CN103205667A

CN103205667A - 一种活塞环用热喷涂复合涂层材料及其制备方法

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Publication number: CN103205667A
Application number: CN2013101162812A
Authority: CN
Inventors: 李辉; 孙日超; 栗卓新; 魏琪; 祝弘滨; 刘旭
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2013-04-03
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2033-04-03
Also published as: CN103205667B

Abstract

一种活塞环用热喷涂复合涂层材料及其制备方法，属于材料表面工程领域。复合涂层的材料主要由4种不同粉末机械混合而成，包括陶瓷材料TiO₂，粉末直径在20~120μm，质量分数20~60wt.%；自熔合金NiCrBSiFe，粉末直径在30~130μm，质量分数0~30wt.%；陶瓷增强材料Cr₂O₃，粉末直径在10~70μm，质量分数20~40wt.%；减摩材料镍包石墨C-Ni，粉末直径在20~120μm，质量分数0~20wt.%。本发明采用大气等离子喷涂技术制备活塞环用耐磨涂层，所制备的涂层具有优越的耐磨性能。

Description

一种活塞环用热喷涂复合涂层材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种活塞环用热喷涂复合涂层材料及其制备技术，属于复合材料及热喷涂技术领域，该发明主要应用于活塞环耐磨涂层领域。

背景技术

活塞环是发动机中的关键零部件，长时间在较高温度下做上下往复运动，在其行程的上下止点处速度接近零，润滑油膜难以建立，处于边界润滑状态，摩擦磨损现象非常严重。从统计上看，活塞环摩擦磨损在整机摩损中占最大比例，约40%。

目前，往往采用表面涂层技术来改善活塞环的耐磨性能，常用的技术包括电镀、氮化、热喷涂、PVD、CVD等。电镀技术严重污染环境，应用前景很不明朗，相对其它技术采用氮化技术的涂层耐磨性并没有显著提高，采用PVD/CVD技术得到的耐磨涂层性能优越，但涂层厚度往往小于50μm，严重限制其应用。热喷涂技术，尤其是大气等离子喷涂技术，在耐磨涂层制备上具有一定优势，并且其耐磨涂层厚度可控，可喷涂粉末广。当今，热喷涂复合涂层的研究及开发主要以Mo基材料为主，非Mo及低Mo热喷涂复合涂层研究较少，本专利涉及一种新型无Mo热喷涂复合涂层。

TiO₂具有硬度较高，耐磨性较好，摩擦系数较低的特点，尤其是在喷涂过程中容易生成次生氧化物TinO_2n-1，该氧化物具有晶体学切变面，是良好的固态润滑相。Cr₂O₃是一种硬度很高，有着良好耐磨性的陶瓷涂层，但是大气等离子喷涂技术制备的陶瓷涂层，往往涂层中存在很大的残余应力，引发严重的裂纹，降低涂层的内聚强度，对陶瓷涂层的耐磨性能产生不利的影响。

自熔合金NiCrBSiFe也是一种常用的耐磨涂层材料，与陶瓷材料不同，在喷涂过程中NiCrBSiFe粉末熔化充分，涂层颗粒之间结合强度高，涂层致密，并且喷涂过程能够生成硬质相Ni3B，改善涂层的耐磨性，但相对陶瓷涂层，NiCrBSiFe金属涂层的耐磨性较低。

润滑相对耐磨涂层的影响比较显著，可以有效降低涂层的摩擦系数，与耐磨材料同时存在时，可以显著改善涂层的耐磨性能。C-Ni中的石墨C属于典型的固态润滑相，包覆材料Ni可以防止C在喷涂过程中发生氧化现象，从而保证涂层中存在数目较多的润滑相。

如今的活塞环耐磨涂层主要由单一材料组成，而耐磨涂层的设计与材料的多种性能相关，单一材料很难满足要求。本发明方法涉及的一种活塞环用热喷涂复合材料，由2~4种材料组合而成（包含某一种或两种材料质量分数为零的情况），涂层性能不仅仅受单一材料的影响，而与多种材料相关，可以保证耐磨涂层满足活塞环工况需求。

