CN114856848B - 表面强化高温耐磨缸套及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面强化高温耐磨缸套，以高温TiNb合金为基体，以层状多尺度(TiNb)C为表面耐磨层，表面耐磨层内(TiNb)C相的体积分数大于97％，其余为Fe、Si和SiC相，表面耐磨层包括外层、中间层和内层，外层为准纳米级的(TiNb)C颗粒，中间层为微米级的(TiNb)C颗粒，内层为亚微米级的(TiNb)C颗粒。本发明还公开了表面强化高温耐磨缸套的制备方法，包括称料，混料，在TiNb缸套工件外壁涂覆防渗碳涂料，将混合粉末铺在模具底部，放入缸套工件，在缸套工件内外填充混合粉末，然后进行高温渗碳处理，获得坯体，清除坯体外表面防渗碳层，对内表面抛光处理，即制得表面强化高温耐磨缸套。
Description
技术领域
本发明属于耐磨缸套技术领域，涉及表面强化高温耐磨缸套及其制备方法。
背景技术
缸套内壁与高温高压燃气或者液体直接作用，并始终与活塞环及活塞裙部发生高速滑动摩擦，要求套筒具有耐高温、耐磨、低摩擦系数等综合性能。常规套筒材质以碳素钢或合金钢为主，通过热处理的方式提高套筒内壁的力学及抗磨损性能。但钢质缸套本身的耐高温和耐磨损性能有限，在进一步的苛刻工况下已不能满足实际应用要求，提高了缸套更换频率，这样不仅降低了机器运行时间，同时增加了维修成本，造成经济效益大幅降低。
专利号为CN106736312B的发明专利公开了一种高强度超耐磨缸套的制造方法，通过软氮化处理使缸套内外表面渗层深度≥0.2mm，表面硬度HV 580-630，但高温性能不足。
通过现有的技术资料来看，改善高温耐磨缸套的使役寿命和提高其综合性能，获得优异的高温性能和耐磨性能依然是主要关注热点。同时，金属碳化物作为表面耐磨层时，高脆性和界面结合强度不足也是限制其应用的主要问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种表面强化高温耐磨缸套，解决了现有缸套在苛刻工况下耐磨性不足和高温性能低的问题。
本发明的另一个目的是提供一种表面强化高温耐磨缸套的制备方法。
本发明所采用的第一技术方案是，表面强化高温耐磨缸套，以高温TiNb合金为基体，以层状多尺度(TiNb)C为表面耐磨层，表面耐磨层内(TiNb)C相的体积分数大于97％，其余为Fe、Si和SiC相。
表面耐磨层包括外层、中间层和内层，外层由准纳米级的(TiNb)C颗粒组成，中间层由微米级的(TiNb)C颗粒组成，内层由亚微米级的(TiNb)C颗粒组成。
本发明所采用的第二技术方案是，表面强化高温耐磨缸套的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分：果壳木炭80～85％，石墨粉1～5％，高纯Na2CO32～5％，高纯BaCO310～15％，以上各组分的质量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1称取的各组分装入混料机中，混料15min～25min，得到混合粉末；
步骤3，将TiNb合金原料按照缸套工件既定尺寸进行机械加工，并且对表面进行精加工和抛光处理，以达到实际工况应用要求；
步骤4，在步骤3所得缸套工件外壁均匀涂覆防渗碳涂料，涂层厚度为0.5mm～1.2mm，此处涂层厚度若太小，会影响缸套工件外壁面的防渗碳效果，若太大，容易剥落；
步骤5，将步骤2中所得混合粉末均匀铺设在模具底部，然后将步骤4所得缸套工件放在铺设的混合粉末上，再在缸套工件内外填充步骤2所得混合粉末；
步骤6，将步骤5中填充好的模具装入高温炉内，先将炉温升至300～400℃保温10min～20min进行预脱气、脱水，然后升温至950℃～1150℃保温1h～24h进行表面渗碳处理，再降温至500℃，随后随炉冷却至室温，获得表面强化高温耐磨缸套坯体；
步骤7，清除步骤6所得表面强化高温耐磨缸套坯体外表面的防渗碳层，然后对表面强化高温耐磨缸套坯体内表面进行抛光处理，即制得表面强化高温耐磨缸套。
