CN103205667A - 一种活塞环用热喷涂复合涂层材料及其制备方法 - Google Patents

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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TinO2n-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
Figure BDA0000301193621
表2 摩擦系数及磨损情况
Figure BDA0000301193622

Claims (7)

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。
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