CN110643924A - 一种金属基陶瓷增强内孔涂层及其制备方法和喷涂方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属基陶瓷增强内孔涂层及其制备方法及其喷涂方法，以质量分数计，包括60～99％的合金粉末和1～40％的高硬度陶瓷粉末；将合金粉末、高硬度陶瓷粉末与造孔润滑剂粉末均匀混合并进行球磨至粒径为20～45μm；对需要喷涂的表面进行清洗，利用等离子内孔喷涂系统，采用涂料对清洗后的表面进行喷涂形成涂层；对已喷涂的表面进行精加工。本发明的有益效果是：本方案采用铁基粉末制备的涂料能够降低涂层的摩擦系数，用于喷涂气缸内缸，能够有效减小活塞与气缸之间的摩擦与磨损，提高发动机的输出功率，降低发动机的燃油消耗。

Description

一种金属基陶瓷增强内孔涂层及其制备方法和喷涂方法
技术领域
本发明涉及热喷涂技术领域，具体是一种金属基陶瓷增强内孔涂层及其制备方法和喷涂方法。
背景技术
在高速运行的发动机上，通常采用铝合金来制造活塞。更轻的活塞能产生更高的发动机转速，从而能获得更大的动力输出和更低的油耗。使用铝合金来制造活塞，成本并不是非常昂贵，主要问题是气缸内壁容易磨损。在发动机运转的时候，活塞与铝合金气缸内壁之间肯定会产生摩擦。而铝合金和铝合金直接的摩擦系数非常高，它比铝和铸铁之间的摩擦系数要高得多。因此，如果全铝合金缸体配合全铝合金活塞，发动机运转的时候摩擦阻力非常大，会严重影响发动机的输出功率。
现有技术条件下，为了减小活塞与铝合金气缸之间的摩擦，采用铸铁缸套安装在铝合金活塞上，但是铸铁缸套质量较重，会增加发动机整体的质量，并且对加工精度要求很高，会增加加工工艺的复杂程度以及加工成本。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种金属基陶瓷增强内孔涂层及其制备方法和喷涂方法，用于减小活塞与铝合金气缸之间的摩擦以及磨损。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种金属基陶瓷增强内孔涂层，以质量分数计，包括60～99％的合金粉末和1～40％的高硬度陶瓷粉末。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述的合金粉末为铁基合金粉末，按重量百分比计，包括0.01～10％Co、0.01～24％Cr、0.01～2％Y、7～12％Al，其余为Fe；合金粉末的粒径为30～55μm。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述的陶瓷增强体粉末为ZrO2、TiB2、CrB2、WB、MoB2、ZrN、TiN、AlN的一种或两种及以上组合；粉末粒径为20～50μm。
一种金属基陶瓷增强内孔涂层的制备方法，将合金粉末、高硬度陶瓷粉末与造孔润滑剂粉末均匀混合并进行球磨至粒径为20～45μm。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述的造孔润滑剂粉末占总质量的3～5％；造孔润滑剂粉末为B4C、BN或MgO。
一种金属基陶瓷增强内孔涂层的喷涂方法，包括以下几个步骤：
步骤S1：对需要喷涂的表面进行清洗；
步骤S2：利用等离子内孔喷涂系统，采用权利要求1-5中任一项所述涂料对清洗后的表面进行喷涂形成涂层；
步骤S3：对步骤S2中已喷涂的表面进行精加工。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述的步骤S1中，在喷涂前需要对需要喷涂的表面依次进行机加工、喷砂、清洗处理，去除表面的油渍及其他污染物，使表面洁净。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述的步骤S2中，涂层的厚度为200um～300μm。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述的步骤S2中，等离子内孔喷涂系统的电源功率为10～20kw；喷涂电压为30～45V；喷涂电流为300～500A；主气流量为25～50L/min；次气流量为1～10L/min；送粉速率50～150g/min；喷涂距离为30mm～100mm；内孔喷涂等离子枪头的旋转速度为100～800rap/min。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述的步骤S3中，对已喷涂的表面采用珩磨精加工。
