CN106978581A - 一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层及其制备和喷涂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层及其制备和喷涂方法，属于气缸套的改进技术领域。本发明的一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层，设置于气缸套的颈部，刮碳环涂层的成分为NiCr‑Cr3C2复合涂层，NiCr合金具有优异的耐热、耐腐蚀、抗高温氧化等性能，还起到粘结相的作用，Cr3C2具有较好的高温硬度和抗高温氧化性，起硬质相的作用。气缸套的成分为硼铸铁，硼铸铁，即在灰铸铁中加入硼，可在金相组织中得到不同数量的含硼渗碳体或莱氏体组织的铸铁，随硼含量的增加，显微硬度增加，但过高的硼加入也会造成韧性降低。本发明能够解决活塞表面极易积累大量积炭、刮碳环配件存在结构本身硬度低、易损坏等问题。
Description
技术领域
本发明涉及气缸套的改进技术领域，尤其涉及一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层及其制备和喷涂方法。
背景技术
随着发动机功率提升和运行时间延长，尤其是使用重油的柴油发动机，与气缸套配合的活塞表面极易积累大量积炭，这些积累的积炭一方面影响了发动机的稳定运行，另一方面导致润滑油消耗的迅速上升，进而提升运行成本，在此背景下刮碳环技术应运而生。现有技术中，在气缸套内设置刮碳环主要有两类结构形式，一种是通过在气缸套内合适位置喷涂复合材料形成刮碳环，另外一种是设计单独的与气缸套配套的刮碳环配件。喷涂工艺制备的刮碳环由于对于复合材料要求较高，加上结构本身的缺陷，目前应用的已经较为有限。而单独设计的刮碳环配件，由于与气缸套配合较为紧密，且易于更换和维修，因而是目前活塞表面除碳的主要方式，因此，气缸套刮碳环的设计是降低部件磨损、节约润滑油成本的有效方法之一，但是现有技术中的刮碳环配件存在结构本身硬度低、易损坏的缺陷，因而十分有必要对刮碳环的配方及制备工艺进行适当研究和改进。
美国Rutger大学的Sadangi等人利用“喷雾干燥→还原分解→气相碳化”工艺制备了粒度为0.6μm的Cr3C2粉末(参见R.K.Sadangi，L.E.McCandlish，B.H.Kear，P.Seegopaul.Synthesisandcharacterizationofsubmicronvanadiumandchromiumcarbidegraingrowthinhibitors.AdvancesinPowderMetallurgy&ParticularMaterials，1998：P9-P15)。其工艺过程为：首先制备含Cr的前驱体溶液，然后进行喷雾干燥，再将喷雾干燥的粉末进行热解，将热解后的产物用CH4/H2混合气体进行气相碳化。该方法存在的主要问题是工艺较复杂，并且制得的碳化铬粉末的粒度偏大，不能满足碳化铬粉末在现代工业中的应用。
经检索，中国专利申请，公开号：CN105803302A，公开日：2016.07.27，公开了一种刮碳环及其制备方法。该刮碳环采用离心铸造工艺制备而成，以重量百分比计，该刮碳环的化学组成具体为：碳2.6～3.0％、硅1.7～2.2％；磷0.25～0.5％、硫＜0.1％、锰0.5～1.0％、硼0.25～0.5％、铜0.3～0.6％、铬＜0.2％、钼0.3～0.7％、镍0.3～0.6％；余量为Fe。该发明所提供的刮碳环具有生产周期短、成本低、抗拉强度高等优点，初步应用实验表明，能够较好去除活塞表面积炭，降低润滑油消耗，但该发明的刮碳环采用离心铸造工艺制作，和气缸套是硬接触，过载使用时，容易互相损伤而缩短双方的使用寿命。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对现有技术中存在与气缸套配合的活塞表面极易积累大量积炭、刮碳环配件存在结构本身硬度低、易损坏等问题，本发明提供了一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层及其制备和喷涂方法。它通过优化涂层成分及分布，具有良好的耐锌液腐蚀、耐磨损性能，并达到了提高涂层与气缸套基层的结合强度的目的。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层，设置于气缸套的颈部，所述刮碳环涂层的成分为NiCr-Cr3C2复合涂层，NiCr合金具有优异的耐热、耐腐蚀、抗高温氧化等性能，还起到粘结相的作用，Cr3C2具有较好的高温硬度和抗高温氧化性，起硬质相的作用，在涂层中还主要起到第二相粒子弥散强化的作用，能够解决气缸套内活塞表面极易积累大量积炭、刮碳环配件存在结构本身硬度低、易损坏等问题。而且，NiCr-Cr3C2具有与气缸套相近的线膨胀系数，从而可大大降低因热冲击而造成的涂层剥落甚至失效，从而解决了本发明的技术问题。所述气缸套的成分为硼铸铁，硼铸铁，即在灰铸铁中加入硼，可在金相组织中得到不同数量的含硼渗碳体或莱氏体组织的铸铁，随硼含量的增加，显微硬度增加，但过高的硼加入也会造成韧性降低。发明人经过对比试验发现，硼铸铁和NiCr-Cr3C2复合涂层有比较强的亲和力，因此，两者可以协同作用，提高两者之间的结合强度。
