CN110205567A - 一种活塞环用铁基非晶/max相复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活塞环用铁基非晶/MAX相复合材料及其制备方法和应用，所述材料包括88‑92 wt%的铁基非晶和8‑12 wt%的MAX相；所述铁基非晶包含如下重量百分比的成分：26wt%Cr、5wt%B、3wt%Si、3wt%Nb、5wt%Ni、10wt%Mo，余量为Fe；所述MAX相优选Ti₃SiC₂。首先将制备铁基非晶的原料加入真空气雾化炉中进行熔炼、雾化并筛分粉末，然后将铁基非晶粉末与MAX相混合均匀，获得铁基非晶/MAX相复合材料。所述铁基非晶/MAX相复合材料在制备活塞环用涂料中的应用，采用超音速火焰喷涂技术制备得到良好耐磨损性能和减磨效果的防护涂层。本发明可获得与基体结合强度好、硬度高、耐磨性能优异的复合涂层，应用前景广阔。

Description

一种活塞环用铁基非晶/MAX相复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于材料加工工程的热喷涂领域，具体涉及一种铁基非晶/MAX相复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

在内燃机发动机领域不断倡导“绿色、环保、小型化、高效化”的背景下，发动机零部件的使用寿命和性能一致谋求更为优异的表现。过去传统的活塞环等零部件已经不能适应目前发动机这种高性能、高耐磨、低排放的要求。要满足上述性能和要求，需要采用高性能的合金材料，而这些高性能合金材料目前价格相对昂贵，而且这类合金资源也十分匮乏，不能满足实际日益增长的发动机生产需求。从近年来的生产情况来看，通过在活塞环外圆面进行表面处理，可以有效提高活塞环的耐磨性、有效排放性和使用寿命。

非晶态合金作为一种新型的结构与功能材料，具有良好的物理和化学性能，如高硬度、优异的耐腐蚀性能等，已经在电子、机械、化工等行业得到了广泛的应用，其中铁基非晶材料由于制备成本低，近年来成文非晶态合金的研究热点之一。由于技术限制，目前制备大块非晶难度较高，通常需要采用表面处理技术在基体表面制备一层非晶涂层，以利用非晶材料优异的性能。但是，现有的铁基非晶涂层在耐磨损、特别是减磨方面的性能仍有待提高。因此，需要设计一种新型的耐磨损铁基非晶材料，能在活塞环表面制备兼具良好耐磨损性能和减磨效果的防护涂层。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种活塞环用铁基非晶/MAX相复合材料及其制备方法和应用，该复合材料制备的涂层中，MAX相均匀地分布在非晶基体中，复合涂层具备高硬度、低摩擦系数和优异的耐磨性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：本发明提供了一种活塞环用铁基非晶/MAX相复合材料，包括88-92 wt%的铁基非晶和8-12 wt%的MAX相；所述铁基非晶包含如下重量百分比的成分：26wt% Cr、5wt% B、3wt% Si、3wt% Nb、5wt% Ni、10wt% Mo，余量为Fe；所述MAX相为Ti₃SiC₂。

进一步优选，包括90 wt%的铁基非晶和10 wt%的MAX相。

本发明还提供了一种活塞环用铁基非晶/MAX相复合材料的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

（1）根据上述铁基非晶成分及重量比，称取一定的低碳铬铁、高碳铬铁、硼铁、硅铁、铌铁、电解镍、钼铁和纯铁，按照先高熔点后低熔点、含易烧损元素物料最后加入的原则依次将钼铁、高碳铬铁、低碳铬铁、纯铁、电解镍、铌铁、硼铁、硅铁放入真空感应电磁炉内，然后升温使其全部熔化；

（2）对熔融液体进行真空气雾化处理，气雾化压力为3MPa，然后干燥，筛分粒径为15-45μm的粉末，即得到铁基非晶；

（3）采用双运动混料机将上述粉末与MAX相材料混合均匀，即得到铁基非晶/MAX相复合材料。

本发明还提供了上述的一种活塞环用铁基非晶/MAX相复合材料作为活塞环用涂料的应用。

本发明还提供了上述铁基非晶/MAX相复合材料的施工方法，包括如下步骤：

（1）对活塞环基体表面进行预处理：将基体表面除锈除油后，在气压为0.7-0.8 MPa下，采用粒度为5-35目的棕刚玉砂，对基体表面进行喷砂粗化；

（2）采用超音速火焰喷涂技术在活塞环基体表面进行喷涂权利要求1或2所述的铁基非晶/MAX相复合材料，固化得到涂层，其中喷涂的工艺参数设置为：氧气流量2000 scfh，煤油流量6.8 gph，喷涂距离330 mm，载气流量23 scfh，送粉器转速5.5 rpm，喷枪移动线速度2r/s。

