CN113430480B - 一种Cr3C2增强NiCrMoW减摩耐磨耐蚀涂层、制备方法及其应用 - Google Patents

一种Cr3C2增强NiCrMoW减摩耐磨耐蚀涂层、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高温防护涂层技术领域，具体涉及一种Cr3C2增强NiCrMoW减摩耐磨耐蚀涂层、制备方法及其应用，涂层包括质量百分数为70～85％的金属相NiCrMoW和15～30％的陶瓷增强相Cr3C2，通过大气等离子喷涂技术在基体上喷涂得到的涂层，通过控制制备工艺参数在涂层中保留了(4‑7)％的孔隙可以储存润滑油，可以大大降低摩擦系数，在保持涂层优异耐磨耐蚀性能的同时，还具有高结合强度。

Description

一种Cr3C2增强NiCrMoW减摩耐磨耐蚀涂层、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及高温防护涂层技术领域，具体涉及一种Cr3C2增强NiCrMoW减摩耐磨耐蚀涂层、制备方法及其应用。
背景技术
柴油发动机是当前应用最广泛机械装置之一，其内部摩擦副众多，且运动形式复杂。特别是随着全球汽车、工程机械、军事装备等数量迅速增加，作为主要的动力来源，柴油发动机的摩擦磨损问题越来越突出。气候变化和能源问题使得改善车辆燃油经济性成为当务之急。因此，对柴油发动机的燃油效率和节能减排提出了更高的要求。掌握先进柴油发动机的高效率、节能减排、轻量化等关键技术将决定我国柴油车行业的发展高度。气缸套是镶嵌在发动机缸体内的筒形零件，与气缸盖、活塞、活塞环组成了发动机的燃烧室。已有的研究表明，活塞环-气缸套作为发动机中最重要的摩擦副，其摩擦消耗的能量占总摩擦消耗能量的60％左右。在柴油发动机中燃烧室的工作环境极其恶劣，气缸套不但承受着高温、高压燃气的冲击，而且还受到活塞环往复运动产生的摩擦，使气缸套容易产生磨料磨损、腐蚀磨损和黏着磨损，这就要求气缸套具有良好的耐磨耐蚀性、低摩擦系数和高机械强度等性能。
热喷涂技术是应用最早最广泛的一种气缸内壁涂层制备方法，在不改变基体材料形状和性能的基础上可显著提高其耐磨耐蚀等性能。同时，汽车轻量化成为汽车行业的一种发展趋势，研究开发可靠的气缸内壁涂层来取代铝合金气缸体内镶嵌的铸铁缸套成为一种趋势。因此，亟需研制兼具高结合强度、减摩耐磨耐蚀涂层应用于内燃机领域，以提高发动机的燃油效率和实现轻量化，进而达到节能减排的目的。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
本发明的目的在于解决如何制备兼具高结合强度、减摩耐磨耐蚀涂层应用于内燃机领域的问题，提供了一种Cr3C2增强NiCrMoW减摩耐磨耐蚀涂层、制备方法及其应用。
为了实现上述目的，本发明公开了一种Cr3C2增强NiCrMoW减摩耐磨蚀涂层，涂层包括质量百分数为70～85％的金属相NiCrMoW和15～30％的陶瓷增强相Cr3C2。
优选的，所述金属相NiCrMoW和陶瓷增强相Cr3C2的质量百分比分别为：NiCrMoW：Cr3C2＝22.5：77.5。
所述金属相中各成分的质量百分比为：Ni：Cr：Mo：W：＝57～65：15～17：13～20：3～4。
所述的金属相NiCrMoW包括γ-Ni(Cr,Mo)、NiCr和Cr3C2。
所述的涂层的孔隙率为4～7％，涂层的厚度100～200μm。
所述涂层的粒径为30～60μm。
本发明还公开了一种上述Cr3C2增强NiCrMoW减摩耐磨蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1：对基体进行喷砂粗化；
S2：在步骤S1得到的粗化后的基体上采用大气等离子喷涂技术制备Cr3C2增强NiCrMoW 减摩耐磨蚀涂层。
所述步骤S2中大气等离子喷涂技术的工艺参数为：电流580～620A，电压55～65V，送粉率30～40g/min，喷涂距离65～90mm，主气流量Ar气32～42L/min，线速度550～650mm/s，步距2～4mm。
