CN118389986A - 一种用于汽车发动机活塞的改性镍基耐磨涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于汽车发动机活塞的改性镍基耐磨涂层的制备方法，属于汽车发动机和表面处理技术领域。本发明工艺将70%‑90%的Ni60合金粉末和10%‑30%的钨粉掺杂得到混合粉末，采用等离子熔覆技术将所得混合粉末喷涂至预处理后的基体表面，熔覆形成改性镍基耐磨涂层。本发明通过等离子熔覆制备得到Ni60/W涂层，涂层中析出了大量的硬质相，硬度与耐磨性得到了极大的提升，能够满足汽车发动机活塞严苛工作环境的性能要求。

Description

一种用于汽车发动机活塞的改性镍基耐磨涂层的制备方法

技术领域

本发明属于汽车发动机和表面处理技术领域，具体涉及一种用于汽车发动机活塞的改性镍基耐磨涂层的制备方法。

背景技术

汽车中的许多零件如阀门、活塞、气门等，在工作过程中都面临着摩擦损耗；摩擦损耗是接触表面材料变形、损伤和去除的持续现象，能够造成工件的磨损失效，大大降低工件的使用寿命，而磨损通常发生在工件的表面位置，因此，工件表面的耐磨性就成为了其使用寿命的关键。为此，人们对工件进行表面改性以提升其性能。在工件表面制备涂层是一种常用的表面改性方法，而金属基复合涂层在汽车领域有着广泛的应用。

金属基复合涂层是通过在金属基体中掺入加强相，并使用各种工艺制作而成，这样制作的涂层通常具有单一材料涂层所没有的优良性能。目前自熔性合金有铁基、钴基和镍基合金，其中镍基合金具有较好的力学性能，并在高温环境下具备较高的强度，且镍在相当大的成分范围内与其它金属具有冶金相容性，并具有耐蚀性高、高温抗氧化性好、性价比高等特点，镍基复合涂层因而成为了各个领域的研究热点。

在汽车领域，镍基复合涂层有着广泛的应用。韩冰源等（韩冰源,杜伟,徐文文,等.车用铝合金发动机活塞表面强化涂层磨损性能研究[J].江苏理工学院学报,2021,27(06):1-8.）在常用发动机材料ZL109上制备了等离子喷涂镍基涂层，涂层平均硬度高达838.10HV_0.1，约为基体硬度7倍，而基体平均磨损失重为5 mg，涂层平均磨损失重为3.2 mg，此镍基涂层能够提高活塞工件的耐磨性与使用寿命。张俊峰等（张俊峰,邓璘.缸套/活塞摩擦副激光束织构处理镀层的组织及摩擦学性能分析[J].材料保护,2019,52(03):47-50.）对缸套/活塞摩擦副进行激光束织构处理，并通过电镀制备了含MoS₂和Al₂O₃颗粒的镍基涂层，MoS₂和Al₂O₃颗粒具有的自润滑效果使得摩擦力减小，工件磨损率得到显著降低。Ni60是一种优质的镍基合金粉末，因其出色的耐热与耐蚀性能而备受青睐，然而，由于其硬度与耐磨性无法满足汽车零件严苛工作环境的要求，因而Ni60合金涂层在汽车领域的应用并不广泛。为此，众多研究者展开了提高Ni60合金涂层硬度与耐磨性的研究。

合金化是一种有效的强化方式，金属元素固溶进入基体，形成固溶强化效应，部分金属还能够通过影响γ′相，Laves相的析出进一步强化涂层的性能。钨（W）是一种优质的硬质合金，具有较高的硬度与熔点，并能够有效防止元素溶解，作为合金化元素，W的原子半径大，形成固溶体后能够引起晶格畸变，还能够与C元素形成硬质相WC，此外，W还能够抑制枝晶形成，细化晶粒。Sun等（Sun peng-fei, Wang deng-zhi, Song wen-ji, et al．Influence of W content on microstructure and corrosion behavior of lasercladded Inconel 718 coating[J]. Surface&Coatings Technology, 2023，452(jan.15):129079．）通过激光熔覆制备了W掺杂IN718镍基涂层，发现W的加入能够抑制枝晶形成，细化晶粒，并促进Laves相的形成。而目前，使用W对Ni60涂层进行强化的研究还未见相关报道。

发明内容

为解决Ni60合金涂层硬度和耐磨性较低无法满足汽车零件严苛工作环境的问题，本发明提供一种用于汽车发动机活塞的改性镍基耐磨涂层的制备方法。

为实现上述目的，本发明具体采用如下技术方案：

本发明提供一种用于汽车发动机活塞的改性镍基耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将Ni60合金粉末和钨粉进行混合掺杂，得到混合粉末，按质量百分数混合粉末包括Ni60合金粉末70%-90%、钨粉10%-30%；