本方案所取得的有益效果是：
(1)本方案采用铁基粉末制备的涂料能够降低涂层的摩擦系数，用于喷涂气缸内缸，能够有效减小活塞与气缸之间的摩擦与磨损，提高发动机的输出功率，降低发动机的燃油消耗。
(2)涂料中掺杂的陶瓷粉末，能够作为一种硬质相均匀分布在涂层中，能够提高涂层的整体硬度，使得发动机运行过程中涂层的磨损消耗量极少，有利于提升发动机的使用寿命。
(3)采用等离子内孔旋转喷涂的金属基陶瓷增强内缸涂层，取代了传统发动机中沉重的铸铁缸套，减轻了发动机的重量，同时涂层的制备简单方便，相比于需要较高加工精度的传统缸套，利用等离子内孔旋转喷涂能降低加工难度，减少发动机的配合部件。
(4)利用等离子内孔旋转喷涂制备的涂层，涂层有一定的孔隙，因此在发动机运行过程中涂层中的孔隙能存储一定量的润滑油，提高了活塞与气缸壁的润滑性能，节约了燃油和润滑油的消耗，起到节能减排的效果。
附图说明
图1为喷涂过程示意图；
图2为涂层结构示意图。
其中：1-缸体，2-等离子枪头，3-等离子火焰。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
本实施例中，配制金属基陶瓷增强粉末，合金粉末选择5％Co、12％Cr、1％Y、10％Al，其余为Fe，粉末粒径为40μm。选择二硼化铬作为陶瓷增强体，粉末粒径为35μm。造孔润滑剂粉末选择氧化镁，粉末粒径为15μm。合金粉末、陶瓷粉末、造孔润滑剂粉末按质量分数比的配制比例分别为70％、26％和4％。
将合金粉末、陶瓷粉末、造孔润滑剂粉末混合均匀之后，利用球磨磨至粒径为15μm。
将待加工的缸体1进行机加工、喷砂、清洗等前处理，喷砂石英砂选用普通石英砂，使缸体1待加工表面粗糙度达到Ra>6.4。
如图1所示，将涂料添加到等离子旋转内孔喷涂系统内，由等离子旋转内孔喷涂系统进行喷涂，等离子旋转内孔喷涂系统的工艺参数为：电源功率为15kw；喷涂电压为30V；喷涂电流为450A；主气流量为35L/min；次气流量为5L/min；送粉速率90g/min；喷涂距离为45mm；内孔喷涂等离子枪头2的旋转速度为500rap/min。
使用以上参数对整个内缸内壁进行旋转喷涂，使涂层的厚度保持均匀。
喷涂完成后，利用珩磨机对涂层表面进行精加工，本实施案例制备得到的涂层厚度为150μm，结合强度为35MPa，涂层硬度为600HV0.3。
由于采用了铁基粉末制备涂料，使得涂层的硬度高于铝合金制备的内缸，因而在使用过程中，涂层不会因为与活塞的相对运动而发生变形，能够保证内缸内壁的形状精度，并降低活塞与内缸内壁的摩擦力，能够提高发动机的输出功率，降低发动机的燃油消耗。
相较于现有的缸套，利用喷涂方式形成的涂层具有尺寸小、加工难度低等优点，并且对内缸整体的增重小、能够减少使用配合部件，减少误差累计。
如图2所示，陶瓷粉末在涂料内均匀分布能够起到增加涂层强度以及硬度的作用，在内缸与活塞相对运动的过程中，能够有效减少涂层的磨损，保证涂层的尺寸精度以及形状精度。采用等离子旋转内孔喷涂的方式能够在涂层的表面形成一定的孔隙，利用孔隙能够储存润滑油以增强润滑效果。
等离子喷涂为现有技术，其具体原理以及实施等离子喷涂的系统不作为本方案的改进点，本领域技术人员根据本方案记载的内容能够实现上述效果，此处不对等离子喷涂的原理以及等离子旋转内孔喷涂系统的具体结构进行限定和赘述。
实施例2：
本实施例中，配制金属基陶瓷增强粉末，合金粉末选用1％Co、1％Cr、0.5％Y、7％Al，其余为Fe，粉末粒径为30μm。选择二硼化铬作为陶瓷增强体，粉末粒径为20μm。造孔润滑剂粉末选择氧化镁，粉末粒径为20μm。合金粉末、陶瓷粉末、造孔润滑剂粉末按质量分数比的配制比例分别为90％、7％、3％。
将合金粉末、陶瓷粉末、造孔润滑剂粉末混合均匀之后，利用球磨磨至粒径为20μm。
将待加工的缸体1进行机加工、喷砂、清洗等前处理，喷砂石英砂选用普通石英砂，使缸体1待加工表面粗糙度达到Ra>6.4。
