摘要：通過對摩托車活塞環的激光表面處理試驗研究，發現激光處理的活塞環硬化層厚度和硬度與鍍鉻環相當，避免了鍍鉻環鍍層剝離的缺點。同時，就激光處理工藝和替代鍍鉻環的可能性作了一定的闡述。 關鍵詞：激光表面處理；活塞環；摩托車 1 前 言 隨著人們生活水平的提高，摩托車在國內的銷售和使用正以成倍的速度增長，國產125型摩托車活塞環通常采用三道組合環，一、二道環和汽缸組成摩擦匹配副，第三道是組合油環。使用過程中，一、二道環最易磨損，磨損后導致發動機性能大大下降，出現氣密性差、拉缸、發動機無力等現象。目前活塞環通常采用磷化、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，如鍍鉻環易產生鍍層剝落、磷化環不夠耐磨、氮化環成本高等。 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]，同時也開始應用于摩托車汽缸內壁的表面處理。為此，結合生產企業，對125型摩托車活塞環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解決摩托車活塞環的壽命問題。通過對摩托車零部件一系列工藝試驗表明，經過激光處理的活塞環有較好的應用潛力，從而揭示了應用激光表面處理技術來提高摩托車質量所能發揮的巨大潛力。 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個環的處理，掃描速度：10～20mm/s。活塞環材料為球鐵，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。顯微硬度測量條件：0.2kg、15s。激光處理裝置，如圖1所示。 圖1激光處理活塞環裝置3 活塞環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(H-03)140× (b)鍍鉻環140× 硬化層厚：0.25mm硬度：HV821鍍鉻層厚：0.14mm硬度：HV810 圖2激光處理環與鍍鉻環微觀觀察3.2 與鍍鉻環對比 如圖2(b)所示，鍍鉻環鍍鉻層硬度略低于激光處理環，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，易產生鍍鉻層龜裂、脫鉻、鉻瘤等缺陷，因此影響了鍍鉻環的使用壽命。從這一角度出發，激光處理環就不存在這樣的缺點，無論從表層硬度和結合強度上都比鍍鉻環好。 3.3 分析討論 3.3.1 激光處理工藝對活塞環精度影響 激光束能量密度愈高，磷化環對激光的吸收愈大，引起表面熔化或過燒，破壞表面光潔度，同時由于活塞環本身體積和剛度小，變形程度增加，尤其是影響了活塞環的彈性和圓度，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速較小的情況下，活塞環表面熔化甚至過熔，使得變形增加，在表面出現氣孔和顯微裂紋，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 工藝參數對活塞環變形及表面的影響 對于不采取特殊裝置進行單個活塞環的處理，變形很難得到控制，其變形量都達不到要求。因此，激光處理時應嚴格控制工藝參數，如激光輸出功率和掃描速度等，處理時使活塞環表面不過熔，同時采用多個活塞環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精度才能不受大的影響。當激光能量密度過大，使活塞環表面熔化或過熔時，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。 3.3.2 激光處理環替代鍍鉻環的可能性 鍍鉻環的鍍層與基體的結合強度隨生產工藝的穩定性而變化，鍍鉻層龜裂、脫鉻、鉻瘤等缺陷在生產中經常發生，在使用中，同一個環只要有一處有裂紋或剝離，就會產生拉缸而嚴重影響發動機性能。 激光處理時，從技術上看，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鐘內可完成9～20個活塞環的處理，所以處理的效率較高；若進行專業化生產，采用激光連續掃描，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表面對激光的吸收率，由于采用磷化處理，活塞環對激光的吸收率大為提高，所以在活塞環表面微熔或不熔化的情況下，照樣有一定的硬化層，激光處理的活塞環不存在剝離問題。由此可見，用激光處理活塞環替代目前的鍍鉻環已成為可能。 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處于表面微熔狀態，這樣將對表面光潔度有一定的影響；激光處理對活塞環彈性影響等。 4 結論 (1)激光處理的活塞環硬化層硬度和厚度可以達到或超過鍍鉻環，硬化層是基體的延伸，避免了鍍鉻環鉻層剝離和裂紋缺陷的產生。 (2)激光處理對活塞環的精度有一定影響。通過對激光處理工藝參數控制、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，使激光處理活塞環替代鍍鉻環成為可能。 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域的研究和教學工作。 參考文獻 1谷明.活塞環的構造、材料及其發展動向.摩托車，1996,(6)：25～26. 2王家金.激光加工技術.北京：中國計量出版社，1992，4～6.