步骤二、对基体表面进行预处理，采用热喷涂技术将步骤一所得混合粉末喷涂至处理后的基体表面，熔覆形成改性镍基耐磨涂层。

进一步地，步骤一中Ni60合金粉末和钨粉混合后球磨至10-15 μm即得混合粉末。

进一步地，所述球磨前还需在100℃条件下烘干1 h。

进一步地，步骤一所述混合粉末按质量百分数包括Ni60合金粉末80%、钨粉20%。

进一步地，步骤二预处理的操作为：使用200目砂纸打磨基体，随后用酒精清洗后干燥。

进一步地，步骤二所述热喷涂技术为等离子熔覆。

进一步地，所述等离子熔覆工艺参数为扫描速度2-12 cm/min、送粉率15%-65%、电流90-180 A；摆幅15 mm、离子气流量1.5 L/min、保护气流量22 L/min、送粉气流量2.8 L/min。

进一步地，所述等离子熔覆工艺参数为扫描速度6 cm/min、送粉率45%、电流120A。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明将Ni60合金粉末与高纯W粉末按质量比(70-90):(10-30)制备改性Ni60涂层，大幅度提高了Ni60合金涂层的综合性能，有效解决了Ni60合金涂层硬度与耐磨性偏低无法应用于汽车零件的问题；其中W粉掺杂量为20 wt%得到的改性Ni60涂层综合性能最佳，硬度可达759.7 HV_0.2，磨损量为1.13 mg，平均摩擦系数为0.3007，与未掺杂W的Ni60涂层性能相比，其硬度提高了20%，磨损量下降了46%，平均摩擦系数下降了16%。

附图说明

图1为本发明改性Ni60涂层制备过程示意图。

图2为本发明改性Ni60涂层硬度随工艺参数变化曲线。

图3为不同W粉掺量的Ni60涂层的X射线衍射谱。

图4为不同W粉掺量的Ni60涂层的微观组织。

图5为不同W粉掺量的Ni60涂层的硬度变化曲线。

图6为不同W粉掺量的Ni60涂层的摩擦系数曲线。

图7为不同W粉掺量的Ni60涂层磨损后的磨损量。

图8为不同W粉掺量的Ni60涂层磨损后的磨损表面形貌照片。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例1

一种改性镍基耐磨涂层，制备包括：

1、将Ni60合金粉末与高纯W粉末以不同的质量比（100:0、90:10、80:20、70:30、60:40）分别进行掺杂，使用研钵手动初步混合，并放入烘箱中在100℃下进行1 h烘干，随后放入球磨机进行球磨混合1 h，取出被混合粉末（平均尺寸10-15 μm）。

2、使用200目砂纸打磨基体，随后用酒精清洗、干燥。将基体置于等离子熔覆设备上，并控制等离子弧喷口与基体接近至能够成功起弧并高于所需涂层厚度的高度。

3、设置熔覆参数，开启等离子熔覆设备，通过所需涂层形状得出熔覆轨迹，按照该轨迹进行熔覆，待熔覆完成取下已完成熔覆、附有涂层的基体。

本发明改性Ni60涂层制备过程如图1所示。

为了更具体阐述本发明，在步骤3中，等离子熔覆机使用的参数为扫描速度6 cm/min、送粉率45%、电流120 A；摆幅15 mm、离子气流量1.5 L/min、保护气流量22 L/min、送粉气流量2.8 L/min。

该参数经由实验得出，在摆幅15 mm、离子气流量1.5 L/min、保护气流量22 L/min、送粉气流量2.8 L/min不变的情况下，以电流、送粉率、扫描速度为变量，每组设置一个变量，并分别研究该变量对熔覆层的影响，工艺参数设置如表1所示。

表1

图2为熔覆涂层硬度随工艺参数变化曲线，其中a、b、c分别为电流量、送粉率、扫描速度。由图2可知，随电流量提升，涂层硬度先升高后减小，最大值为120 A时的638.9 HV_0.2。硬度随送粉率增加呈上升的趋势，且在35%到45%间有较明显的提升。随扫描速度提高，结合程度变低，涂层硬度先升高后减小，最大值为6 cm/min时的725.4 HV_0.2。

稀释率变化如表2所示，电流越大，作用于基体的热量越多，稀释率越大。随送粉率升高，送粉量越多、粉末越多，传导至基体的热量越少，稀释率也越小。随扫描速度升高，输入熔池的热量越少，作用于基体的热量也越少，因此稀释率也越小。

表2

结合硬度与稀释率标准，得出等离子熔覆Ni60合金熔覆层的最佳工艺参数为电流120 A、送粉率45%、扫描速度6 cm/min。经验证，在此工艺参数下，Ni60熔覆层表面成形质量良好光滑饱满，有金属光泽，无明显缺陷，表面显微硬度达到了636.5 HV_0.2，稀释率为12.3%。