步骤1中，果壳木炭和石墨粉的质量百分比总和不大于88％。
步骤1中，果壳木炭为颗粒状，粒径为0.5mm～1.5mm；石墨粉的纯度大于99.0％，高纯Na2CO3的纯度大于99.8％，高纯BaCO3的纯度大于99.0％。
步骤3中，抛光处理后的TiNb合金表面粗糙度Ra不大于4μm。
步骤5中，在缸套工件内外填充步骤2所得混合粉末，缸套工件与模具内壁的间距不小于2mm。
步骤6中，表面渗碳处理过程中，高温炉内气压不小于0.3MPa。
步骤6中，炉温的升温速率和降温速率都不高于10℃/min。
本发明的有益效果是，
(1)TiNb合金具有优异的高温性能，可在1100℃工况下长时间使用，远高于钢制缸套的使役温度；同时(TiNb)C作为一种金属碳化物，具有优异的耐高温和抗磨损性能，其硬度可达到HV 1500以上，远高于常规渗碳或渗氮层的硬度；
(2)利用粉剂固体渗碳工艺，结合TiNb合金中Ti、Nb与C易于发生碳化反应生产(TiNb)C的特性，以及TiNb合金本身的耐高温特性，通过高温固体渗碳，在TiNb高温合金制备的工件的工作上面原位生成高致密、高硬、高耐磨、耐高温的层状多尺度(TiNb)C耐磨层；
(3)层状多尺度结构具有改善金属碳化物高脆性的作用，进而使得(TiNb)C耐磨层不仅表现出超高的耐磨性，同时兼有良好的韧性；
(4)相较与传统涂覆工艺和双金属复合工艺等，原位生成的(TiNb)C耐磨层具有更为优异的异质界面结合强度，改善了耐磨层易于剥落的问题。
(5)相较于常规渗碳或渗氮工艺制备的缸套耐磨层(表面硬度不超10GPa)，而缸套(TiNb)C耐磨层的硬度不小于25GPa，同时，工作面(TiNb)C耐磨层具有更低的干摩擦系数，(TiNb)C/WC干摩擦系数约0.08，而常规钢/钢干摩擦系数不小于0.3，因而缸套(TiNb)C耐磨层不仅可以大幅提高缸套工作面的耐磨性，同时更低的摩擦系数减小了缸套与活塞在运动过程中的摩擦阻力。
附图说明
图1是本发明表面强化高温耐磨缸套的立体结构示意图；
图2是本发明表面强化高温耐磨缸套的平面结构示意图；
图3是本发明表面强化高温耐磨缸套的内部组织结构示意图。
图中，1.基体，2.表面耐磨层，3.外层，4.中间层，5.内层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种表面强化高温耐磨缸套，参照图1和图2，以高温TiNb合金为基体1，以层状多尺度(TiNb)C为表面耐磨层2，表面耐磨层2内(TiNb)C相的体积分数大于97％，其余为Fe、Si和SiC相。
参照图3，表面耐磨层2包括外层3、中间层4和内层5，外层3由准纳米级的(TiNb)C颗粒组成，中间层4由微米级的(TiNb)C颗粒组成，内层5由亚微米级的(TiNb)C颗粒组成。
实施例1
制备一种耐磨层厚度为70μm的表面强化高温耐磨缸套，具体包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分：颗粒等级为1mm级的果壳木炭80％，石墨粉5％，高纯Na2CO35％，高纯BaCO310％，以上各组分的质量百分比之和为100％；其中，石墨粉的纯度大于99.0％，高纯Na2CO3的纯度大于99.8％，高纯BaCO3的纯度大于99.0％。
步骤2，将步骤1称取的各组分装入混料机中，混料15min，得到均匀混合粉末；
步骤3，将TiNb合金原料按照缸套工件既定尺寸进行机械加工，并且对表面进行精加工和抛光处理，抛光处理后的TiNb合金表面粗糙度Ra约为4μm；
步骤4，在步骤3所得缸套工件外壁均匀涂覆防渗碳涂料，涂层厚度为0.9mm，以防非工作面渗碳；
步骤5，将步骤2中所得混合粉末均匀铺设在模具底部，然后将步骤4所得缸套工件放在铺设的混合粉末上，再在缸套工件内外填充步骤2所得混合粉末，缸套工件与模具内壁的间距约为2mm。
