔宽增加到 5mm7mm。 本发明采用真空电子束表面合金化处 理活塞环槽， 工艺简单易操作， 可精确控制束流能 量、 焦点位置、 焊接速度等工艺参数， 处理后的活 塞环槽电子束合金化强化部位和高镍铸铁镶圈相 比， 硬度提高了 5 6 倍， 摩擦系数降低 1 倍， 磨 损率降低12个数量级， 可替代高镍铸铁耐磨镶 圈， 从而减轻活塞重量， 提高活塞环槽性能， 并延 长其使用寿命。 (。
3、51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 (10)申请公布号 CN 104439674 A (43)申请公布日 2015.03.25 CN 104439674 A 1/1 页 2 1. 一种铝硅合金活塞环槽的电子束合金强化方法， 其特征在于包括如下步骤 ： 1) 先用溶剂对活塞表面进行清洗， 再将 1Cr18Ni9Ti 不锈钢焊丝添加到活塞环槽部位 ； 2) 对活塞环槽进行两次真空电子束扫描 ： 第一次电子束扫描采用表面聚焦， 使生成 6mm 8mm 的熔深 ； 第二次电子束扫描采用表面下聚焦， 并将增大焊接束流， 使熔宽增加。
4、到 5mm 7mm。 2. 根据权利要求 1 所述的电子束合金强化方法， 其特征在于 ： 所述溶剂为酒精。 3. 根据权利要求 1 所述的电子束合金强化方法， 其特征在于 ： 所述 1Cr18Ni9Ti 不锈钢 焊丝的直径为 0.8 1.2mm。 4. 根据权利要求 1 所述的电子束合金强化方法， 其特征在于 ： 所述电子束扫描采用 150kV 高压数控电子束焊机进行。 5. 根据权利要求 1 所述的电子束合金强化方法， 其特征在于 ： 所述第一次电子束扫描 的工艺参数为 ： 加速电压为 135 140kV， 焊接束流为 30mA， 聚焦电流为 425 430mA， 焊接 速度为 1600 1。
5、800mm/min， 焊接真空度为 5.510-4 6.510-4mbar。 6. 根据权利要求 1 所述的电子束合金强化方法， 其特征在于 ： 所述第二次电子束扫描 的工艺参数为 ： 加速电压为 135 140kV， 焊接束流为 33mA， 聚焦电流为 405 410mA， 焊接 速度为 1800 2000mm/min， 焊接真空度为 5.510-4 6.510-4mbar。 7. 根据权利要求 5 或 6 所述的电子束合金强化方法， 其特征在于 ： 所述焊接真空度至 少为 610-4mbar。 权 利 要 求 书 CN 104439674 A 2 1/3 页 3 一种铝硅合金活塞环槽的电子。
6、束合金强化方法 技术领域 0001 本发明属于焊接技术领域， 涉及一种铝硅合金活塞环槽的电子束合金化强化方 法。 背景技术 0002 活塞是内燃机上最关键的运动件， 它在高温高压下承受反复交变载荷的作用， 被 称为内燃机的心脏。活塞失效主要是因为在 500-573K 温度下和活塞环配对工作的环槽表 面接触处磨损造成的。 随着发动机向着高功率密度发展， 出于减重的需要， 发动机活塞大多 采用质量较轻的铝合金， 但铝合金由于熔点低， 强度低， 耐磨性不好等缺点成为铝活塞在大 功率发动机上应用的障碍。 目前， 大多铝合金活塞采用铸铁耐磨镶圈对环槽部位进行强化， 这样就增加了活塞的重量和成本。此外由于。
7、铸铁和铝合金的熔点、 导热系数、 线膨胀系数 等物理化学性能相差悬殊， 结合强度低， 在活塞顶的铸造时易出现环偏及环下气孔等缺陷 , 并且在活塞的焊接、 热处理及机加过程中， 还易出现铸铁镶环与铝合金基体剥离现象， 导致 产品报废， 生产成品率低下。因此， 如何提高活塞环槽表面硬度和耐磨性， 提高活塞制造工 艺成品率是当前急需解决的技术难题。 0003 另查专利申请号为 99115909.8 的中国申请专利公开了活塞环槽表面的强化方法 及工艺， 它对于活塞环槽表面进行强化涂层 , 其特征在于 : 采用机械摩擦和电火花合金化 复合加工工艺 , 在铝合金活塞槽部获得不连续厚度的离散涂层。在涂覆涂层。