图3为不同W粉掺量的Ni60涂层的X射线衍射谱，由图可见，涂层中含有金属碳化物，加入W后涂层中出现了W单质。

图4为不同W粉掺量的Ni60涂层的微观组织，其中a、b、c、d、e分别为含W量为0、10%、20%、30%、40%的涂层。由图可见，掺杂W后涂层中含有大量尺寸细小的第二相，起到了析出强化的作用。

图5为不同W粉掺量的Ni60涂层的硬度变化曲线，由图可见，因熔覆过程中产生的热量导致基体熔化，使得部分Fe元素稀释至熔覆层与基体界面处，导致该区域的硬度相对较低。含W量为20%的涂层中形成了大量硬度较高的富Cr碳化物相，且分布密集而均匀，使得其硬度得到大幅提高，同时，W的原子半径较大，形成固溶体后也能够引起较大的晶格畸变，阻碍位错的运动，使硬度提高。W含量为20%的Ni60涂层相较于不含W的Ni60涂层，表面硬度从636.5 HV_0.2上升至759.7 HV_0.2，提高了约20%。

称量样品重量，随后在25℃下进行磨损实验。试样放入磨损仪，载荷为18.13 N，持续时间为30 min，对磨材料为ZrO球，实验后将样品洗净称重，获得磨损前后的质量差与磨损中的摩擦系数曲线。

图6为不同W粉掺量的Ni60涂层的摩擦系数曲线，其中a、b、c、d、e分别为含W量为0、10%、20%、30%、40%的涂层。加入W后，涂层摩擦系数曲线波动减小。

图7为不同W粉掺量的Ni60涂层磨损后的磨损量（25℃），从图中能看出，W含量为20%的Ni60涂层的磨损量为1.13 mg，远低于其他W含量的涂层。W含量为20%的Ni60涂层中，密集地分布有尺寸较大的鱼骨状相与尺寸较小的块状相，大块硬质相可有效抵挡摩擦磨损，细小的硬质相能保护大块硬质相间的基体，使得大块硬质相稳定地包夹在基体中而不被摩擦脱落，两者的协同作用大幅提高了涂层的耐磨性，同时其还具有最高的硬度，这三种因素使W含量为20%的Ni60涂层表现出优秀的耐磨性能。

图8为不同W粉掺量的Ni60涂层磨损后的磨损表面形貌照片，其中a、b、c、d、e分别为含W量为0、10%、20%、30%、40%的涂层。从图中能看出，相比其他不同W含量的Ni60涂层，W含量为20%的Ni60涂层的磨损痕迹更少，磨损表面形貌相对平滑。熔覆层中有明显的大片剥落痕迹，并有细小的篱沟，这说明各熔覆层的磨损机制均为典型的黏着磨损，并伴有轻微的磨粒磨损。其他的Ni60涂层磨损表面较为粗糙，有较多剥落；而W含量为20%的Ni60涂层磨损表面相对较平整，磨损相对较轻微。

综上，本发明提供的Ni60/W涂层的制备方法，通过等离子熔覆设备进行制备，涂层中析出了大量的硬质相，硬度与耐磨性得到了极大的提升。

最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于汽车发动机活塞的改性镍基耐磨涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将Ni60合金粉末和钨粉进行混合掺杂，得到混合粉末，按质量百分数混合粉末包括Ni60合金粉末70%-90%、钨粉10%-30%；

步骤二、对基体表面进行预处理，采用热喷涂技术将步骤一所得混合粉末喷涂至处理后的基体表面，熔覆形成改性镍基耐磨涂层。

2.根据权利要求1所述的用于汽车发动机活塞的改性镍基耐磨涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中Ni60合金粉末和钨粉混合后球磨至10-15 μm即得混合粉末。

3.根据权利要求2所述的用于汽车发动机活塞的改性镍基耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述球磨前还需在100℃条件下烘干1 h。

4.根据权利要求1所述的用于汽车发动机活塞的改性镍基耐磨涂层的制备方法，其特征在于，步骤一所述混合粉末按质量百分数包括Ni60合金粉末80%、钨粉20%。

5.根据权利要求1所述的用于汽车发动机活塞的改性镍基耐磨涂层的制备方法，其特征在于，步骤二预处理的操作为：使用200目砂纸打磨基体，随后用酒精清洗后干燥。

6.根据权利要求1所述的用于汽车发动机活塞的改性镍基耐磨涂层的制备方法，其特征在于，步骤二所述热喷涂技术为等离子熔覆。

7.根据权利要求6所述的用于汽车发动机活塞的改性镍基耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述等离子熔覆工艺参数为扫描速度2-12 cm/min、送粉率15%-65%、电流90-180A；摆幅15 mm、离子气流量1.5 L/min、保护气流量22 L/min、送粉气流量2.8 L/min。

8.根据权利要求7所述的用于汽车发动机活塞的改性镍基耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述等离子熔覆工艺参数为扫描速度6 cm/min、送粉率45%、电流120 A。