本发明还公开了上述Cr3C2增强NiCrMoW减摩耐磨蚀涂层在在内燃机领域中的应用。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明采用大气等离子喷涂技术在缸套内粗化的内壁表面制备Cr3C2增强NiCrMoW涂层，以提高缸套的耐磨和耐蚀性能，同时通过控制制备工艺参数在涂层中保留了(4-7)％的孔隙可以储存润滑油，可以大大降低摩擦系数。本发明采用质量分数高达(70-80)％的耐腐蚀的NiCrMoW为金属相，Cr3C2增强相的含量较小，所以本发明的涂层也具有高的结合强度，保持涂层优异耐磨耐蚀性能的同时，还具有高结合强度；Cr3C2增强NiCrMoW涂层的金属相NiCrMoW中含有大量的Mo元素，Mo元素的含量增加提高了涂层的耐酸腐蚀性和耐磨性能。另外，Cr3C2在高温下依然保持良好的高硬度和耐磨性能，本发明采用Cr3C2作为增强相可提高这个涂层的耐磨性能。因此，本发明的涂层不仅具有高的结合强度，还具有优异的减摩耐磨耐蚀性能，现有的FeCrBSi涂层相比，本发明Cr3C2增强NiCrMoW减摩耐磨蚀涂层在室温和润滑油下的摩擦系数比FeCrBSi降低了 10％，700℃下磨损率比FeCrBSi涂层降低了84％，同时在700℃下还具有优异的抗氧化和耐Na2SO4腐蚀性能。
附图说明
图1为大气等离子喷涂Cr3C2增强NiCrMoW涂层的结构示意图；
图2为大气等离子喷涂不同Cr3C2含量的NiCrMoW-Cr3C2涂层的XRD图谱；
图3为大气等离子喷涂NiCrMoW-15Cr3C2涂层在700℃-Na2SO4下腐蚀氧化动力学曲线；
图4为NiCrMoW-22.5Cr3C2团聚烧结粉喷涂粉末的表面形貌图；
图5为大气等离子喷涂NiCrMoW-22.5Cr3C2和FeCrBSi涂层在室温-润滑油下的摩擦系数；
图6为大气等离子喷涂不同Cr3C2含量的NiCrMoW-Cr3C2涂层在300℃下的磨损率。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例1
在蠕墨铸铁基体表面采用大气等离子喷涂技术制备NiCrMoW-15Cr3C2(wt.％)涂层，其中金属相NiCrMoW中各成分的质量百分比为：63.3Ni-16Cr-17Mo-3.7W；
采用大气等离子喷涂技术在喷砂或电火花粗化的缸套基体表面上制备厚度为150μm的 NiCrMoW-15Cr3C2涂层，其工艺参数为：电流600A，电压60V，送粉率30g/min，喷涂距离65mm，主气流量Ar气40L/min，线速度600mm/s，步距2mm；
经XRD物相分析可知，等离子喷涂NiCrMoW-15Cr3C2(wt.％)涂层主要含有γ-Ni(Cr,Mo)，和Cr3C2，以及少量的NiCr物相组成(如图2所示)。该涂层按照《GB/T8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定》标准经拉伸试验测试其平均结合强度60MPa，孔隙率为4％。该涂层在 700℃-Na2SO4下的腐蚀氧化动力学曲线如图3所示，从图中可以看出，氧化10h后涂层的增重几乎不变，展现出良好的抗高温氧化性能。
实施例2
在蠕墨铸铁基体表面采用大气等离子喷涂技术制备NiCrMoW-22.5Cr3C2(wt.％)涂层，其中金属相NiCrMoW中各成分的质量百分比为：64Ni-17Cr-15.4Mo-3.6W；
采用大气等离子喷涂技术在喷砂或电火花粗化的缸套基体表面上制备厚度为200μm的 NiCrMoW-22.5Cr3C2涂层，其工艺参数为：电流580A，电压65V，送粉率35g/min，喷涂距离80mm，主气流量Ar气42L/min，线速度600mm/s，步距3mm；
图4是NiCrMoW-22.5Cr3C2团聚烧结粉喷涂粉末的表面形貌图，从图中可以看出NiCrMoW-22.5Cr3C2喷涂粉末呈球形，粒度在45-55μm之间。经XRD物相分析可知，等离子喷涂NiCrMoW-22.5Cr3C2(wt.％)涂层主要含有γ-Ni(Cr,Mo)，和Cr3C2，以及少量的NiCr物相组成(如图2所示)。该涂层按照《GB/T8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定》标准经拉伸试验测试其平均结合强度62MPa，孔隙率为4.72％。该涂层在室温和润滑油下的摩擦系数仅为0.075(如图5所示)，比同等条件下等离子喷涂FeCrBSi涂层在室温-润滑油下的摩擦系数降低近50％。
