CN103643195A

CN103643195A - 一种铝合金基体表面的等离子喷涂涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN103643195A
Application number: CN201310616092.1A
Authority: CN
Inventors: 王永欣; 王宾; 薛群基; 李金龙; 曾志翔
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2014-03-19

Abstract

本发明提供了一种铝合金基体表面的等离子喷涂涂层，按重量百分比计，该涂层的组分及含量为：铬14%～25%、镍6%～15%、碳0.5%～1.5%、硅2.0%～4.0%、锰0.8%～1.5%、余量为铁；并且，该涂层的奥氏体微观组织中分散着Cr₇C₃强化相。经实验验证，该涂层具有良好的耐磨防腐性能，适用于在磨损、腐蚀环境条件下工作的铝合金基体表面，例如铝合金材料的汽车发动机气缸。

Description

一种铝合金基体表面的等离子喷涂涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金基体表面的防护处理技术领域，尤其涉及一种铝合金基体表面的等离子喷涂涂层及其制备方法。

背景技术

铝合金材料具有来源广、质量轻、导热性好等优点而被广泛应用。但是另一方面，铝合金的耐摩擦、耐腐蚀性能较差，因此在摩擦、腐蚀环境条件下的铝合金工件需要经过一定的防护处理。

例如，铝合金发动机的应用大大减轻了汽车的整车重量，不仅有助于汽车动力性能的提高，更是现代汽车工业节能减排的重要途径。然而，铝合金发动机气缸的摩擦学性能非常差，另外燃油工作过程中产生的酸性物质将腐蚀该材料，进一步加剧了气缸的摩擦磨损，因此铝合金发动机气缸内壁表面只有经过必要的防护处理才能有效工作。

在铝合金工件表面制备防护涂层的众多方法中，等离子喷涂技术是有效的方法之一。例如，在文献：Barbezat G.surface&coating Technology，2005，200:1990～1993中报道利用等离子喷涂技术制备防护涂层能够降低油耗2%～4%。

目前，铝合金基体表面的等离子喷涂涂层材料主要有低合金碳钢、铸铁和金属基复合材料，其中以前两者居多。对于低合金碳钢，等离子喷涂过程中会生成铁的氧化物，该氧化物具有自润滑性能，但是如果工艺参数控制不当导致产生过多的氧化物又会对涂层性能产生不利影响，同时该种涂层硬度偏低；对于铸铁，其本身含有石墨，能起到一定的自润滑作用，但是喷涂前往往需要特殊的热处理工艺以促进粉末中石墨的析出，因此增加了工艺复杂性，并且喷涂过程中较高的能量又不可避免地造成石墨的烧损（Y.Tsunekawa,et al.Journal of Thermal SprayTechnology,2006,15(2):239）。此外，这两种喷涂涂层在酸性环境中由于耐腐蚀性能欠佳，磨损损伤仍然比较严重。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述铝合金基体表面的等离子喷涂涂层材料的不足，提供一种铝合金基体表面的等离子喷涂涂层，该涂层具有良好的耐磨损、耐腐蚀性能，能够有效提高铝合金基体在高磨损、高腐蚀环境条件下的应用能力。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种铝合金基体表面的等离子喷涂涂层，按重量百分比计，其组分及含量为：铬14%～25%、镍6%～15%、碳0.5%～1.5%、硅2.0%～4.0%、锰0.8%～1.5%、余量为铁；所述涂层的奥氏体微观组织中分散着Cr₇C₃强化相。

所述的铝合金基体不限，包括汽车铝合金发动机工件，例如气缸、活塞等。

本发明还提供了一种制备铝合金基体表面的等离子喷涂涂层的方法，具体如下：

步骤1、将铝合金基体表面进行粗糙化处理、清洗处理；

步骤2、采用气雾化方法制备喷涂粉末，具体为：

首先，按照重量百分比配方：铬14%～25%、镍6%～15%、碳0.5%～1.5%、硅2.0%～4.0%、锰0.8%～1.5%、余量为铁，配制铬铁基合金，然后熔融该合金，采用气雾化方法制备铬铁基合金粉末；

步骤3、在等离子喷涂设备中，将铬铁基合金粉末装入送粉器，将铝合金基体安装到旋转工装上，进行喷涂，得到铬铁基复合涂层。

作为优选，所述的步骤2中，铬铁基合金粉末的粒度为-300目～+500目，即该粉末粒径在300目至500目范围内。

作为优选，所述的喷涂参数设置为：工作电流≤600A；电弧电压≤80V；氩气压力0.6～0.85MPa；氩气流量25～45L/min；氢气压力0.2～0.35MPa；氢气流量1.2～2.6L/min；送粉速率50～120g/min；喷涂距离70～120mm；喷涂角度为60°～90°。