上述涂层结合强度≥70 MPa，硬度≥600 HV_0.3，摩擦系数≤0.5。

有益效果：

1. 通过调配添加原子的种类和各原子之间的比例，使得原子间具有较大程度的原子错配，使得设计的铁基合金体系具有良好的非晶形成能力和耐磨损性能；

2. 通过复合铁基非晶和MAX，获得硬度高、摩擦系数小、耐磨损性能优异的涂层；

3. 本发明的活塞环用铁基非晶/MAX相复合材料制备得到的涂层的结合强度≥70MPa，硬度≥600 HV_0.3，摩擦系数≤0.5。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的铁基非晶粉末的XRD图谱。

具体实施方式

根据下述的实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例1

一种活塞环用铁基非晶/MAX相复合材料，包括铁基非晶和MAX相，其中MAX相含量为8wt%；所述铁基非晶包含如下重量百分比的成分：26wt% Cr、5wt% B、3wt% Si、3wt% Nb、5wt%Ni、10wt% Mo，余量为Fe；所述MAX相为Ti₃SiC₂。

复合材料由如下步骤制得：

（1）根据上述铁基非晶成分及重量比，称取一定的低碳铬铁、高碳铬铁、硼铁、硅铁、电解铜、电解镍、钼铁和纯铁（其中低碳铬铁和高碳铬铁的含量比无影响，只为了获得相应的元素含量），按照先高熔点后低熔点、含易烧损元素物料最后加入的原则依次将钼铁、高碳铬铁、低碳铬铁、纯铁、电解镍、铌铁、硼铁、硅铁放入真空感应电磁炉内，然后升温使其全部熔化；

（2）对熔融液体进行真空气雾化处理，气雾化压力为3MPa，然后干燥，筛分粒径为15-45μm的粉末，即得到铁基非晶；

（3）采用郑州金合设备制造有限公司生产的JHT-20双运动混料机将上述粉末与MAX相材料混合均匀，即得到铁基非晶/MAX相复合粉末。

上述的一种活塞环用铁基非晶/MAX相复合材料在涂层中的应用，具体施工方法如下：

（1）对活塞环基体表面进行预处理：将基体表面除锈除油后，在气压为0.7-0.8 MPa下，采用粒度为5-35目的棕刚玉砂，对基体表面进行喷砂粗化；

（2）采用超音速火焰喷涂技术在活塞环基体表面进行喷涂上述铁基非晶/MAX相复合材料，固化得到涂层，喷涂的工艺参数设置为：氧气流量2000 scfh，煤油流量6.8 gph，喷涂距离330 mm，载气流量23 scfh，送粉器转速5.5 rpm，喷枪移动线速度2 r/s。

对本实施例中步骤（2）制得铁基非晶粉末进行XRD测试，测试图谱如图1所示。从铁基非晶粉末XRD测试图谱中可以看出，图谱仅在2θ约45°左右有一宽化的馒头峰，这说明本发明制备的铁基非晶具有良好的非晶形成能力，非晶相含量基本达到100%。

实施例2

一种活塞环用铁基非晶/MAX相复合材料，包括铁基非晶和MAX相，其中MAX相含量为10wt%；所述铁基非晶包含如下重量百分比的成分：26wt% Cr、5wt% B、3wt% Si、3wt% Nb、5wt%Ni、10wt% Mo，余量为Fe；所述MAX相为Ti₃SiC₂。

本实施例中铁基非晶的制备方法、复合材料在涂层中的应用和施工方法均与实施例1相同。

实施例3

一种活塞环用铁基非晶/MAX相复合材料，包括铁基非晶和MAX相，其中MAX相含量为12wt%；所述铁基非晶包含如下重量百分比的成分：26wt% Cr、5wt% B、3wt% Si、3wt% Nb、5wt%Ni、10wt% Mo，余量为Fe；所述MAX相为Ti₃SiC₂。

