CN106521400A - 一种强化重型卡车气缸套内壁的等离子转移弧喷涂方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种强化重型卡车气缸套内壁的等离子转移弧喷涂方法。本发明对缸套内壁进行超声清洗，采用棕刚玉喷砂粗化处理，采用等离子转移弧喷涂在卡车缸套内壁喷涂铁基粉芯丝材，获得耐磨耐腐蚀涂层，铁基粉芯丝材选用不锈钢外皮，粉芯选用FeCrBSi或FeCrBSi作为金属基材料并添加其它材料作为复合相，对所喷涂获得的涂层进行金刚石砂条珩磨加工。本发明克服了摩擦功耗高、易磨损、易腐蚀、燃油效率低和尾气燃烧不完全等缺陷。本发明降低活塞环与缸套内壁间的摩擦系数，节省燃油，同时显著延长发动机的使用周期。

Description

一种强化重型卡车气缸套内壁的等离子转移弧喷涂方法

技术领域

本发明涉及工程与材料科学，即表面涂层技术、耐磨耐腐蚀涂层领域，特别涉及一种强化重型卡车气缸套内壁的等离子转移弧喷涂方法。

背景技术

重型卡车的燃烧室一般由气缸缸套、气缸盖、活塞和活塞环共同构成，其中气缸套与活塞环是在不稳定的负荷工况、速度工况、热工况以及机油可能不足、燃料和磨粒介质作用下工作。气缸套内壁直接与高温高压燃气接触，承受着活塞环往复的摩擦作用，其结果会造成发动机工作过程中表面磨损以致活塞和气缸之间密闭不良出现窜气现象，严重影响机车的动力性能和使用寿命。气缸套内壁同时还要承受燃料燃烧生成的具有腐蚀性的硫化物等带来的腐蚀作用。因此，强化卡车缸套的耐磨耐蚀性以延长缸套的使用寿命已经成为一个亟待解决的问题。

不同机型的卡车内燃机，对其缸套内表面的要求基本要求都是一样的，即耐磨性、保油性、低摩擦系数、耐燃气腐蚀以及足够的机械强度等。

在本发明作出之前，目前为了满足气缸套内表面的要求，常用的方法有镀铬、高能激光淬火、等离子多元共渗以及热喷涂不锈钢丝或低碳钢丝等。电镀铬过程中产生的六价铬离子对人体和环境会造成长期的伤害，同时镀液还可能含有硫酸和甲酸，会对缸体产生腐蚀。高能激光淬火和等离子多元共渗的方式不仅加工成本高，且最终得到的表面性能受到材料本身的限制，其结果不理想。热喷涂不锈钢涂层虽然具有较好的耐燃气腐蚀性，但涂层的硬度和耐磨性不足，低合金碳钢涂层尽管耐磨性较好，但不耐燃气腐蚀。综上，这些方法存在提高效果有限、成本较高、或者污染环境等问题。

按接电方法不同，等离子弧分为三种：非转移弧、转移弧和联合弧。转移弧与非转移弧的区别是，非转移型等离子弧的钨级接负极喷嘴接正极，转移型等离子弧的钨级接负极而工件接正极。实际工作中，等离子转移弧首先要用喷嘴接正极产生等离子弧来引弧，然后工件接正极把弧引出去。采用等离子转移弧线材工艺可以喷涂几乎所有材质实芯或药芯焊丝，在制备卡车缸套内壁耐磨耐腐蚀涂层方面具有很大优势。

CN201321905Y公开了一种内燃机上使用的气缸套，该方法在缸套内壁表面电镀一层硬质铬，可以使缸套表面具有铬的高硬度、耐磨损和耐腐蚀等优点。本方法克服了现有内燃机缸套表面硬度不高，容易磨损而导致失效的问题，有效延长了内燃机的使用寿命。