进一步的技术方案，NiCr-Cr3C2复合涂层厚度为400～500μm，气缸套喷涂了刮碳环之后，其内径通常比缸套小400～500μm，因而，缸套内形成阶梯形；其上、下方各车有退刀槽，中间形成刮碳环刃口，活塞头部积碳在往复运动过程中不断被刀口刮除掉，不能形成厚的积碳，刮下的积碳立即被排气吹走，缸套表面的油膜不被破坏，缸套和活塞环保持良好的润滑状态，因此，可以大大降低缸套和活塞环的的磨损，并使其长久保持密封状态。
进一步的技术方案，硼铸铁中硼的含量为0.05～0.12％，可在金相组织中得到不同数量的含硼渗碳体或莱氏体组织的铸铁，随着硼含量的增加，显微硬度增加，但过高的硼加入也会造成韧性降低，该限定范围是发明人根据NiCr-Cr3C2复合涂层的使用，克服了只能添加0.03～0.08％的技术偏见，发明人发现即便是超过0.08％的添加，气缸套的使用寿命和使用效果相较于0.08％以下的添加反而更好，使用寿命提高了50-70％；所述NiCr-Cr3C2复合涂层中，Cr3C2含量为70～80％，NiCr为20～30％，这两个百分比范围的NiCr粘结层与NiCr-Cr3C2金属陶瓷具有较好的互熔性，其中Cr3C2含量多为80％，NiCr为20％，后续通过耐磨性等表征方法的检测，可以证明是最佳比例。
一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层的制备方法，其中，所述Cr3C2的制备方法为：
步骤一：混合：将重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体置于蒸馏水或去离子水中，混合搅拌均匀呈流体状，加入模具中压制成型呈前驱体；压制后呈块状，以方便进行急冻；
步骤二：急冻：将前驱体快速转入急冻空间中进行急冻；急冻的目的是在尽可能短的时间里让流体冻结，重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体搅拌均匀后迅速定位，以防止块状流体由于密度的不同而分层，造成后续冻干处理后铬源和碳源的分布不均，而造成碳化反应不均衡的不良后果；
步骤三：冻干：将急冻好的前驱体快速转入真空冷冻干燥仓中进行冻干，冻干后的块状体只是水分子升华后形成的多微孔状蜂窝块，体积变化微小，均匀的铬源和碳源定位不会发生变化，而且，冻干过程中，重铬酸铵粉体在低温下干燥过程中发生下列反应：
(NH4)2Cr2O7(s)＝Cr2O3(s)+N2↑+4H2O(2-1)
步骤四：碳化：关闭真空冷冻干燥仓冷阱，随着温度的升高，碳逐渐将铬的高价氧化物还原成铬的低价氧化物，位置固定的碳源和其周围位置也相对固定的铬源进行反应，最终生成均匀的碳化铬，而且还是纳米级的碳化铬；由于冻干后块状体微孔孔隙的均匀性，反应中热量的吸收也比较均匀，从而实现制得粒度均匀的纳米级的碳化铬的目的；
3Cr2O3(s)+13C(s)＝2Cr3C2(s)+9CO(2-2)；
3(NH4)2Cr2O7(s)+13C(s)＝2Cr3C2(s)+9CO+12H2O+3N2↑(2-3)(整体反应过程)。
进一步的制备方法，步骤一中，重铬酸铵和纳米碳黑粉体的配比为1：(0.17～0.21)，以防止碳源或铬源过多的残留；蒸馏水或去离子水用量为：粉体总重的55％～60％，对于重铬酸铵和纳米碳黑粉体的均匀混合来说，是适宜的流体成型状态范围；步骤二中急冻温度为-100～-140℃，时间为30～150min，以达到迅速和彻底形成块状体的效果；步骤四中，升温至900～1200℃进行碳化还原。
进一步的制备方法，步骤三中，冻干工艺曲线为：
A、初期：板温0℃～100℃，升温斜率2℃/min，100℃保持30～40分钟，抽真空至60Pa以内；
B、中期：板温降温至80～85℃/min，保持50～60分钟，真空控制在100Pa以内；
C、后期，板温降温至50～65℃/min，保持80～200分钟，真空控制在80Pa以内。
冻干过程中，保持物料的相对低温状态，防止反应过于强烈而导致反应不均匀；
一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层的喷涂方法，步骤为：
步骤1)前处理：对需要喷涂的部位进行净化处理，再装好工装，对非喷涂面进行遮蔽保护，之后在专用转台上对相应部位进行粗化；
步骤2)喷涂：用HVOF方法进行喷涂，由于本发明的多元合金涂层中的各种成分，均能够制得纳米级的粒度，因此，用HVOF(超音速喷涂)方法进行喷涂，效果更加明显，制得的合金涂层附着力更强，涂层的孔隙率更小；
步骤3)打磨：用磨床磨加工至设计尺寸；
步骤4)封孔：用无机硅酸盐封孔剂进行封孔。
进一步的喷涂方法，净化处理中，打磨使用800#～1000#碳化硅砂纸对基材表面进行打磨，用无水乙醇清洗，丙酮脱脂；将气缸套内表面机械打磨至Sa3级清洁度；
进一步的喷涂方法，净化处理后再进行喷砂处理，喷砂处理使用粒径为0.1～0.5mm铸铁砂为磨粒，压缩空气压力＞0.8MPa，喷砂距离为80～100mm，喷砂角度为20°，使精糙度到达RZ40～70μm。