所述的步骤1中，粗糙化处理方法不限，包括喷砂、机械加工粗糙化等。

与现有技术相比，本发明提供了一种高铬铁基复合喷涂粉末，利用等离子喷涂技术将该粉末喷涂在铝合金基体表面后形成的涂层具有如下优点：

（1）该高铬铁基复合喷涂粉末具有较好的抗高温氧化性，能避免喷涂过程中被过度氧化，从而提高了喷涂后涂层内部结合的致密性，同时喷涂后涂层中孔隙大小适中、形状圆滑，有效减少了裂纹的产生，因此能够很好地起到储油功能；

（2）该高铬铁基复合喷涂粉末通过等离子喷涂形成涂层的过程中会析出高硬度（其硬度值为1400-1800Hv）的Cr₇C₃短棒状强化相，该强化相弥散分布于由Fe、Ni、Cr、C形成的具有良好的塑性韧性奥氏体基体中，从而有效提高了涂层的硬度及耐磨性；

（3）另外，该高铬铁基复合喷涂粉末中含有较高含量的Ni，一方面起到了稳定涂层奥氏体相、提高涂层韧性的作用；另一方面提高了涂层的耐腐蚀性能；

因此，本发明提供的铝合金基体表面的等离子喷涂涂层具有良好的耐磨防腐性能，适用于在磨损、腐蚀环境条件下工作的铝合金基体表面，例如铝合金材料的汽车发动机气缸等。

附图说明

图1是本发明实施例1中铝合金基体表面的高铬铁基复合涂层的SEM图；

图2是本发明实施例1中铝合金基体表面的高铬铁基复合涂层在高倍率下的的SEM图；

图3是本发明实施例1中铝合金基体表面的高铬铁基复合涂层的XRD图谱；

图4是本发明实施例1中铝合金基体表面高铬铸铁磨损率数据图。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施例中，铝合金基体为发动机气缸，在该气缸内壁表面为等离子喷涂涂层，按重量百分比计，该涂层的组分及含量为：铬17.84%，镍8.45%，碳0.83%，硅3.12%，锰0.96%，余量为铁；并且，该涂层的微观结构的奥氏体微观组织中分散着Cr₇C₃强化相。

该涂层的制备方法如下：

（1）将铝合金基体表面进行机械加工粗化处理，形成宽度150μm，深度100μm左右的燕尾槽形状均布于基体表面，然后在丙酮及乙醇中各超声波清洗20min；

（2）按照重量配方：铬17.84%，镍8.45%，碳0.83%，硅3.12%，锰0.96%，余量为铁，配制铬铁基合金；然后熔融该合金，采用气雾化方法制备铬铁基合金粉末，使该铬铁基合金粉末的粒度为-325目～+500目；

（3）将铬铁基合金粉末放入等离子喷涂设备的送粉器中，将基体材料安装到旋转工装上，调节送粉速率为74.9g/min，工件旋转速度为0.314m/s，喷枪扫描速度为0.0064m/s，调整喷涂距离为100mm，喷涂角度为90°；

（4）设置喷涂工艺参数为：工作电流520A；电弧电压55V；氩气压力0.80MPa；氩气流量31.7L/min；氢气压力0.30MPa；氢气流量1.93L/min，开始喷涂，得到铬铁基复合涂层。

图1是上述制得的铬铁基复合涂层的SEM图。可以看出，该涂层内部结合致密，涂层中空隙大小适中、形状圆滑，有效减少了裂纹的产生，因此能够很好地起到储油功能。

在图1基础上，进一步将显微倍数增大，得到图2所示的SEM图。可以看出，该铬铁基复合涂层中析出了Cr₇C₃短棒状强化相，并且该强化相分布于奥氏体基体相中。

图3是上述制得的铬铁基复合涂层的XRD图谱。可以看出，该铬铁基复合喷涂粉末通过等离子喷涂形成涂层的过程中析出了Cr₇C₃短棒状强化相，并且该强化相弥散分布于塑性韧性较好的由Fe、Ni、Cr、C形成的奥氏体基体中，因此有效提高了涂层的硬度及耐磨性。

对上述制得的铬铁基复合涂层进行摩擦实验。实验环境分别为大气环境、油环境以及酸性油环境。实验过程为：将基体表面的铬铁基复合涂层进行抛光后固定在UMT-3多功能摩擦磨损试验机上，设定载荷为15N，频率为5Hz，摩擦时间为60min，摩擦介质为不同发动机润滑油和体积分数3.6的硫酸溶液，运动形式为往复式运动。为了对比起见，对基体表面的316L不锈钢涂层进行完全相同的摩擦实验，该基体与本实施例中的基体完全相同。经过摩擦实验后测得涂层的磨损率如图4所示，从中可以看出，与316L不锈钢涂层相比，本实施例中的铬铁基复合涂层在大气环境、油环境以及酸性油环境中的磨损率均远低于316L不锈钢，表现出优异的耐摩擦及耐腐性能。

