【摘要】通过对摩托车活塞环的激光表面处理试验研究，发现激光处理的活塞环硬化层厚度和硬度与镀铬环相当，避免了镀铬环镀层剥离的缺点。同时，就激光处理工艺和替代镀铬环的可能性作了一定的阐述。
关键词：激光表面处理；活塞环；摩托车
1 前 言
随着人们生活水平的提高，摩托车在国内的销售和使用正以成倍的速度增长，国产125型摩托车活塞环通常采用三道组合环，一、二道环和汽缸组成摩擦匹配副，第三道是组合油环。使用过程中，一、二道环最易磨损，磨损后导致发动机性能大大下降，出现气密性差、拉缸、发动机无力等现象。目前活塞环通常采用磷化、镀硬铬、氮化和复合分散镀层等手段提高其耐磨性[1]。然而，使用中仍然存在一些问题，如镀铬环易产生镀层剥落、磷化环不够耐磨、氮化环成本高等。
由于激光表面处理具有加工过程简单快速、变形小、效率高、无需真空；激光处理表面层和基体结合牢固，无表面剥落现象等传统办法无法替代的优点，目前已经被部分的应用到工业生产中，并产良好的效益，如汽车缸套的激光表面处理等[2]，同时也开始应用于摩托车汽缸内壁的表面处理。为此，结合生产企业，对125型摩托车活塞环进行了大量的激光处理工艺试验，试图采用激光加工这一高新技术解决摩托车活塞环的寿命问题。通过对摩托车零部件一系列工艺试验表明，经过激光处理的活塞环有较好的应用潜力，从而揭示了应用激光表面处理技术来提高摩托车质量所能发挥的巨大潜力。
2 试验条件
用5kwco2横流激光加工机对125系列摩托车第一、二道活塞环进行激光表面处理。分别采用光斑直径为3.5和带宽为10mm的宽带激光束扫描，一次完成8～9个环的处理，扫描速度：10～20mm/s。活塞环材料为球铁，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，处理前表面为磷化状态。显微硬度测量条件：0.2kg、15s。激光处理装置，如图1所示。
图1 激光处理活塞环装置
3 活塞环的激光表面处理与微观分析
3.1 激光处理对组织与显微硬度影响
对125系磷化环的激光处理后，进行金相分析，如图2(a)所示。激光处理硬化表层是基体的延伸，组织为隐针状马氏体和石墨球，石墨球数量比基体少，说明有部分石墨球已熔化，基体组织为细珠光体和石墨球，硬度hv355，激光处理硬化层硬度为hv821，高于基体2.3倍。
(a)激光处理环(h-03) 140× (b)镀铬环 140×
硬化层厚：0.25mm 硬度：hv821 镀铬层厚：0.14mm 硬度：hv810
图2 激光处理环与镀铬环微观观察
3.2 与镀铬环对比
如图2(b)所示，镀铬环镀铬层硬度略低于激光处理环，镀铬层中有沿外表面伸展的显微裂纹，电镀层和基体有明显的界面。由于电镀工艺和清洗等因素，易产生镀铬层龟裂、脱铬、铬瘤等缺陷，因此影响了镀铬环的使用寿命。从这一角度出发，激光处理环就不存在这样的缺点，无论从表层硬度和结合强度上都比镀铬环好。
3.3 分析讨论
3.3.1 激光处理工艺对活塞环精度影响
激光束能量密度愈高，磷化环对激光的吸收愈大，引起表面熔化或过烧，破坏表面光洁度，同时由于活塞环本身体积和刚度小，变形程度增加，尤其是影响了活塞环的弹性和圆度，在漏光检验时不合格而报废。如表1所示，当激光处理输出功率较大或转速较小的情况下，活塞环表面熔化甚至过熔，使得变形增加，在表面出现气孔和显微裂纹，严重影响表面光洁度，漏光检验多为不合格。只有当参数控制适中，表面微熔或不熔时，变形较小，表面光洁度影响不大，但从硬化层厚度和硬度分布看，表面微熔较好。
表1 工艺参数对活塞环变形及表面的影响
| 试样编号 |
输出功率
(w) |
转速
(r/s) |
光斑直径
(mm) |
表面
情况 |
漏光
检验 |
| h-01 |
400 |
8 |
3.5 |
熔化 |
不合格 |
| h-02 |
400 |
5 |
3.5 |
不熔 |
合格 |
| h-03 |
500 |
5 |
3.5 |
微熔 |
合格 |
| h-04 |
600 |
5 |
3.5 |
熔化 |
不合格 |
| h-05 |
800 |
5 |
3.5 |
过熔 |
不合格 |
| h-06 |
1500 |
5 |
宽带扫描 |
微熔 |
合格 |
对于不采取特殊装置进行单个活塞环的处理，变形很难得到控制，其变形量都达不到要求。因此，激光处理时应严格控制工艺参数，如激光输出功率和扫描速度等，处理时使活塞环表面不过熔，同时采用多个活塞环套在芯棒上并夹紧后，用宽带激光束扫描，可有效的提高效率，增加传热效果，减小变形。只有在这种情况下，激光处理后的活塞环精度才能不受大的影响。当激光能量密度过大，使活塞环表面熔化或过熔时，严重影响表面光洁度的同时，微观检测显示，表面层就会有显微裂纹和气孔出现。
3.3.2 激光处理环替代镀铬环的可能性
镀铬环的镀层与基体的结合强度随生产工艺的稳定性而变化，镀铬层龟裂、脱铬、铬瘤等缺陷在生产中经常发生，在使用中，同一个环只要有一处有裂纹或剥离，就会产生拉缸而严重影响发动机性能。
激光处理时，从技术上看，通过采取一定的措施，变形可以得到控制，同时由于实行宽带扫描，4～8s钟内可完成9～20个活塞环的处理，所以处理的效率较高；若进行专业化生产，采用激光连续扫描，效率会更高。处理一圈的时间决定于激光输出功率和活塞环表面对激光的吸收率，由于采用磷化处理，活塞环对激光的吸收率大为提高，所以在活塞环表面微熔或不熔化的情况下，照样有一定的硬化层，激光处理的活塞环不存在剥离问题。由此可见，用激光处理活塞环替代目前的镀铬环已成为可能。
虽然这样，要投入实际使用仍需要进一步研究解决，为了获得较厚的硬化层，最好激光处理后的活塞环处于表面微熔状态，这样将对表面光洁度有一定的影响；激光处理对活塞环弹性影响等。
4 结 论
(1)激光处理的活塞环硬化层硬度和厚度可以达到或超过镀铬环，硬化层是基体的延伸，避免了镀铬环铬层剥离和裂纹缺陷的产生。
(2)激光处理对活塞环的精度有一定影响。通过对激光处理工艺参数控制、表面磷化预处理以及特殊激光处理装置，可提高效率，降低对精度的影响程度，从而，使激光处理活塞环替代镀铬环成为可能。
作者简介：
姚建华(1965-)，男，浙江余杭人，副教授，硕士学位。主要从事激光加工领域的研究和教学工作。
作者单位：浙江工业大学机电工程学院(杭州 310032)
参考文献
1 谷明.活塞环的构造、材料及其发展动向.摩托车，1996,(6)：25～26.
2 王家金.激光加工技术.北京：中国计量出版社，1992，4～6. |