进一步的喷涂方法，还包括步骤3)：冷却后用激光器进行激光重熔工艺处理，激光功率为900～1000W，扫描速度为550～600mm/min，光斑大小10×3mm。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层，气缸套的成分为硼铸铁，硼铸铁，即在灰铸铁中加入硼，可在金相组织中得到不同数量的含硼渗碳体或莱氏体组织的铸铁，随硼含量的增加，显微硬度增加，但过高的硼加入也会造成韧性降低。刮碳环涂层的成分为NiCr-Cr3C2复合涂层，NiCr合金具有优异的耐热、耐腐蚀、抗高温氧化等性能，还起到粘结相的作用，Cr3C2具有较好的高温硬度和抗高温氧化性，起硬质相的作用，在涂层中还主要起到第二相粒子弥散强化的作用，能够解决气缸套在高温复杂工况下极易损耗、使用寿命偏低的问题。而且，NiCr-Cr3C2具有与气缸套相近的线膨胀系数，从而可大大降低因热冲击而造成的涂层剥落甚至失效，从而解决了本发明的技术问题；发明人经过对比试验发现，硼铸铁和NiCr-Cr3C2复合涂层有比较强的亲和力，因此，两者可以协同作用，提高两者之间的结合强度，甚至可以提高硼的添加量；
(2)本发明的一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层，缸套喷涂了刮碳环之后，其内径通常比缸套小，因而，缸套内形成阶梯形；其上、下方各车有退刀槽，中间形成刮碳环刃口，活塞头部积碳在往复运动过程中不断被刀口刮除掉，不能形成厚的积碳，刮下的积碳立即被排气吹走，缸套表面的油膜不被破坏，缸套和活塞环保持良好的润滑状态，因此，可以大大降低缸套和活塞环的的磨损，并使其长久保持密封状态；
(3)本发明的一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层，随着硼含量的增加，显微硬度增加，但过高的硼加入也会造成韧性降低，该限定范围是发明人根据NiCr-Cr3C2复合涂层的使用，克服了只能添加0.03～0.08％的技术偏见，发明人发现即便是超过0.08％的添加，气缸套的使用寿命和使用效果相较于0.08％以下的添加反而更好，使用寿命提高了50-70％；Cr3C2含量为70～80％，NiCr为20～30％，这两个百分比范围限定的NiCr粘结层与NiCr-Cr3C2金属陶瓷具有较好的互熔性，其中Cr3C2含量多为80％，NiCr为20％，后续通过耐磨性等表征方法的检测，可以证明是最佳比例；
(4)本发明的一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层的制备方法，尤其是Cr3C2的冻干工艺制备方法，冻干后的前驱块状体只是水分子升华后形成的多微孔状蜂窝块，体积变化微小，均匀的铬源和碳源定位不会发生变化，位置固定的碳源和其周围位置也相对固定的铬源进行反应，最终生成均匀的碳化铬，而且还是纳米级的碳化铬；由于冻干后块状体微孔孔隙的均匀性，反应中热量的吸收也比较均匀，从而实现制得粒度均匀的纳米级的碳化铬的目的；
(5)本发明的一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层的制备方法，冻干工艺的使用，使重铬酸铵和纳米碳黑粉体的配比限定范围可以根据化学反应式进行尽量精确的确定，避免了过多的杂质，能够防止碳源或铬源过多的残留而影响膜层质量；
(6)本发明的一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层的制备方法，冻干过程中，加热板温度的范围限定，能够保持物料的相对低温状态(低于加热板温)，防止反应过于强烈而导致反应不均匀；
(7)本发明的一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层的喷涂方法，用HVOF方法进行喷涂，由于本发明的多元合金涂层中的各种成分，均能够制得纳米级的粒度，因此，用HVOF(超音速喷涂)方法进行喷涂，效果更加明显，制得的合金涂层附着力更强，涂层的孔隙率更小；
(8)本发明的一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层的喷涂方法，喷涂前处理以及喷涂中的各种工艺参数，均是发明人结合本发明制得的纳米级粉料，在进行了各种数据采集、分析、总结等创造性劳动的基础上获得，制得的涂层的强度达到80MPa以上，硬度达到1200HV以上，孔隙率1％以下，而且，在硬度试验：NiCr/Cr3C2-20NiCr涂层由界面至面层表面，显微硬度逐步升高，最高达1363.3HV；
(9)本发明的一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层，在使用过程中，大大延长了缸套和活塞环的使用寿命；明显阻止了燃气串入曲轴箱，减少对润滑油污染程度，降低了润滑油的消耗量；由于润滑油污染程度小，相应的自清滤清器等油路配件使用寿命延长，清理工作量减少，维护成本降低；降低了柴油机各种轴承的磨损，延长了机组的使用寿命；
(10)本发明的一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层的喷涂方法，激光重熔工艺可使涂层与基材形成冶金结合，其合金层的金相组织均有细密的针状或枝状的共晶组织，提高了金属原子的亲和力，进而进一步提高了涂层与基材结合程度。
附图说明
图1为本发明的硼铸铁气缸套刮碳环涂层放大后结构示意图；
图2为实施例中对比例的NiCr/1Cr13涂层横截面显微硬度分布图；
图3为本发明的Cr3C2-20NiCr涂层横截面显微硬度分布图；
图4为涂层截面显微硬度分布统计图。
图中：1、气缸套；2、刮碳环涂层；21、刮碳环刃口；22、退刀槽。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述(注：如未特别注明，实施例中含量表示为重量含量)。
实施例1