步骤6，将步骤5中填充好的模具装入高温炉内，密封炉体，先将炉温以8℃/min升至300℃保温10min进行预脱气、脱水，然后以7℃/min升温至950℃保温12h进行表面渗碳处理，表面渗碳处理过程中高温炉内气压约为0.3MPa，再以6℃/min降温至500℃，随后随炉冷却至室温，即获得表面强化高温耐磨缸套坯体。
步骤7，清除步骤6所得坯体外表面的防渗碳层，然后对表面强化高温耐磨缸套坯体内表面进行抛光处理，即制得表面强化高温耐磨缸套。
对实施例1制备的表面强化高温耐磨缸套进行组织检测，其中，该高温耐磨缸套内壁形成致密层状多尺度(TiNb)C耐磨层，(TiNb)C的体积百分比为98.6％，余量为Fe、Si和SiC，耐磨层厚度约70μm，表面硬度平均值为31.53GPa，(TiNb)C耐磨层/YG6摩擦副干摩擦测试得出(TiNb)C耐磨层的磨损率为3.3×10-7g/m，约是TiNb基体的1/153。
实施例2
制备一种耐磨层厚度为500μm的表面强化高温耐磨缸套，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分：颗粒等级为0.8mm级的果壳木炭85％，石墨粉1％，高纯Na2CO3为4％，高纯BaCO3为10％，以上各组分的质量百分比之和为100％；其中，石墨粉的纯度大于99.0％，高纯Na2CO3的纯度大于99.8％，高纯BaCO3的纯度大于99.0％；
步骤2，将步骤1称取的各组分装入混料机中，混料20min，制备均匀混合粉末；
步骤3，将TiNb合金原料按照缸套既定尺寸进行机械加工，并且对表面进行精加工和抛光处理，抛光处理后的TiNb合金表面粗糙度Ra约为2μm；
步骤4，在步骤3所得缸套工件外壁均匀涂覆防渗碳涂料，涂层厚度为1.2mm，以防非工作面渗碳；
步骤5，将步骤2中所得混合粉末均匀铺在在模具底部，然后将步骤4所得缸套放在铺设的混合粉末上，然后在缸套内外填充步骤2所得混合粉末，缸套工件与模具内壁的间距约为3mm；
步骤6，将步骤5中填充好的模具装入高温炉内，密封炉体，先将炉温以7℃/min升至300℃保温20min进行预脱气、脱水，然后以6℃/min升温至1150℃保温24h进行表面渗碳处理(炉内气压约为0.4MPa)，再以6℃/min降温至500℃，随后随炉冷却，降温至室温，即获得表面强化高温耐磨缸套坯体；
步骤7，清除步骤6所得坯体外表面的防渗碳层，获得干净外表面，然后对内表面进行抛光处理，即制得表面强化高温耐磨缸套。
对实施例2制备的表面强化高温耐磨缸套进行组织检测，其中，该高温耐磨缸套内壁形成致密层状多尺度(TiNb)C耐磨层，(TiNb)C的体积百分比为99.1％，余量为Fe、Si和SiC，耐磨层厚度约500μm，表面硬度平均值为33.48GPa，(TiNb)C耐磨层/YG6摩擦副干摩擦测试得出(TiNb)C耐磨层的磨损率为3.1×10-7g/m，约是TiNb基体的1/165。
实施例3
制备一种耐磨层厚度为100μm的表面强化高温耐磨缸套，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分：颗粒等级为1.2mm级的果壳木炭83％，石墨粉3％，高纯Na2CO3为2％，高纯BaCO3为12％，以上各组分的质量百分比之和为100％；其中，石墨粉的纯度大于99.0％，高纯Na2CO3的纯度大于99.8％，高纯BaCO3的纯度大于99.0％。
步骤2，将步骤1称取的粉末装入混料机，混料15min，制备均匀混合粉末；
步骤3，将TiNb合金原料按照缸套既定尺寸进行机械加工，并且对表面进行精加工和抛光处理，抛光处理后的TiNb合金表面粗糙度Ra约为2.5μm；
步骤4，在步骤3所得缸套工件外壁均匀涂覆防渗碳涂料，涂层厚度为0.8mm，以防非工作面渗碳；
步骤5，将步骤2中所得混合粉末均匀铺在在模具底，然后将步骤4所得缸套工件放在铺设的混合粉末上，然后在缸套内外填充步骤2所得混合粉末，缸套工件与模具内壁的间距约为6mm；
步骤6，将步骤5中填充好的模具装入高温炉内，密封炉体，先将炉温以8℃/min升至400℃保温10min进行预脱气、脱水，然后以7℃/min升温至1000℃保温8h进行表面渗碳处理(炉内气压约为0.4MPa)，再以6℃/min降温至500℃，随后随炉冷却，降温至室温，即获得表面强化高温耐磨缸套坯体；