CN105648385A发明了一种气缸体缸孔超音速火焰喷涂铁基涂层及其制备方法。该发明制备的铁基涂层可以改变气缸孔表面特性，涂层硬度可达42～50HRC，可以显著提高缸套的耐磨性，且涂层与缸套本身的结合强度可到达60～100MPa，能够保证在使用过程中涂层不会脱落，同时涂层中固有少量孔隙，可以改善发动机在少油缺油状况下的润滑性能。

CN103710660A涉及一种发动机水冷气缸套外壁及内壁尺寸恢复与强化方法。本发明提供一种气缸套的再制造方法，针对气缸套内壁易磨损腐蚀，外壁易穴蚀的缺点，采用内孔等离子喷枪在内壁制备高性能耐磨涂层，超音速等离子喷枪在外壁制备优良防腐涂层。采用这一技术，在修复失效缸套的同时，又充分发挥了功能涂层的耐磨耐蚀防腐等特点，具有很高的经济效益。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述缺陷，研制一种强化重型卡车气缸套内壁的等离子转移弧喷涂方法。

本发明采用的技术方案是：

一种强化重型卡车气缸套内壁的等离子转移弧喷涂方法，其主要技术特征在于，包含以下步骤：

(1)对缸套内壁进行超声清洗以去除油污和杂质；

(2)对待喷涂缸套内壁采用棕刚玉喷砂粗化处理，粗化后的表面粗糙度要求Ra2.0～3.0；

(3)采用等离子转移弧喷涂方法在卡车缸套内壁喷涂铁基粉芯丝材，获得耐磨耐腐蚀涂层；

(4)铁基粉芯丝材选用不锈钢外皮，粉芯选用FeCrBSi，或FeCrBSi作为金属基材料并添加其它材料作为复合相；

(5)对所喷涂获得的涂层进行金刚石砂条珩磨加工。

所述步骤(2)棕刚玉喷砂粗化处理，粗糙度要求不小于Ra 2.0～3.0。

所述步骤(3)中涂层厚度为100～500μm；

所述步骤(4)中的添加其它材料，是金属，或氧化物，或固体润滑材料。

所述步骤(5)处理后的缸套内壁表面粗糙度为Ra 0.15～0.35。

本发明的优点和效果在于：

1)本发明提出一种采用等离子转移弧热喷涂技术强化卡车发动机铸铁缸套的创新方法。

2)针对重型卡车内燃机燃烧室恶劣的工作环境，本发明采用的热喷涂方法以及金属陶瓷复合材料在缸套内壁制造耐磨耐蚀涂层比铸铁缸套发动机要节省1～5％的燃油，同时显著延长发动机的使用周期。

3)铁基合金喷涂原料中含有的固体润滑剂会降低活塞环与缸套内壁间的摩擦系数，涂层中固有的孔隙可以起到储油的效果，在重载缺油状况下可以提供必要的润滑作用。

相比于CN201321905Y介绍的缸套内壁增强方法，热喷涂技术无论在成本还是可行性方面都有很大优势，本专利所采用的方法更为环保，喷涂过程基本没有有害物质产生，对环境污染较小，CN201321905Y涉及的工艺不但成本较高，且镀液易造成环境污染和人体伤害。另外，本专利对材料适应性广，不用针对不同材料制定特定工艺。

相比于专利CN105648385A中的超音速火焰喷涂制备气缸体缸孔涂层的方法，本专利选用的等离子弧具有更高的能量密度，通过放电生成的等离子焰流中心温度可达到10000℃以上，适合喷涂熔点高的陶瓷复合涂层，涂层的沉积效率高。

相比于专利CN103710660A中的非转移弧粉末喷涂，本专利技术利用等离子转移弧丝材喷涂，在保证喷涂涂层质量的前提下，成本更低。采用ABB机械手夹持喷枪，操作更为简单，机械自动化程度更高，减轻了人力劳力。选用自主设计的夹具和通风除尘系统能够保证喷涂过程中粉尘和废气的清除。