本实施例的硼铸铁气缸套刮碳环涂层2，如图1所示，设置于气缸套1的颈部，所述刮碳环涂层2的成分为NiCr-Cr3C2复合涂层，NiCr合金具有优异的耐热、耐腐蚀、抗高温氧化等性能，还起到粘结相的作用，Cr3C2具有较好的高温硬度和抗高温氧化性，起硬质相的作用，在涂层中还主要起到第二相粒子弥散强化的作用，能够解决气缸套1在高温复杂工况下极易损耗、使用寿命偏低的问题。而且，NiCr-Cr3C2具有与气缸套1相近的线膨胀系数，从而可大大降低因热冲击而造成的涂层剥落甚至失效，从而解决了本发明的技术问题。所述气缸套1的成分为硼铸铁，硼铸铁，即在灰铸铁中加入硼，可在金相组织中得到不同数量的含硼渗碳体或莱氏体组织的铸铁，随硼含量的增加，显微硬度增加，但过高的硼加入也会造成韧性降低。发明人经过对比试验发现，硼铸铁和NiCr-Cr3C2复合涂层有比较强的亲和力，因此，两者可以协同作用，提高两者之间的结合强度。
本实施例的硼铸铁气缸套刮碳环涂层材料准备：NiCr-Cr3C2混合纳米粉；
本实施例一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层的喷涂方法，步骤为：
步骤1)前处理：对需要喷涂的部位进行净化处理，再装好工装，对非喷涂面进行遮蔽保护，之后在专用转台上对相应部位进行粗化；
步骤2)喷涂：用HVOF方法进行喷涂，由于本发明的多元合金涂层中的各种成分，均能够制得纳米级的粒度，因此，用HVOF(超音速喷涂)方法进行喷涂，效果更加明显，制得的合金涂层附着力更强，涂层的孔隙率更小；
步骤3)打磨：用磨床磨加工至设计尺寸；
步骤4)封孔：用无机硅酸盐封孔剂进行封孔。
实施例2
本实施例的硼铸铁气缸套刮碳环涂层，基本结构同实施例1，不同和改进之处在于：NiCr-Cr3C2复合涂层厚度为400μm，气缸套1喷涂了刮碳环涂层2之后，其内径通常比缸套小400μm，因而，缸套内形成阶梯形；其上、下方各车有退刀槽22，中间形成刮碳环刃口21，活塞头部积碳在往复运动过程中不断被刀口刮除掉，不能形成厚的积碳，刮下的积碳立即被排气吹走，缸套表面的油膜不被破坏，缸套和活塞环保持良好的润滑状态，因此，可以大大降低缸套和活塞环的的磨损，并使其长久保持密封状态。
实施例3
本实施例的硼铸铁气缸套刮碳环涂层，基本结构同实施例1，不同和改进之处在于：硼铸铁中硼的含量为0.05％；NiCr-Cr3C2复合涂层厚度为500μm，Cr3C2含量为70％，NiCr为30％。
本实施例的硼铸铁气缸套刮碳环涂层材料准备：NiCr-Cr3C2混合纳米粉，其中，纳米Cr3C2粉的制备方法为：
步骤一：混合：将重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体按重量比1：0.17的配比置于粉体总重55％的蒸馏水中，混合搅拌均匀呈流体状，加入方形模具中压制成型呈前驱体；压制后呈块状，以方便进行急冻；
步骤二：急冻：将前驱体快速转入-100℃急冻空间中进行急冻150min；急冻的目的是在尽可能短的时间里让流体冻结，重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体搅拌均匀后迅速定位，以防止块状流体由于密度的不同而分层，造成后续冻干处理后铬源和碳源的分布不均；
步骤三：冻干：将急冻好的前驱体快速转入真空冷冻干燥仓中进行冻干，板温控制在100℃以下，冻干后的块状体只是水分子升华后形成的多微孔状蜂窝块，体积变化微小，均匀的铬源和碳源定位不会发生变化，而且，冻干过程中，重铬酸铵粉体在低温下干燥过程中发生下列反应：
(NH4)2Cr2O7(s)＝Cr2O3(s)+N2↑+4H2O(2-1)
步骤四：碳化：关闭真空冷冻干燥仓冷阱，随着温度的升高，碳逐渐将铬的高价氧化物还原成铬的低价氧化物，位置固定的碳源和其周围位置也相对固定的铬源进行反应，最终生成均匀的碳化铬，而且还是纳米级的碳化铬；由于冻干后块状体微孔孔隙的均匀性，反应中热量的吸收也比较均匀，从而实现制得粒度均匀的纳米级的碳化铬的目的；
3Cr2O3(s)+13C(s)＝2Cr3C2(s)+9CO(2-2)(碳化反应)；
3(NH4)2Cr2O7(s)+13C(s)＝2Cr3C2(s)+9CO+12H2O+3N2↑(2-3)(整体反应过程)
本实施例一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层的喷涂方法，步骤为：
步骤1)前处理：将气缸套表面机械打磨，打磨使用800#～1000#碳化硅砂纸对基材表面进行打磨，用无水乙醇清洗，丙酮脱脂；将气缸套表面机械打磨至至少Sa3级清洁度；后喷砂处理，使用粒径为0.1mm铸铁砂为磨粒，压缩空气压力1.0MPa，喷砂距离为80mm，喷砂角度为20°，使精糙度到达RZ40μm；
步骤2)喷涂：用HVOF方法进行喷涂：
NiCr-Cr3C2的喷涂方法参数为：氧气流量：55SCFH；煤油流量：22LPH；喷涂距离360mm。
本实施例一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层，经检测：
涂层结合强度测试：根据GB/T8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定方法：制得的涂层的强度达到89MPa；
涂层硬度分析：采用维氏硬度计进行测量，硬度达到1200HV以上，