步骤7，将步骤6所得坯体外表面的防渗碳层进行清除，获得干净外表面，然后对内表面进行抛光处理，即制得表面强化高温耐磨缸套。
对实施例3制备的表面强化高温耐磨缸套进行组织检测，其中，该高温耐磨缸套内壁形成致密层状多尺度(TiNb)C耐磨层，(TiNb)C的体积百分比为98.9％，余量为Fe、Si和SiC，耐磨层厚度约100μm，表面硬度平均值为32.67GPa，(TiNb)C耐磨层/YG6摩擦副干摩擦测试得出(TiNb)C耐磨层的磨损率为3.1×10-7g/m，约是TiNb基体的1/163。
实施例4
制备一种耐磨层厚度为150μm的表面强化高温耐磨缸套，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分：颗粒等级为0.5mm级的果壳木炭81％，石墨粉4％，高纯Na2CO3为2％，高纯BaCO3为13％，以上各组分的质量百分比之和为100％；其中，石墨粉的纯度大于99.0％，高纯Na2CO3的纯度大于99.8％，高纯BaCO3的纯度大于99.0％；
步骤2，将步骤1称取的各组分粉末装入混料机，混料20min，制备均匀混合粉末；
步骤3，将TiNb合金原料按照缸套既定尺寸进行机械加工，并且对表面进行精加工和抛光处理，抛光处理后的TiNb合金表面粗糙度Ra约为1.5μm；
步骤4，在步骤3所得缸套工件外壁均匀涂覆防渗碳涂料，涂层厚度为1.0mm，以防非工作面渗碳；
步骤5，将步骤2中所得混合粉末均匀铺在在模具底，然后将步骤4所得缸套工件放在铺设的混合粉末上，然后在缸套内外填充步骤2所得混合粉末，缸套工件与模具内壁的间距约为6mm；
步骤6，将步骤5中填充好的模具装入高温炉内，密封炉体，先将炉温以8℃/min升至300℃保温10min进行预脱气、脱水，然后以6℃/min升温至1100℃保温16h进行表面渗碳处理(炉内气压约为0.5MPa)，再以6℃/min降温至500℃，随后随炉冷却，降温至室温，即获得表面强化高温耐磨缸套坯体；
步骤7，将步骤6所得坯体外表面的防渗碳层进行清除，获得干净外表面，然后对内表面进行抛光处理，即制得表面强化高温耐磨缸套。
对实施例4制备的表面强化高温耐磨缸套进行组织检测，其中，该高温耐磨缸套内壁形成致密层状多尺度(TiNb)C耐磨层，(TiNb)C的体积百分比为99.2％，余量为Fe、Si和SiC，耐磨层厚度约150μm，表面硬度平均值为32.89GPa，(TiNb)C耐磨层/YG6摩擦副干摩擦测试得出(TiNb)C耐磨层的磨损率为3.2×10-7g/m，约是TiNb基体的1/161。
实施例5
制备一种耐磨层厚度为10μm的表面强化高温耐磨缸套，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分：颗粒等级为1.5mm级的果壳木炭82％，石墨粉1％，高纯Na2CO3为2％，高纯BaCO3为15％，以上各组分的质量百分比之和为100％；其中，石墨粉的纯度大于99.0％，高纯Na2CO3的纯度大于99.8％，高纯BaCO3的纯度大于99.0％。
步骤2，将步骤1称取的粉末装入混料机，混料15min，制备均匀混合粉末；
步骤3，将TiNb合金原料按照缸套既定尺寸进行机械加工，并且对表面进行精加工和抛光处理，抛光处理后的TiNb合金表面粗糙度Ra约为3μm；
步骤4，在步骤3所得缸套工件外壁均匀涂覆防渗碳涂料，涂层厚度为0.5mm，以防非工作面渗碳；
步骤5，将步骤2中所得混合粉末均匀铺在在模具底，然后将步骤4所得缸套工件放在铺设的混合粉末上，然后在缸套内外填充步骤2所得混合粉末，缸套与模具内壁的间距约为4mm；
步骤6，将步骤5中填充好的模具装入高温炉内，密封炉体，先将炉温以8℃/min升至300℃保温10min进行预脱气、脱水，然后以7℃/min升温至950℃保温1h进行表面渗碳处理(炉内气压约为0.4MPa)，再以6℃/min降温至500℃，随后随炉冷却，降温至室温，即获得表面强化高温耐磨缸套坯体；