在300℃干摩擦下的磨损率为2.06×10-5mm3/N·m，在Cr3C2掺杂浓度在(7.5-37.5)％之间最小(如图6所示)。
实施例3
在蠕墨铸铁基体表面采用大气等离子喷涂技术制备NiCrMoW-30Cr3C2(wt.％)涂层，其中金属相NiCrMoW中各成分的质量百分比为：64Ni-17Cr-15.4Mo-3.6W；
采用大气等离子喷涂技术在喷砂或电火花粗化的缸套基体表面上制备厚度为200μm的 NiCrMoW-30Cr3C2涂层，其工艺参数为：电流600A，电压65V，送粉率35g/min，喷涂距离70mm，主气流量Ar气35L/min，线速度600mm/s，步距3mm；
经XRD物相分析可知，等离子喷涂NiCrMoW-30Cr3C2(wt.％)涂层主要含有γ-Ni(Cr,Mo)，和Cr3C2，以及少量的NiCr物相组成(如图2所示)。该涂层按照《GB/T8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定》标准经拉伸试验测试其平均结合强度58MPa，孔隙率为5.61％，在300℃干摩擦情况下的磨损率为2.19×10-5mm3/N·m；并且该涂层在700℃下具有优异的抗氧化性能。
对比例1
与实施例2不同的是，对比例采用的喷涂粉末为FeCrBSi粉末，其主要各成分的质量百分比为：(2-30)Cr、(1.5-2.5)B、(2-3)Si、其余为Fe，接下来的等离子喷涂制备FeCrBSi涂层步骤相同。
在蠕墨铸铁基体表面采用大气等离子喷涂技术制备FeCrBSi涂层。采用大气等离子喷涂技术在喷砂或电火花粗化的缸套基体表面上制备厚度为200μm的NiCrMoW-22.5Cr3C2涂层，其工艺参数为：电流580A，电压65V，送粉率35g/min，喷涂距离80mm，主气流量Ar气42L/min，线速度600mm/s，步距3mm；
图5是等离子喷涂制备FeCrBSi涂层在室温和润滑油下的摩擦系数仅为0.1146(如图5 所示)，比同等条件下等离子喷涂NiCrMoW-22.5Cr3C2涂层在室温-润滑油下的摩擦系数高近 50％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种Cr3C2增强NiCrMoW减摩耐磨蚀涂层，其特征在于，涂层包括质量百分数为70～85％的金属相NiCrMoW和15～30％的陶瓷增强相Cr3C2，所述金属相中各成分的质量百分比为：Ni：Cr：Mo：W：＝(57～65)：( 15～17)：(13～20)：(3～4)，所述的金属相NiCrMoW包括γ-Ni(Cr,Mo)、NiCr，所述的涂层的孔隙率为5.61～7％，涂层的厚度100～200μm，所述涂层的粒径为30～60μm。
2.如权利要求1所述的一种Cr3C2增强NiCrMoW减摩耐磨蚀涂层，其特征在于，所述金属相NiCrMoW和陶瓷增强相Cr3C2的质量百分比分别为：NiCrMoW：Cr3C2＝77.5：22.5。
3.一种如权利要求1或2所述的Cr3C2增强NiCrMoW减摩耐磨蚀涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对基体进行喷砂粗化；
S2：在步骤S1得到的粗化后的基体上采用大气等离子喷涂技术制备Cr3C2增强NiCrMoW减摩耐磨蚀涂层，大气等离子喷涂技术的工艺参数为：电流580～620A，电压55～65V，送粉率30～40g/min，喷涂距离65～90mm，主气流量Ar气32～42L/min，线速度550～650mm/s，步距2～4mm。
4.一种如权利要求1或2所述的Cr3C2增强NiCrMoW减摩耐磨蚀涂层在内燃机领域中的应用。
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