涂层孔隙率采用涂膏法：将含有试液的膏状物均匀涂敷在经过清洁和干燥处理的试样表面。膏状物中的试液渗入涂层孔隙，与基体金属作用，生成具有特征颜色的斑点，对膏体上有色斑点数目进行计数，即可得到涂层孔隙率，测得孔隙率0.77％；
抗高温性能：在800℃抗氧化性能是10号钢的20倍，可有效提高硼铸铁的使用寿命。
实施例4
本实施例的硼铸铁气缸套刮碳环涂层，基本结构同实施例1，不同和改进之处在于：硼铸铁中硼的含量为0.07％；NiCr-Cr3C2复合涂层厚度为450μm，Cr3C2含量为75％，NiCr为25％。
本实施例的硼铸铁气缸套刮碳环涂层材料准备：NiCr-Cr3C2混合纳米粉，其中，纳米Cr3C2粉的制备方法为：
步骤一：混合：将重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体按重量比1：0.21的配比置于粉体总重60％的蒸馏水中，混合搅拌均匀呈流体状，加入方形模具中压制成型呈前驱体；用2Mpa压力压制后呈块状，压至厚度为3cm，以方便进行急冻；
步骤二：急冻：将前驱体快速转入-140℃急冻空间中进行急冻30min；
步骤三：冻干：将急冻好的前驱体快速转入真空冷冻干燥仓中进行冻干，冻干工艺曲线为：
A、初期：板温0℃～100℃，升温斜率2℃/min，100℃保持30分钟，抽真空至60Pa以内；
B、中期：板温降温至80℃/min，保持60分钟，真空控制在100Pa以内；
C、后期，板温降温至50℃/min，保持200分钟，真空控制在80Pa以内。
步骤四：碳化：关闭真空冷冻干燥仓冷阱，采用快速升温后再阶段式降温的模式，30分钟内升温至1200℃保持30分钟，10分钟内降温至1100℃再保持40分钟，10分钟内再降温至1000℃保温20分钟，10分钟内再降温至900℃保持10分钟，这种阶段式降温的优点是，保持反应的稳定性，进而可以保证碳化反应的均匀性以及实现制得粒度更加均匀的纳米级的碳化铬，经SEM扫描电镜检测，颗粒尺寸大约为35-40nm之间，粒度差距较小。
本实施例一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层的喷涂方法，步骤为：
步骤1)前处理：将气缸套表面机械打磨，打磨使用1000#碳化硅砂纸对基材表面进行打磨，用无水乙醇清洗，丙酮脱脂；将气缸套表面机械打磨至至少Sa3级清洁度；后喷砂处理，使用粒径为0.5mm铸铁砂为磨粒，压缩空气压力1.2MPa，喷砂距离为100mm，喷砂角度为20°，使精糙度到达RZ70μm；再装好工装，对非喷涂面进行遮蔽保护，之后在专用转台上对相应部位进行粗化；
步骤2)喷涂：用HVOF方法进行喷涂：
NiCr-Cr3C2的喷涂方法参数为：氧气流量：57SCFH；煤油流量：21LPH；喷涂距离370mm。；
步骤3)打磨：用磨床磨加工至设计尺寸；
步骤4)封孔：用无机硅酸盐封孔剂进行封孔。
本实施例一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层，经检测：
涂层结合强度测试：根据GB/T8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定方法：制得的涂层的强度达到97MPa；
涂层硬度分析：采用维氏硬度计进行测量，硬度达到1300HV以上，
涂层孔隙率采用涂膏法：将含有试液的膏状物均匀涂敷在经过清洁和干燥处理的试样表面。膏状物中的试液渗入涂层孔隙，与基体金属作用，生成具有特征颜色的斑点，对膏体上有色斑点数目进行计数，即可得到涂层孔隙率，测得孔隙率0.67％；
抗高温性能：在800℃抗氧化性能是10号钢的25倍，可有效提高硼铸铁的使用寿命。
检测时，发明人还研究了涂层在500℃(每隔10min淬火一次)高温条件下的热震性能，NiCr/Cr3C2-25NiCr涂层经50余次循环而不发生剥落。
强度试验：采用E-7胶作为粘结剂，固化后开展拉伸实验，以0.1mm/min速率拉伸，拉伸强度为97.5MPa时，粘结试样发生断裂，断裂面为胶结层内，表明涂层结合强度大于97.5MPa。
实施例5
本实施例的硼铸铁气缸套刮碳环涂层，基本结构同实施例1，不同和改进之处在于：硼铸铁中硼的含量为0.09％；NiCr-Cr3C2复合涂层厚度为460μm，Cr3C2含量为80％，NiCr为20％。
本实施例的硼铸铁气缸套刮碳环涂层材料准备：NiCr-Cr3C2混合纳米粉，其中，纳米Cr3C2粉的制备方法为：
步骤一：混合：将重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体按重量比1：0.19的配比置于粉体总重60％的蒸馏水中，混合搅拌均匀呈流体状，加入方形模具中压制成型呈前驱体；用1.2Mpa压力压制后呈块状，压至厚度为2cm，以方便进行急冻；
步骤二：急冻：将前驱体快速转入-120℃急冻空间中进行急冻80min；
步骤三：冻干：将急冻好的前驱体快速转入真空冷冻干燥仓中进行冻干，冻干工艺曲线为：
A、初期：板温0℃～100℃，升温斜率2℃/min，100℃保持40分钟，抽真空至60Pa以内；
B、中期：板温降温至85℃/min，保持50分钟，真空控制在100Pa以内；
C、后期，板温降温至55℃/min，保持120分钟，真空控制在80Pa以内。
步骤四：碳化：关闭真空冷冻干燥仓冷阱，采用快速升温后再阶段式降温的模式，40分钟内升温至1200℃保持25分钟，10分钟内降温至1100℃再保持45分钟，10分钟内再降温至1000℃保温30分钟，5分钟内再降温至900℃保持5分钟，这种阶段式降温的优点是，保持反应的稳定性，进而可以保证碳化反应的均匀性以及实现制得粒度更加均匀的纳米级的碳化铬，经SEM扫描电镜检测，颗粒尺寸大约为35-40nm之间，粒度差距较小。