步骤7，将步骤6所得坯体外表面的防渗碳层进行清除，获得干净外表面，然后对内表面进行抛光处理，即制得表面强化高温耐磨缸套。
对实施例5制备的表面强化高温耐磨缸套进行组织检测，其中，该高温耐磨缸套内壁形成致密层状多尺度(TiNb)C耐磨层，(TiNb)C的体积百分比为98.3％，余量为Fe、Si和SiC，耐磨层厚度约10μm，表面硬度平均值为30.51GPa，(TiNb)C耐磨层/YG6摩擦副干摩擦测试得出(TiNb)C耐磨层的磨损率为3.2×10-7g/m，约是TiNb基体的1/157。
Claims (6)
1.表面强化高温耐磨缸套，其特征在于，以高温TiNb合金为基体(1)，以层状多尺度(TiNb)C为表面耐磨层(2)，表面耐磨层(2)内(TiNb)C相的体积分数大于97％，其余为Fe、Si和SiC相，所述表面耐磨层(2)包括外层(3)、中间层(4)和内层(5)，外层(3)由准纳米级的(TiNb)C颗粒组成，中间层(4)由微米级的(TiNb)C颗粒组成，内层(5)由亚微米级的(TiNb)C颗粒组成。
2.表面强化高温耐磨缸套的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分：果壳木炭80～85％，石墨粉1～5％，高纯Na2CO32～5％，高纯BaCO310～15％，以上各组分的质量百分比之和为100％，果壳木炭和石墨粉的质量百分比总和不大于88％，果壳木炭为颗粒状，粒径为0.5mm～1.5mm；石墨粉的纯度大于99.0％，高纯Na2CO3的纯度大于99.8％，高纯BaCO3的纯度大于99.0％；
步骤2，将步骤1称取的各组分装入混料机中，混料15min～25min，得到混合粉末；
步骤3，将TiNb合金原料按照缸套工件既定尺寸进行机械加工，并且对表面进行精加工和抛光处理，以达到实际工况应用要求；
步骤4，在步骤3所得缸套工件外壁均匀涂覆防渗碳涂料，涂层厚度为0.5mm～1.2mm；
步骤5，将步骤2中所得混合粉末均匀铺设在模具底部，然后将步骤4所得缸套工件放在铺设的混合粉末上，再在缸套工件内外填充步骤2所得混合粉末；
步骤6，将步骤5中填充好的模具装入高温炉内，先将炉温升至300～400℃保温10min～20min进行预脱气、脱水，然后升温至950℃～1150℃保温1h～24h进行表面渗碳处理，再降温至500℃，随后随炉冷却至室温，获得表面强化高温耐磨缸套坯体；
步骤7，清除步骤6所得表面强化高温耐磨缸套坯体外表面的防渗碳层，然后对表面强化高温耐磨缸套坯体内表面进行抛光处理，即制得表面强化高温耐磨缸套。
3.根据权利要求2所述的表面强化高温耐磨缸套的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，抛光处理后的TiNb合金表面粗糙度Ra不大于4μm。
4.根据权利要求2所述的表面强化高温耐磨缸套的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，在缸套工件内外填充步骤2所得混合粉末，缸套工件与模具内壁的间距不小于2mm。
5.根据权利要求2所述的表面强化高温耐磨缸套的制备方法，其特征在于，所述步骤6中，表面渗碳处理过程中，高温炉内气压不小于0.3MPa。
6.根据权利要求2所述的表面强化高温耐磨缸套的制备方法，其特征在于，所述步骤6中，炉温的升温速率和降温速率都不高于10℃/min。
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|---|
| 钛铌合金表面（TiNb）C 强化层的形成机制与性能研究;朱建雷;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;B022-159 * |
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