8、的同时进行表 面塑性变形 , 以达到符合设计要求的表面光洁度。其目的是提高铝合金活塞槽部的耐磨性 和保证均匀磨损。 该发明得到的涂层在发动机使用温度下的硬度与铸铁压缩活塞环的硬度 相当 , 涂层厚度不超过 0.3mm。本方法适用于内燃发动机、 活塞泵及活塞式压缩机的制造。 它的缺陷不足在于工艺复杂， 不容易操作。 发明内容 0004 本发明所要解决的技术问题是提供一种铝硅合金活塞环槽的电子束合金强化方 法， 采用真空电子束表面合金化方法对活塞环槽进行强化， 工艺简单易操作， 大大提高活塞 环槽的表面硬度和耐磨性。 0005 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为 ： 一种铝硅合金活塞环槽的电。
9、子束 合金强化方法， 其特征在于包括如下步骤 ： 0006 1) 先用溶剂对活塞表面进行清洗， 再将 1Cr18Ni9Ti 不锈钢焊丝添加到活塞环槽 部位 ； 0007 2) 对活塞环槽进行两次真空电子束扫描 ： 第一次电子束扫描采用表面聚焦， 使生 成 6mm 8mm 的熔深 ； 第二次电子束扫描采用表面下聚焦， 并将增大焊接束流， 使熔宽增加 到 5mm 7mm。 0008 作为优选， 所述溶剂为酒精。 0009 作为优选， 所述 1Cr18Ni9Ti 不锈钢焊丝的直径为 0.8 1.2mm。 说 明 书 CN 104439674 A 3 2/3 页 4 0010 作为改进， 所述电子束扫。
10、描采用 150kV 高压数控电子束焊机进行。 0011 作为改进， 所述第一次电子束扫描的工艺参数为 ： 加速电压为 135 140kV， 焊 接束流为 30mA， 聚焦电流为 425 430mA， 焊接速度为 1600 1800mm/min， 焊接真空度为 5.510-4 6.510-4mbar。 0012 作为改进， 所述第二次电子束扫描的工艺参数为 ： 加速电压为 135 140kV， 焊 接束流为 33mA， 聚焦电流为 405 410mA， 焊接速度为 1800 2000mm/min， 焊接真空度为 5.510-4 6.510-4mbar。 0013 优选， 所述焊接真空度至少为 6。
11、10-4mbar。 0014 与现有技术相比， 本发明的优点在于 ： 采用真空电子束合金化方法， 对铝合金活塞 环槽部位进行电子束合金化强化， 第一次扫描采用表面焦点， 能量集中， 保证合金焊丝与基 体能熔合， 并具有一定深度， 但熔合层气孔缺陷较多， 第二次扫描采用表面下焦点， 并稍稍 加大束流， 以保证熔合层在精炼中气体顺利排出， 合金元素进一步均匀化， 并使熔宽加大， 降低电子束合金化层的脆性， 消除了合金改性层内部气孔缺陷和裂纹， 提高改性层的综合 性能。 本发明工艺简单易操作， 采用真空电子束焊接工艺， 可精确控制束流能量、 焦点位置、 焊接速度等工艺参数， 采用本发明处理的活塞环槽。
12、电子束合金化强化部位和高镍铸铁镶圈 相比， 硬度提高了 5 6 倍， 摩擦系数降低 1 倍， 磨损率降低 1 2 个数量级， 因此可以替代 高镍铸铁耐磨镶圈， 从而减轻活塞重量， 提高活塞环槽性能， 并延长其使用寿命。 具体实施方式 0015 以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。 0016 一种铝硅合金活塞环槽的电子束合金强化方法， 包括如下步骤 ： 0017 1) 先用酒精对活塞表面进行清洗， 再将 1Cr18Ni9Ti 不锈钢焊丝添加到活塞环槽 部位 ； 0018 2) 对活塞环槽进行两次真空电子束扫描 ： 第一次电子束扫描采用表面聚焦， 使生 成 6mm 8mm 的熔深 ； 第二次电。