发明内容

本发明旨在获得一种活塞环用高摩擦学性能的热喷涂复合涂层材料、涂层的制备方法。本发明所涉及的耐磨涂层制备方法，主要是大气等离子喷涂方法，所获得的耐磨涂层应用在活塞环上，可以显著提高活塞环的耐磨性。

一种活塞环用热喷涂复合涂层材料，由四种材料组成。20~60wt.%的TiO₂，0~30wt.%的NiCrBSiFe，20~40wt.%的Cr₂O₃，0~20wt.%的C-Ni。

优选的，所述的TiO₂粉末直径20~120μm；

优选的，自熔合金NiCrBSiFe粉末直径30~130μmμm；

优选的，陶瓷增强材料Cr₂O₃粉末直径10~70μm；

优选的，减摩材料镍包石墨C-Ni粉末直径20~120μm。Ni重量含量在65~80%。

优选的，采用机械混合方法充分混合原始粉末。

优选的，采用上述复合粉末作为喂料，利用大气等离子喷涂方法制备耐磨涂层，每次喷涂厚度不得高于50μm，每次喷涂间隔时间至少10min，待基体温度低于200℃再进行下一次喷涂，涂层最终厚度350-360μm左右。

所制备的耐磨涂层应用于活塞环外表面上。

本发明所获得的活塞环用热喷涂复合材料，包含了陶瓷基体TiO₂，颗粒较小且具有极高硬度、耐磨性的Cr₂O₃作为增强颗粒，能提高复合材料之间结合强度、韧性的自熔合金NiCrBSiFe，具有良好固态润滑效果的润滑材料C-Ni。可以显著提高涂层的耐磨性、内聚强度、抗裂性，并有效地降低涂层的摩擦系数。采用本发明制备的活塞环涂层具有优越的摩擦学性能。

具体实施方式

以下实施例阐明了本发明的具体内容，但本发明决非局限于以下实施例。

实施例

各实施例中相同部分如下所述：

1.实施例中喷涂基体选择45号钢，尺寸19×12.3×12.0，表面经过磨床加工，使其表面粗糙度Ra值达到0.4。

2.在19×12.3的任一个面上进行喷砂处理，采用粒度为16~24目棕刚玉，气体压强0.4~0.6MPa，喷砂距离70mm，喷砂角度70~80度，持续时间10s以上，完成对基体的粗化处理，喷涂前用丙酮清洗喷砂表面。

3.采用机械混合法配置混合粉末，并使复合粉末混合均匀，机械混粉时间不低于30分钟，混合粉末各组成成分质量分数在实施例中具体说明，原始粉末TiO₂直径20~120μm，NiCrBSiFe直径30~130μmμm，Cr₂O₃直径10~70μm，C-Ni直径20~120μm。

4.选择混合粉末作为喂料进行喷涂，喷涂工艺参数选择Ar气流量39L/min，H₂气流量9L/min，电流600A，喷涂功率约为42Kw，喷涂距离100mm，送粉率40g/min。每次喷涂厚度不得高于50μm，每次喷涂间隔时间至少10min，待基体温度低于200℃再进行下一次喷涂，并且喷涂时对基体背面进行充分冷却，以降低涂层应力，反复喷涂最终获得350μm左右的涂层。