实施例2：

本实施例中，铝合金基体为发动机气缸，在该气缸内壁表面为等离子喷涂涂层，按重量百分比计，该涂层的组分及含量为：铬17.84%，镍8.45%，碳0.83%，硅3.12%，锰0.96%，余量为铁；并且，该涂层的微观结构是以奥氏体为基体，其中分散Cr₇C₃强化相。

该涂层的制备方法如下：

（1）将铝合金基体表面进行喷砂粗糙化处理，然后在丙酮及乙醇中各超声波清洗15min；

（2）按照重量配方：铬17.84%，镍8.45%，碳0.83%，硅3.12%，锰0.96%，、余量为铁，配制铬铁基合金；然后熔融该合金，采用气雾化方法制备铬铁基合金粉末，使该铬铁基合金粉末的粒度为-325目～+500目；

（3）将铬铁基合金粉末放入等离子喷涂设备的送粉器中，将基体安装到旋转工装上，调节搅拌器电压至送粉速率为52g/min，调节工件旋转速度为0.314m/s，喷枪扫描速度为0.0064m/s，调整喷涂距离为70mm，喷涂角度为90°；

（4）设置喷涂工艺参数为：工作电流500A；电弧电压50V；氩气压力0.82MPa；氩气流量31.7L/min；氢气压力0.31MPa；氢气流量1.47L/min，开始喷涂，得到铬铁基复合涂层。

上述制得的铬铁基复合涂层的SEM图类似图1所示，涂层内部结合致密，涂层中空隙大小适中、形状圆滑，有效减少了裂纹的产生，因此能够很好地起到储油功能。并且，从显微倍数增大的SEM图中能够够看到该铬铁基复合涂层中析出了Cr₇C₃短棒状强化相，并且该强化相分布于奥氏体基体相中。

上述制得的铬铁基复合涂层的XRD图谱类似图3所示，显示该铬铁基复合喷涂粉末通过等离子喷涂形成涂层的过程中析出了Cr₇C₃短棒状强化相，并且该强化相弥散分布于由Fe、Ni、Cr、C形成的塑性韧性较好的奥氏体基体中，因此有效提高了涂层的硬度及耐磨性。

对上述制得的铬铁基复合涂层进行如实施例1中的摩擦实验。经过摩擦实验后测得涂层的磨损率结果类似图4所示，即与316L不锈钢涂层相比，本实施例中的铬铁基复合涂层在大气环境、油环境以及酸性油环境中的磨损率均远低于316L不锈钢，表现出优异的耐摩擦及耐腐性能。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种铝合金基体表面的等离子喷涂涂层，其特征是：按重量百分比计，其组分及含量为：铬14%～25%、镍6%～15%、碳0.5%～1.5%、硅2.0%～4.0%、锰0.8%～1.5%、余量为铁；所述涂层的奥氏体微观组织中分散着Cr₇C₃强化相。

2.如权利要求1所述的铝合金基体表面的等离子喷涂涂层，其特征是：所述的铝合金基体为汽车铝合金发动机工件。

3.一种铝合金基体表面的等离子喷涂涂层的制备方法，其特征是：包括如下步骤：

步骤1、将铝合金基体表面进行粗糙化处理、清洗处理；

步骤2、采用气雾化方法制备喷涂粉末，具体为：

步骤3、在等离子喷涂设备中，将铬铁基合金粉末装入送粉器，将铝合金基体安装到旋转工装上，进行喷涂，得到铬铁基复合涂层，其微观结构以奥氏体为基体，其中分散Cr₇C₃强化相。

4.如权利要求3所述的铝合金基体表面的等离子喷涂涂层的制备方法，其特征是：所述的步骤1中，粗糙化处理方法为喷砂处理或者机械加工粗糙化处理。

5.如权利要求3所述的铝合金基体表面的等离子喷涂涂层的制备方法，其特征是：所述的步骤3中，喷涂参数设置为：工作电流≤600A；电弧电压≤80V；氩气压力0.6～0.85MPa；氩气流量25～45L/min；氢气压力0.2～0.35MPa；氢气流量1.2～2.6L/min；送粉速率50～120g/min；喷涂距离70～120mm；喷涂角度为60°～90°。

6.如权利要求3所述的铝合金基体表面的等离子喷涂涂层的制备方法，其特征是：所述的步骤2中，铬铁基合金粉末的粒度为-300目～+500目。

7.如权利要求3至6中任一权利要求所述的铝合金基体表面的等离子喷涂涂层的制备方法，其特征是：所述的铝合金基体为汽车铝合金发动机工件。