本实施例中铁基非晶的制备方法、复合材料在涂层中的应用和施工方法均与实施例1相同。

实施例4

根据实施例1~3分别制备出的活塞环用铁基非晶/MAX相复合涂层，并对其结合强度、显微硬度和摩擦系数进行测试，本实施方式中采用拉伸法测量涂层的结合强度，选用E-7胶为粘结剂；采用HXD-1000TC显微硬度计测试了涂层的硬度，测试过程中选用载荷为300 g，保载时间为15 s；采用兰州中科凯华科技开发有限公司生产的HT-1000型摩擦磨损试验机测试了涂层室温的摩擦系数，测试转速为15.9rps，载荷为1000g。其检测结果如下表：

实施例	结合强度/MPa	显微硬度/HV<sub>0.3</sub>	摩擦系数
				1	≥70	623	0.50
2	≥70	652	0.47
				3	≥70	660	0.42

结论：在该铁基非晶/MAX相复合材料中，铁基非晶由7种元素组成，Mo、Nb为大原子，Cr、Ni、Fe为中间原子，B、Si为小原子，上述主要原子之间的混合焓为负、原子尺寸的错配度大，因此非晶形成能力高。此外，Nb元素和Ni元素可以有效改善铁基合金的强韧性。与传统铁基非晶材料相比，本发明的铁基非晶含的非晶形成能力更高，容易获得完全非晶结构的材料；材料的强韧性好，因此其耐磨损性能优于现有的铁基非晶。MAX是过渡金属碳化物、或氮化物，是一类三元陶瓷化合物，其中M代表过渡金属元素，A代表主族元素，X代表碳或氮。其中，Ti₃SiC₂是MAX相中最典型的一种化合物，由于其独特的纳米层状结构，与具有层状结构的石墨烯及其相似，使其具有优异的自润滑性能和高韧性；同时，其具备良好的导热性能，因此可作为活塞环用铁基非晶/MAX相复合材料的优选。不同于以往的抗磨损材料通常只具备良好的耐磨性或较低的摩擦系数，本发明设计的铁基非晶/MAX相复合材料兼具良好的耐磨性能和减磨性能，可以获得硬度高、摩擦系数低、耐磨损性能优异的活塞环，易于产业化，应用前景广阔。

Claims (6)

1. 一种活塞环用铁基非晶/MAX相复合材料，其特征在于：包括88-92 wt%的铁基非晶和8-12 wt%的MAX相；所述铁基非晶包含如下重量百分比的成分：26wt% Cr、5wt% B、3wt%Si、3wt% Nb、5wt% Ni、10wt% Mo，余量为Fe；所述MAX相为Ti₃SiC₂。

2. 根据权利要求1所述的一种活塞环用铁基非晶/MAX相复合材料，其特征在于包括90wt%的铁基非晶和10 wt%的MAX相。

3.根据权利要求1或2所述的一种活塞环用铁基非晶/MAX相复合材料的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

（1）根据上述铁基非晶成分及重量比，称取一定的低碳铬铁、高碳铬铁、硼铁、硅铁、铌铁、电解镍、钼铁和纯铁，按照先高熔点后低熔点、含易烧损元素物料最后加入的原则依次将钼铁、高碳铬铁、低碳铬铁、纯铁、电解镍、铌铁、硼铁、硅铁放入真空感应电磁炉内，然后升温使其全部熔化；

（2）对熔融液体进行真空气雾化处理，气雾化压力为3MPa，然后干燥，筛分粒径为15-45μm的粉末，即得到铁基非晶；

（3）采用双运动混料机将上述粉末与MAX相材料混合均匀，即得到铁基非晶/MAX相复合材料。

4.根据权利要求1或2所述的一种活塞环用铁基非晶/MAX相复合材料作为活塞环用涂料的应用。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，铁基非晶/MAX相复合材料的施工方法包括如下步骤：

（1）对活塞环基体表面进行预处理：将基体表面除锈除油后，在气压为0.7-0.8 MPa下，采用粒度为5-35目的棕刚玉砂，对基体表面进行喷砂粗化；

（2）采用超音速火焰喷涂技术在活塞环基体表面进行喷涂权利要求1或2所述的铁基非晶/MAX相复合材料，固化得到涂层，其中喷涂的工艺参数设置为：氧气流量2000 scfh，煤油流量6.8 gph，喷涂距离330 mm，载气流量23 scfh，送粉器转速5.5 rpm，喷枪移动线速度2r/s。

6. 根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述涂层结合强度≥70 MPa，硬度≥600HV_0.3，摩擦系数≤0.5。