本实施例一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层的喷涂方法，步骤为：
步骤1)前处理：将气缸套表面机械打磨，打磨使用900#碳化硅砂纸对基材表面进行打磨，用无水乙醇清洗，丙酮脱脂；将气缸套表面机械打磨至至少Sa3级清洁度；后喷砂处理，使用粒径为0.25mm铸铁砂为磨粒，压缩空气压力1.0MPa，喷砂距离为90mm，喷砂角度为20°，使精糙度到达RZ50μm；再装好工装，对非喷涂面进行遮蔽保护，之后在专用转台上对相应部位进行粗化；
步骤2)喷涂：用HVOF方法进行喷涂：
NiCr-Cr3C2的喷涂方法参数为：氧气流量：59SCFH；煤油流量：21LPH；喷涂距离370mm；
步骤3)打磨：用磨床磨加工至设计尺寸；
步骤4)封孔：用无机硅酸盐封孔剂进行封孔。
本实施例一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层，经检测：
涂层结合强度测试：根据GB/T8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定方法：制得的涂层的强度达到103.6MPa；
涂层硬度分析：采用维氏硬度计进行测量，硬度达到1350HV以上，
涂层孔隙率采用涂膏法：将含有试液的膏状物均匀涂敷在经过清洁和干燥处理的试样表面。膏状物中的试液渗入涂层孔隙，与基体金属作用，生成具有特征颜色的斑点，对膏体上有色斑点数目进行计数，即可得到涂层孔隙率，测得孔隙率0.61％；
抗高温性能：在800℃抗氧化性能是10号钢的29倍，有效提高了硼铸铁的使用寿命。
检测时，发明人还研究了涂层在500℃(每隔10min淬火一次)高温条件下的热震性能，NiCr/Cr3C2-25NiCr涂层经60余次循环而不发生剥落。
强度试验：采用E-7胶作为粘结剂，固化后开展拉伸实验，以0.1mm/min速率拉伸，拉伸强度为107.5MPa时，粘结试样发生断裂，断裂面为胶结层内，表明涂层结合强度大于107.5MPa。
实施例6
本实施例的硼铸铁气缸套刮碳环涂层，基本结构同实施例1，不同和改进之处在于：硼铸铁中硼的含量为0.10％；NiCr-Cr3C2复合涂层厚度为470μm，Cr3C2含量为80％，NiCr为20％。
本实施例的硼铸铁气缸套刮碳环涂层材料准备：NiCr-Cr3C2混合纳米粉，其中，纳米Cr3C2粉的制备方法为：
步骤一：混合：将重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体按重量比1：0.20的配比置于粉体总重60％的蒸馏水中，混合搅拌均匀呈流体状，加入方形模具中压制成型呈前驱体；用1.4Mpa压力压制后呈块状，压至厚度为2.5cm，以方便进行急冻；
步骤二：急冻：将前驱体快速转入-110℃急冻空间中进行急冻90min；
步骤三：冻干：将急冻好的前驱体快速转入真空冷冻干燥仓中进行冻干，冻干工艺曲线为：
A、初期：板温0℃～100℃，升温斜率2℃/min，100℃保持35分钟，抽真空至60Pa以内；
B、中期：板温降温至80℃/min，保持50分钟，真空控制在100Pa以内；
C、后期，板温降温至60℃/min，保持100分钟，真空控制在80Pa以内。
步骤四：碳化：关闭真空冷冻干燥仓冷阱，采用快速升温后再阶段式降温的模式，40分钟内升温至1200℃保持25分钟，10分钟内降温至1100℃再保持45分钟，10分钟内再降温至1000℃保温30分钟，5分钟内再降温至900℃保持5分钟，这种阶段式降温的优点是，保持反应的稳定性，进而可以保证碳化反应的均匀性以及实现制得粒度更加均匀的纳米级的碳化铬，经SEM扫描电镜检测，颗粒尺寸大约为30-35nm之间，粒度差距较小。
本实施例一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层的喷涂方法，步骤为：
步骤1)前处理：将气缸套表面机械打磨，打磨使用1100#碳化硅砂纸对基材表面进行打磨，用无水乙醇清洗，丙酮脱脂；将气缸套表面机械打磨至至少Sa3级清洁度；后喷砂处理，使用粒径为0.15mm铸铁砂为磨粒，压缩空气压力1.3MPa，喷砂距离为80mm，喷砂角度为20°，使精糙度到达RZ40μm；再装好工装，对非喷涂面进行遮蔽保护，之后在专用转台上对相应部位进行粗化；
步骤2)喷涂：用HVOF方法进行喷涂：
NiCr-Cr3C2的喷涂方法参数为：氧气流量：60SCFH；煤油流量：23LPH；喷涂距离390mm；
步骤3)打磨：用磨床磨加工至设计尺寸；
步骤4)封孔：用无机硅酸盐封孔剂进行封孔；
步骤5)：冷却后用激光器进行激光重熔工艺处理，激光功率为900W，扫描速度为550mm/min，光斑大小10×3mm。
实施例7
对比试验：NiCr/1Cr13涂层，粒度、厚度及工艺参数相同，制得的NiCr/1Cr13涂层，采用金相显微硬度分析，如图2所示，由界面至面层表面，硬度为236.5、271.5、361.2、525.4、608.7、844.7。
本实施例6的硼铸铁气缸套刮碳环涂层采用金相显微硬度分析，如图3所示，由界面至面层表面，硬度为253.4、334.1、751.2、1004.4、1122.9、1363.3。