启动等离子旋转内孔喷涂系统和机械手臂进行喷涂，工艺参数为：电源功率为18kw；喷涂电压为40V；喷涂电流为400A；主气流量为45L/min；次气流量为3L/min；送粉速率60g/min；喷涂距离为50mm；内孔喷涂等离子枪头2的旋转速度为800rap/min。
不改变以上参数，对整个内缸壁进行旋转喷涂，使涂层均匀。
对喷涂后的涂层进行精加工，利用珩磨机对缸孔涂层表面进行加工，本实施案例制备得到的涂层厚度为190μm，结合强度为39MPa，硬度500HV0.3。
实施例3
本实施例中，配制金属基陶瓷增强粉末，合金粉末选用选择10％Co、24％Cr、2％Y、12％Al，其余为Fe，粉末粒径为55μm。选择二硼化铬作为陶瓷增强体，粉末粒径为50μm。造孔润滑剂粉末选择氧化镁，粉末粒径为20μm。合金粉末、陶瓷粉末、造孔润滑剂粉末按质量分数比的配制比例分别为55％、40％、5％。
将合金粉末、陶瓷粉末、造孔润滑剂粉末混合均匀之后，利用球磨磨至粒径为20μm。
将待加工的缸体1进行机加工、喷砂、清洗等前处理，喷砂石英砂选用普通石英砂，使缸体1待加工表面粗糙度达到Ra>6.4。
启动等离子旋转内孔喷涂系统和机械手臂进行喷涂，工艺参数为：电源功率为20kw；喷涂电压为45V；喷涂电流为500A；主气流量为40L/min；次气流量为6L/min；送粉速率100g/min；喷涂距离为60mm；内孔喷涂等离子枪头2的旋转速度为500rap/min。
不改变以上参数，对整个内缸壁进行旋转喷涂，使涂层均匀。
对喷涂后的涂层进行精加工，利用珩磨机对缸孔涂层表面进行加工，本实施案例制备得到的涂层厚度为200μm，结合强度为42MPa，涂层硬度700HV0.3。
本实施例中，其它未描述的内容与上述实施例相同，故不赘述。
以上所述的，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属基陶瓷增强内孔涂层，其特征在于：涂层材料以质量分数计，包括60～99％的合金粉末和1～40％的高硬度陶瓷粉末。
2.根据权利要求1所述的一种金属基陶瓷增强内孔涂层，其特征在于：所述的合金粉末为铁基合金粉末，按重量百分比计，包括0.01～10％Co、0.01～24％Cr、0.01～2％Y、7～12％Al，其余为Fe；合金粉末的粒径为30～55μm。
3.根据权利要求1所述的一种金属基陶瓷增强内孔涂层，其特征在于：所述的陶瓷增强体粉末为ZrO2、TiB2、CrB2、WB、MoB2、ZrN、TiN、AlN的一种或两种及以上组合；粉末粒径为20～50μm。
4.一种金属基陶瓷增强内孔涂层的制备方法，其特征在于：将权利要求1-3中任一项所述的合金粉末、高硬度陶瓷粉末与造孔润滑剂粉末均匀混合并进行球磨至粒径为20～45μm。
5.根据权利要求4所述的一种金属基陶瓷增强内孔涂层的制备方法，其特征在于：所述的造孔润滑剂粉末占总质量的3～5％；造孔润滑剂粉末为B4C、BN或MgO。
6.一种金属基陶瓷增强内孔涂层的喷涂方法，其特征在于：包括以下几个步骤：
步骤S1：对需要喷涂的表面进行清洗；
步骤S2：利用等离子内孔喷涂系统，采用权利要求1-5中任一项所述涂料对清洗后的表面进行喷涂形成涂层；
步骤S3：对步骤S2中已喷涂的表面进行精加工。
7.根据权利要求6所述的一种金属基陶瓷增强内孔涂层的喷涂方法，其特征在于：所述的步骤S1中，在喷涂前需要对待喷涂的表面依次进行机加工、喷砂、清洗处理，去除表面的油渍及其他污染物，使表面洁净。
8.根据权利要求6所述的一种金属基陶瓷增强内孔涂层的喷涂方法，其特征在于：所述的步骤S2中，涂层的厚度为200um～300μm。
9.根据权利要求8所述的一种金属基陶瓷增强内孔涂层的喷涂方法，其特征在于：所述的步骤S2中，等离子内孔喷涂系统的电源功率为10～20kw；喷涂电压为30～45V；喷涂电流为300～500A；主气流量为25～50L/min；次气流量为1～10L/min；送粉速率50～150g/min；喷涂距离为30mm～100mm；内孔喷涂等离子枪头的旋转速度为100～800rap/min。
10.根据权利要求6所述的一种金属基陶瓷增强内孔涂层的喷涂方法，其特征在于：所述的步骤S3中，对已喷涂的表面采用珩磨精加工。
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