附图说明

图1——本发明缸套内壁等离子转移弧喷涂示意图。

图2——本发明等离子转移弧喷涂卡车缸套内壁涂层孔隙分析图。

图中各标号表示对应的部件名称如下：

抽风管1、喷涂涂层2、熔融颗粒3、旋转工作台(由电机驱动)4、(卡车)缸套5、送丝管6、喷枪枪头7、缸套夹具8、冷却空气9。

具体实施方式

为了便于对本发明的理解，下面结合具体实例对本发明技术方案进行清楚完整地描述。显然，本发明的实施方式不限于此，基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有创造性改变的前提下所获得的实施成果均属于本发明保护的范围。

本发明用到的粉原料、仪器、设备等均可从市场购得或通过常规方法制备。

本发明的技术思路是：

针对现役卡车发动机铸铁缸套存在摩擦功耗高、易磨损、易腐蚀、燃油效率低和尾气燃烧不完全等问题，发明了一种采用等离子转移弧线材喷涂的方法，实现在卡车气缸套内壁制备高性能的耐磨耐蚀涂层，从而提高缸套的综合使用性能，并能够明显降低缸套在使用过程中的磨损失效，有效延长卡车缸套的使用周期。

本发明所采用的热喷涂原理图如图1所示：

抽风管1连接卡车缸套5上部，卡车缸套5内壁有喷涂涂层2，卡车缸套5内有送丝管6，送丝管6下端连接喷枪枪头7，卡车缸套5在缸套夹具8内并固定，冷却空气9从卡车缸套5底部进入，缸套夹具8连接在旋转工作台(由电机驱动)4上，喷枪枪头7喷出熔融颗粒3至卡车缸套5内壁，形成喷涂涂层2。

本发明应用过程简要说明：

卡车缸套5通过自主设计的缸套夹具8装夹固定在由伺服电机控制的旋转工作台4上面，喷涂原料焊芯由送丝管6送到喷枪枪头7，等离子弧产生的热源加热融化焊丝形成熔融颗粒3喷射在缸套5的内表面，形成均匀的喷涂涂层2，喷涂过程中卡车缸套5底部不断通有冷却空气9，在卡车缸套5的顶部同时配有抽风管1清除喷涂产生的废气和粉尘。

实施例1：

1.用丙酮对卡车缸套5进行清洗以去除油污和杂质，清洗完成后立刻用压缩空气吹干防止生锈。

2.选用粒度16目的棕刚玉对清洗后的卡车缸套5内壁进行喷砂粗化处理，要求粗化后的卡车缸套5内壁粗糙度为Ra 2.0～3.0.

3.选用直径1.6mm的纯FeCrBSi(具体元素重量百分比为：25～31％Cr，1.0～1.5％B，1.0～2.0％Si，4.0～5.0％C，其余为Fe)填充不锈钢外皮的焊丝作为喷涂原料，用ABB机械手夹持喷枪枪头7，喷枪枪头7等离子气体流量为80SLPM Ar、15SLPM H₂，载气流量为1200SLPM Air，电流120A，喷涂功率为12.5KW，转台转速25转/min，送丝速度为10m/min，喷涂距离为80mm，喷枪枪头7上下平移速度2mm/s。

4.喷涂完成后立刻用石棉纤维毯包裹住缸套，使卡车缸套5内壁涂层不至于因为急冷而降低结合强度。

5.对冷却后的卡车缸套5的喷涂涂层2进行金刚石砂条珩磨加工，达到缸套设计内径。珩磨后喷涂涂层2表面粗糙度要求达到Ra 0.15～0.35。

6.将制备好的缸套涂层切样分析涂层内部孔隙，通过图像法分析制备的纯FeCrBSi涂层截面的孔隙率约为4.203％，如图2所示。

7.将所制备的喷涂涂层2进行球盘干摩擦实验，其中负载10N，频率2Hz，磨痕长度8mm，总摩擦时间4h。涂层的摩擦系数为0.68，磨损率为0.89×10^-5mm³/N·m。