两种涂层截面硬度多点数据采集整理结果如图4所示，可以看出，本发明的NCr3C2-20NiCr涂层由界面至面层表面，显微硬度逐步升高，最高达1363.3HV。
强度试验：采用E-7胶作为粘结剂，固化后开展拉伸实验，以0.1mm/min速率拉伸，拉伸强度为115.0MPa时，粘结试样发生断裂，断裂面为胶结层内，表明涂层结合强度大于115.0MPa。
实施例8
本实施例的硼铸铁气缸套刮碳环涂层，基本结构同实施例1，不同和改进之处在于：硼铸铁中硼的含量为0.11％；NiCr-Cr3C2复合涂层厚度为480μm，Cr3C2含量为80％，NiCr为20％。
本实施例的硼铸铁气缸套刮碳环涂层材料准备：NiCr-Cr3C2混合纳米粉，其中，纳米Cr3C2粉的制备方法为：
步骤一：混合：将重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体按重量比1：0.18的配比置于粉体总重60％的蒸馏水中，混合搅拌均匀呈流体状，加入方形模具中压制成型呈前驱体；用1.1Mpa压力压制后呈块状，压至厚度为3cm，以方便进行急冻；
步骤二：急冻：将前驱体快速转入-130℃急冻空间中进行急冻100min；
步骤三：冻干：将急冻好的前驱体快速转入真空冷冻干燥仓中进行冻干，冻干工艺曲线为：
A、初期：板温0℃～100℃，升温斜率2℃/min，100℃保持40分钟，抽真空至60Pa以内；
B、中期：板温降温至85℃/min，保持50分钟，真空控制在100Pa以内；
C、后期，板温降温至55℃/min，保持120分钟，真空控制在80Pa以内。
步骤四：碳化：关闭真空冷冻干燥仓冷阱，采用快速升温后再阶段式降温的模式，40分钟内升温至1200℃保持25分钟，10分钟内降温至1100℃再保持45分钟，10分钟内再降温至1000℃保温30分钟，5分钟内再降温至900℃保持5分钟，这种阶段式降温的优点是，保持反应的稳定性，进而可以保证碳化反应的均匀性以及实现制得粒度更加均匀的纳米级的碳化铬，经SEM扫描电镜检测，颗粒尺寸大约为35-40nm之间，粒度差距较小。
本实施例一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层的喷涂方法，步骤为：
步骤1)前处理：将气缸套表面机械打磨，打磨使用1200#碳化硅砂纸对基材表面进行打磨，用无水乙醇清洗，丙酮脱脂；将气缸套表面机械打磨至至少Sa3级清洁度；后喷砂处理，使用粒径为0.2mm铸铁砂为磨粒，压缩空气压力1.1MPa，喷砂距离为85mm，喷砂角度为20°，使精糙度到达RZ40μm；再装好工装，对非喷涂面进行遮蔽保护，之后在专用转台上对相应部位进行粗化；
步骤2)喷涂：用HVOF方法进行喷涂：
NiCr-Cr3C2的喷涂方法参数为：氧气流量：59SCFH；煤油流量：21LPH；喷涂距离370mm；
步骤3)打磨：用磨床磨加工至设计尺寸；
步骤4)封孔：用无机硅酸盐封孔剂进行封孔；
步骤5)：冷却后用激光器进行激光重熔工艺处理，激光功率为1000W，扫描速度为650mm/min，光斑大小10×3mm。
本实施例一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层，经检测：
涂层结合强度测试：根据GB/T8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定方法：制得的涂层的强度达到124.4MPa；
涂层硬度分析：采用维氏硬度计进行测量，硬度达到1360HV以上，
涂层孔隙率采用涂膏法：将含有试液的膏状物均匀涂敷在经过清洁和干燥处理的试样表面。膏状物中的试液渗入涂层孔隙，与基体金属作用，生成具有特征颜色的斑点，对膏体上有色斑点数目进行计数，即可得到涂层孔隙率，测得孔隙率0.37％；
抗高温性能：在800℃抗氧化性能是10号钢的30倍，有效提高了硼铸铁的使用寿命。
实施例9
本实施例的硼铸铁气缸套刮碳环涂层，基本结构同实施例1，不同和改进之处在于：硼铸铁中硼的含量为0.12％；NiCr-Cr3C2复合涂层厚度为450μm，Cr3C2含量为80％，NiCr为20％。
本实施例的硼铸铁气缸套刮碳环涂层材料准备：NiCr-Cr3C2混合纳米粉，其中，纳米Cr3C2粉的制备方法为：
步骤一：混合：将重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体按重量比1：0.20的配比置于粉体总重60％的蒸馏水中，混合搅拌均匀呈流体状，加入方形模具中压制成型呈前驱体；用1.4Mpa压力压制后呈块状，压至厚度为2.5cm，以方便进行急冻；
步骤二：急冻：将前驱体快速转入-110℃急冻空间中进行急冻90min；
步骤三：冻干：将急冻好的前驱体快速转入真空冷冻干燥仓中进行冻干，冻干工艺曲线为：
A、初期：板温0℃～100℃，升温斜率2℃/min，100℃保持35分钟，抽真空至60Pa以内；
B、中期：板温降温至80℃/min，保持50分钟，真空控制在100Pa以内；
C、后期，板温降温至60℃/min，保持100分钟，真空控制在80Pa以内。
步骤四：碳化：关闭真空冷冻干燥仓冷阱，采用快速升温后再阶段式降温的模式，40分钟内升温至1200℃保持25分钟，10分钟内降温至1100℃再保持45分钟，10分钟内再降温至1000℃保温30分钟，5分钟内再降温至900℃保持5分钟，这种阶段式降温的优点是，保持反应的稳定性，进而可以保证碳化反应的均匀性以及实现制得粒度更加均匀的纳米级的碳化铬，经SEM扫描电镜检测，颗粒尺寸大约为30-35nm之间，粒度差距较小。