实施例1

按照四种粉末质量百分比配置复合粉末，TiO₂ 60.0wt.%，NiCrBSiFe 0.0wt.%，Cr₂O₃ 40.0wt.%，C-Ni 0.0wt.%。

实施例2

按照四种粉末质量百分比配置复合粉末，TiO₂ 53.3wt.%，NiCrBSiFe 0.0wt.%，Cr₂O₃ 33.3wt.%，C-Ni 13.4wt.%。

实施例3

按照四种粉末质量百分比配置复合粉末，TiO₂ 55.0wt.%，NiCrBSiFe 15.0wt.%，Cr₂O₃ 20.0wt.%，C-Ni 10.0wt.%。

实施例4

按照四种粉末质量百分比配置复合粉末，TiO₂ 60.0wt.%，NiCrBSiFe 0.0wt.%，Cr₂O₃ 20.0wt.%，C-Ni 20.0wt.%。

实施例5

按照四种粉末质量百分比配置复合粉末，TiO₂ 66.7.0wt.%，NiCrBSiFe 0.0wt.%，Cr₂O₃ 26.7wt.%，C-Ni 6.6wt.%。

实施例6

按照四种粉末质量百分比配置复合粉末，TiO₂ 42.5wt.%，NiCrBSiFe 16.5wt.%，Cr₂O₃ 30.5wt.%，C-Ni 10.5wt.%。

实施例7

按照四种粉末质量百分比配置复合粉末，TiO₂ 80.0wt.%，NiCrBSiFe 0.0wt.%，Cr₂O₃ 20.0wt.%，C-Ni 0.0wt.%。

实施例8

按照四种粉末质量百分比配置复合粉末，TiO₂ 20.0wt.%，NiCrBSiFe 30.0wt.%，Cr₂O₃ 25.0wt.%，C-Ni 20.0wt.%。

实施例9

按照四种粉末质量百分比配置复合粉末，TiO₂ 50.0wt.%，NiCrBSiFe 30.0wt.%，Cr₂O₃ 20.0wt.%，C-Ni 0.0wt.%。

实施例10

按照四种粉末质量百分比配置复合粉末，TiO₂ 36.7wt.%，NiCrBSiFe 30.0wt.%，Cr₂O₃ 26.7wt.%，C-Ni 6.6wt.%。

各实施例所制备涂层性能检测如下所述：

1. 根据国标GB/T9790-1988进行涂层显微硬度测试，测试条件：载荷200g，加载时间15s。在每个涂层不同区域取10点进行测量，并取平均值作为最终显微硬度值，见表1；

2. 采用SRV高温摩擦磨损实验机分析涂层在干摩擦条件下的高温摩擦学性能。由于试样初始表面粗糙度对摩擦磨损影响较大，测试前对上下试样进行1000#砂纸磨光处理。摩擦磨损实验参数如下：高温试验200℃，载荷150N，冲程1mm，频率50Hz，试验时间30min。记录摩擦系数的变化情况，求出各涂层平均摩擦系数，见表2。试验后使用精度0.1mg的天平测量磨损前后质量，分析上下试样的磨损情况，取差值。磨损量结果见表2。

表1 涂层的孔隙率及显微硬度

表2 摩擦系数及磨损情况

Claims

1.一种活塞环用热喷涂复合涂层材料，其组成成分及含量：

20~60wt.%的TiO₂，

0~30wt.%的NiCrBSiFe，

20~40wt.%的Cr₂O₃，

0~20wt.%的C-Ni。

2.根据权利要求1所述的活塞环用热喷涂复合涂层材料，其特征在于，所述TiO₂尺寸在20~120μm。

3.根据权利要求1所述的活塞环用热喷涂复合涂层材料，其特征在于，所述NiCrBSiFe尺寸在30~130μm。

4.根据权利要求1所述的活塞环用热喷涂复合涂层材料，其特征在于，所述Cr₂O₃尺寸在10~70μm。

5.根据权利要求1所述的活塞环用热喷涂复合涂层材料，其特征在于，所述C-Ni为镍包覆石墨粉末，Ni重量含量在65~80%，包覆后的粉末尺寸在20~120μm。

6.一种采用权利要求1中任一种复合涂层材料作为喂料的涂层制备方法，其特征在于，采用大气等离子喷涂技术制备涂层；每次喷涂厚度不得高于50μm，每次喷涂间隔时间至少10min，待基体温度低于200℃再进行下一次喷涂，涂层最终厚度350-360μm。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所制备的耐磨涂层应用于活塞环外表面上。