实施例2：

本实施例与实施例1不同之处在于：步骤3中选用的焊丝药芯填充材料为FeCrBSi和20％质量分数Al₂O₃混合均匀的复合粉末，为了防止因FeCrBSi与Al₂O₃密度不同而导致涂层分层的情况发生，将复合粉末采用胶粘法粘结后再填入不锈钢外皮。在步骤6中，复合涂层的孔隙率为3.95％，在步骤7中，相同的摩擦条件下，涂层的摩擦系数为0.71，磨损率为0.68×10^-5mm³/N·m。

实施例3：

本实施例与实施例1不同之处在于：步骤3中选用的焊丝药芯填充材料为FeCrBSi和10％质量分数Mo粉混合均匀的复合粉末，为了防止因FeCrBSi与Mo粉密度不同而导致涂层分层的情况发生，将复合粉末采用胶粘法粘结后再填入不锈钢外皮，喷枪等离子气体流量为75SLPM Ar、10SLPM H₂，载气流量为1200SLPM Air，电流85A，喷涂功率为8.6KW。在步骤6中，复合涂层的孔隙率为2.86％，在步骤7中，相同的摩擦条件下，涂层的摩擦系数为0.62，磨损率为0.75×10^-5mm³/N·m。

实施例4：

本实施例与实施例1不同之处在于：步骤3中选用的焊丝药芯填充材料为FeCrBSi和10％质量分数WC-12Co粉混合均匀的复合粉末，为了防止因FeCrBSi与WC-12Co粉密度不同而导致涂层分层的情况发生，将复合粉末采用胶粘法粘结后再填入不锈钢外皮，喷枪等离子气体流量为80SLPM Ar、10SLPM H₂，载气流量为1200SLPM Air，电流93A，喷涂功率为9.5KW。在步骤6中，复合涂层的孔隙率为3.64％，在步骤7中，相同的摩擦条件下，涂层的摩擦系数为0.67，磨损率为0.81×10^-5mm³/N·m。

实施例5：

本实施例与实施例1不同之处在于：步骤3中选用的焊丝药芯填充材料为FeCrBSi和20％质量分数TiO₂粉混合均匀的复合粉末，为了防止因FeCrBSi与TiO₂粉密度不同而导致涂层分层的情况发生，将复合粉末采用胶粘法粘结后再填入不锈钢外皮，喷枪等离子气体流量为80SLPM Ar、12SLPM H₂，载气流量为1200SLPM Air，电流108A，喷涂功率为11.4KW。在步骤6中，复合涂层的孔隙率为3.73％，在步骤7中，相同的摩擦条件下，涂层的摩擦系数为0.69，磨损率为0.76×10^-5mm³/N·m。

Claims (5)

1.一种强化重型卡车气缸套内壁的等离子转移弧喷涂方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)对缸套内壁进行超声清洗以去除油污和杂质；

(2)对待喷涂缸套内壁采用棕刚玉喷砂粗化处理，粗化后的表面粗糙度要求Ra 2.0～3.0；

(3)采用等离子转移弧喷涂方法在卡车缸套内壁喷涂铁基粉芯丝材，获得耐磨耐腐蚀涂层；

(4)铁基粉芯丝材选用不锈钢外皮，粉芯选用FeCrBSi，或FeCrBSi作为金属基材料并添加其它材料作为复合相；

(5)对所喷涂获得的涂层进行金刚石砂条珩磨加工。

2.根据权利要求1所述的一种强化重型卡车气缸套内壁的等离子转移弧喷涂方法，其特征在于所述步骤(2)棕刚玉喷砂粗化处理，粗糙度要求不小于Ra 6.0～10.0。

3.根据权利要求1所述的一种强化重型卡车气缸套内壁的等离子转移弧喷涂方法，其特征在于所述步骤(3)中涂层厚度为100～500μm。

4.根据权利要求1所述的一种强化重型卡车气缸套内壁的等离子转移弧喷涂方法，其特征在于所述步骤(4)中的添加其它材料，是金属，或氧化物，或固体润滑材料。

5.根据权利要求1所述的一种强化重型卡车气缸套内壁的等离子转移弧喷涂方法，其特征在于所述步骤(5)处理后的缸套内壁表面粗糙度为Ra 0.15～0.35。