本实施例一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层的喷涂方法，同实施例9。
本实施例一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层，经检测：
涂层结合强度测试：根据GB/T8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定方法：制得的涂层的强度达到128.0MPa；
涂层硬度分析：采用维氏硬度计进行测量，硬度达到1360HV以上，
涂层孔隙率采用涂膏法：将含有试液的膏状物均匀涂敷在经过清洁和干燥处理的试样表面。膏状物中的试液渗入涂层孔隙，与基体金属作用，生成具有特征颜色的斑点，对膏体上有色斑点数目进行计数，即可得到涂层孔隙率，测得孔隙率0.41％；
抗高温性能：在800℃抗氧化性能是10号钢的30倍，有效提高了硼铸铁的使用寿命。
实施例10
本实施例的硼铸铁气缸套刮碳环涂层及其制备和喷涂方法，基本结构同实施例8，不同之处在于：本实施例的硼铸铁气缸套刮碳环涂层及其制备和喷涂方法，基本结构同实施例8，不同之处在于：刮碳环涂层2呈阶梯形环带状，退刀槽22宽度为刮碳环刃口21宽度的1/8～1/10，避免积碳存量过多影响活塞头的往复运动，过少存贮空间过小；上、下方退刀槽的宽度为1：1，形成上下均匀的积碳暂存空间；刮碳环刃口21的宽度为气缸套1直径的1/8～1/10。退刀槽22和刮碳环刃口21相交处有弧形过渡，避免刃口对活塞头过度损伤形成过多的积碳。本实施例中，气缸套1直径为320mm，刮碳环刃口21的宽度为40mm，上、下方退刀槽22的宽度为5mm。
步骤5)：冷却后用激光器进行激光重熔工艺处理，激光功率为950W，扫描速度为600mm/min，光斑大小10×3mm。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种硼铸铁气缸套刮碳环涂层，设置于气缸套的颈部，其特征在于，所述刮碳环涂层的成分为NiCr-Cr3C2复合涂层，所述气缸套的成分为硼铸铁。
2.根据权利要求1所述的硼铸铁气缸套刮碳环涂层，其特征在于：所述NiCr-Cr3C2复合涂层厚度为400～500μm，其上、下方各车有退刀槽，中间形成刮碳环刃口。
3.根据权利要求2所述的硼铸铁气缸套刮碳环涂层，其特征在于：所述硼铸铁中，B含量为0.05～0.12％；所述NiCr-Cr3C2复合涂层中，Cr3C2含量为70～80％，NiCr为20～30％。
4.一种根据权利要求1至3任一所述的硼铸铁气缸套刮碳环涂层的制备方法，其特征在于：合金涂层中Cr3C2的粉基为纳米粉，所述Cr3C2纳米粉的制备方法为：
步骤一：混合：将重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体置于蒸馏水或去离子水中，混合搅拌均匀呈流体状，加入模具中压制成型呈前驱体；
步骤二：急冻：将前驱体快速转入急冻空间中进行急冻；
步骤三：冻干：将急冻好的前驱体快速转入真空冷冻干燥仓中进行冻干；
步骤四：碳化：关闭真空冷冻干燥仓冷阱，升温进行碳化还原反应制得纳米Cr3C2粉。
5.根据权利要求4所述的硼铸铁气缸套刮碳环涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，重铬酸铵和纳米碳黑粉体的配比为1：(0.17～0.21)；蒸馏水或去离子水用量为：粉体总重的55％～60％；步骤二中急冻温度为-100～-140℃，时间为30～150min；步骤四中，升温至900～1200℃进行碳化还原。
6.根据权利要求4所述的硼铸铁气缸套刮碳环涂层的制备方法，其特征在于：步骤三中，冻干工艺曲线为：
A、初期：板温0℃～100℃，升温斜率2℃/min，100℃保持30～40分钟，抽真空至60Pa以内；
B、中期：板温降温至80～85℃/min，保持50～60分钟，真空控制在100Pa以内；
C、后期，板温降温至50～65℃/min，保持80～200分钟，真空控制在80Pa以内。
7.一种根据权利要求6所述的硼铸铁气缸套刮碳环涂层的喷涂方法，其特征在于，步骤为：
步骤1)前处理：对需要喷涂的部位进行净化处理，再装好工装，对非喷涂面进行遮蔽保护，之后在专用转台上对相应部位进行粗化；
步骤2)喷涂：用HVOF方法进行喷涂；
步骤3)打磨：用磨床磨加工至设计尺寸；
步骤4)封孔：用无机硅酸盐封孔剂进行封孔。
8.根据权利要求7所述的硼铸铁气缸套刮碳环涂层的喷涂方法，其特征在于，所述净化处理中，打磨使用800#～1000#碳化硅砂纸对基材表面进行打磨，用无水乙醇清洗，丙酮脱脂；将气缸套内表面机械打磨至Sa3级清洁度。
9.根据权利要求8所述的硼铸铁气缸套刮碳环涂层的喷涂方法，其特征在于，净化处理后再进行喷砂处理，使用粒径为0.1～0.5mm铸铁砂为磨粒，压缩空气压力＞0.8MPa，喷砂距离为80～100mm，喷砂角度为20°，使精糙度到达RZ40～70μm。
10.根据权利要求9所述的硼铸铁气缸套刮碳环涂层的喷涂方法，其特征在于，还包括步骤5)：冷却后用激光器进行激光重熔工艺处理，激光功率为900～1000W，扫描速度为550～600mm/min，光斑大小10×3mm。
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