13、子束扫描采用表面下聚焦， 并将增大焊接束流， 使熔宽增加 到 5mm 7mm ； 0019 二次电子束扫描工艺参数如下表所示。 0020 表 1 电子束扫描工艺参数 0021 0022 实例 1 0023 对一批共 30 件铝合金活塞进行活塞环槽的表面合金化强化， 先用酒精对活塞进 行清洗， 然后将 1.0mm 的 1Cr18Ni9Ti 不锈钢焊丝添加到活塞的环槽部位， 采用 150kV 高 压数控电子束焊机， 其主要焊接工艺参数如下 ： 说 明 书 CN 104439674 A 4 3/3 页 5 0024 第一次扫描加速电压为 135kV， 焊接束流为 30mA， 选用表面聚焦， 聚焦电流。
14、为 425mA， 焊接速度为 1600mm/min， 焊接真空度为 610-4mbar， 使能量集中， 生成 6mm 的熔深 ； 0025 第二次扫描加速电压为 135kV， 焊接束流为 33mA， 选用表面下聚焦， 聚焦电流为 405mA， 焊接速度为 1800mm/min， 焊接真空度为 610-4mbar， 使熔宽增加到 5mm。 0026 实施例 2 0027 对一批共 20 件铝合金活塞进行活塞环槽的表面合金化强化， 先用酒精对活塞进 行清洗， 然后将 1.0mm 的 1Cr18Ni9Ti 不锈钢焊丝添加到活塞的环槽部位， 采用 150kV 高 压数控电子束焊机， 其主要焊接工艺参数。
15、如下 ： 0028 第一次扫描加速电压为 137kV， 焊接束流为 31mA， 选用表面聚焦， 聚焦电流为 427mA， 焊接速度为 1700mm/min， 焊接真空度为 610-4mbar， 使能量集中， 生成 7mm 的熔深 ； 0029 第二次扫描加速电压为 137kV， 焊接束流为 34mA， 选用表面下聚焦， 聚焦电流为 407mA， 焊接速度为 1900mm/min， 焊接真空度为 610-4mbar， 使熔宽增加到 6mm。 0030 实施例 3 0031 对一批共 20 件铝合金活塞进行活塞环槽的表面合金化强化， 先用酒精对活塞进 行清洗， 然后将 1.0mm 的 1Cr18N。
16、i9Ti 不锈钢焊丝添加到活塞的环槽部位， 采用 150kV 高 压数控电子束焊机， 其主要焊接工艺参数如下 ： 0032 第一次扫描加速电压为 140kV， 焊接束流为 32mA， 选用表面聚焦， 聚焦电流为 430mA， 焊接速度为 1800mm/min， 焊接真空度为 610-4mbar， 使能量集中， 生成 8mm 的熔深 ； 0033 第二次扫描加速电压为 140kV， 焊接束流为 35mA， 选用表面下聚焦， 聚焦电流为 410mA， 焊接速度为 2000mm/min， 焊接真空度为 610-4mbar， 使熔宽增加到 7mm。 0034 采用本发明处理的活塞环槽电子束合金化强化部位和高镍铸铁镶圈相比， 其硬度 提高 5 6 倍， 摩擦系数降低 1 倍， 磨损率降低 1 2 个数量级， 可以替代高镍铸铁耐磨镶 圈， 从而减轻活塞重量， 提高活塞环槽性能， 并延长其使用寿命。 0035 强化后的活塞环槽与高镍铸铁耐磨镶圈在性能上的具体数据对比见下表。 0036 载荷 /kg 温度 / 转速 /rpm 摩擦系数 磨损率 mg/m 高镍铸铁522510000.408.04 电子束合金化环槽522510000.220.054 说 明 书 CN 104439674 A 5 。