專利名稱：一種活塞環(huán)用熱噴涂復合涂層材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種活塞環(huán)用熱噴涂復合涂層材料及其制備技術，屬于復合材料及熱噴涂技術領域，該發(fā)明主要應用于活塞環(huán)耐磨涂層領域。
背景技術：
活塞環(huán)是發(fā)動機中的關鍵零部件，長時間在較高溫度下做上下往復運動，在其行程的上下止點處速度接近零，潤滑油膜難以建立，處于邊界潤滑狀態(tài)，摩擦磨損現(xiàn)象非常嚴重。從統(tǒng)計上看，活塞環(huán)摩擦磨損在整機摩損中占最大比例，約40%。目前，往往采用表 面涂層技術來改善活塞環(huán)的耐磨性能，常用的技術包括電鍍、氮化、熱噴涂、PVD、CVD等。電鍍技術嚴重污染環(huán)境，應用前景很不明朗，相對其它技術采用氮化技術的涂層耐磨性并沒有顯著提高，采用PVD/CVD技術得到的耐磨涂層性能優(yōu)越，但涂層厚度往往小于50 μ m，嚴重限制其應用。熱噴涂技術，尤其是大氣等離子噴涂技術，在耐磨涂層制備上具有一定優(yōu)勢，并且其耐磨涂層厚度可控，可噴涂粉末廣。當今，熱噴涂復合涂層的研究及開發(fā)主要以Mo基材料為主，非Mo及低Mo熱噴涂復合涂層研究較少，本專利涉及一種新型無Mo熱噴涂復合涂層。TiO2具有硬度較高，耐磨性較好，摩擦系數(shù)較低的特點，尤其是在噴涂過程中容易生成次生氧化物TinO2lri，該氧化物具有晶體學切變面，是良好的固態(tài)潤滑相。Cr2O3是一種硬度很高，有著良好耐磨性的陶瓷涂層，但是大氣等離子噴涂技術制備的陶瓷涂層，往往涂層中存在很大的殘余應力，引發(fā)嚴重的裂紋，降低涂層的內聚強度，對陶瓷涂層的耐磨性能產生不利的影響。自熔合金NiCrBSiFe也是一種常用的耐磨涂層材料，與陶瓷材料不同，在噴涂過程中NiCrBSiFe粉末熔化充分，涂層顆粒之間結合強度高，涂層致密，并且噴涂過程能夠生成硬質相Ni3B,改善涂層的耐磨性,但相對陶瓷涂層，NiCrBSiFe金屬涂層的耐磨性較低。潤滑相對耐磨涂層的影響比較顯著，可以有效降低涂層的摩擦系數(shù)，與耐磨材料同時存在時，可以顯著改善涂層的耐磨性能。C-Ni中的石墨C屬于典型的固態(tài)潤滑相，包覆材料Ni可以防止C在噴涂過程中發(fā)生氧化現(xiàn)象，從而保證涂層中存在數(shù)目較多的潤滑相。如今的活塞環(huán)耐磨涂層主要由單一材料組成，而耐磨涂層的設計與材料的多種性能相關，單一材料很難滿足要求。本發(fā)明方法涉及的一種活塞環(huán)用熱噴涂復合材料，由疒4種材料組合而成(包含某一種或兩種材料質量分數(shù)為零的情況)，涂層性能不僅僅受單一材料的影響，而與多種材料相關，可以保證耐磨涂層滿足活塞環(huán)工況需求。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在獲得一種活塞環(huán)用高摩擦學性能的熱噴涂復合涂層材料、涂層的制備方法。本發(fā)明所涉及的耐磨涂層制備方法，主要是大氣等離子噴涂方法，所獲得的耐磨涂層應用在活塞環(huán)上，可以顯著提高活塞環(huán)的耐磨性?！N活塞環(huán)用熱噴涂復合涂層材料，由四種材料組成。2(T60wt.%的TiO2,0 30wt.% 的 NiCrBSiFe，20 40wt.% 的 Cr2O3,0 20wt.% 的 C-Ni。
優(yōu)選的，所述的TiO2粉末直徑20 120 μ m ；
優(yōu)選的，自熔合金NiCrBSiFe粉末直徑30 130 μ mum ;
優(yōu)選的，陶瓷增強材料Cr2O3粉末直徑1(Γ70 μ m ；
優(yōu)選的，減摩材料鎳包石墨C-Ni粉末直徑2(Γ120 μ m。Ni重量含量在65 80%。
優(yōu)選的，米用機械混合方法充分混合原始粉末。
優(yōu)選的，采用上述復合粉末作為喂料，利用大氣等離子噴涂方法制備耐磨涂層，每次噴涂厚度不得高于50μπι，每次噴涂間隔時間至少lOmin，待基體溫度低于200°C再進行下一次噴涂，涂層最終厚度350-360 μ m左右。
所制備的耐磨涂層應用于活塞環(huán)外表面上。
本發(fā)明所獲得的活塞環(huán)用熱噴涂復合材料，包含了陶瓷基體TiO2，顆粒較小且具有極高硬度、耐磨性的Cr2O3作為增強顆粒，能提高復合材料之間結合強度、韌性的自熔合金NiCrBSiFe,具有良好固態(tài)潤滑效果的潤滑材料C-Ni?？梢燥@著提高涂層的耐磨性、內聚強度、抗裂性，并有效地降低涂層的摩擦系數(shù)。采用本發(fā)明制備的活塞環(huán)涂層具有優(yōu)越的摩擦學性能。
具體實施方式
以下實施例闡明了本發(fā)明的具體內容，但本發(fā)明決非局限于以下實施例。
實施例
各實施例中相同部分如下所述:
1.實施例中噴涂基體選擇45號鋼，尺寸19X12.3 X 12.0，表面經(jīng)過磨床加工，使其表面粗糙度Ra值達到0.4。
2.在19X12.3的任一個面上進行噴砂處理，采用粒度為16 24目棕剛玉，氣體壓強0.4^0.6MPa，噴砂距離70mm，噴砂角度7(Γ80度，持續(xù)時間IOs以上，完成對基體的粗化處理,噴涂前用丙酮清洗噴砂表面。
3.采用機械混合法配置混合粉末，并使復合粉末混合均勻，機械混粉時間不低于30分鐘，混合粉末各組成成分質量分數(shù)在實施例中具體說明，原始粉末TiO2直徑 20 120 μ m, NiCrBSiFe 直徑 30 130 μ mum, Cr2O3 直徑 10 70 μ m, C-Ni 直徑 20 120 μ m。
4.選擇混合粉末作為喂料進行噴涂，噴涂工藝參數(shù)選擇Ar氣流量39L/min，H2氣流量9L/min，電流600A，噴涂功率約為42Kw，噴涂距離100mm，送粉率40g/min。每次噴涂厚度不得高于50μπι，每次噴涂間隔時間至少lOmin，待基體溫度低于200°C再進行下一次噴涂，并且噴涂時對基體背面進行充分冷卻，以降低涂層應力，反復噴涂最終獲得350 μ m左右的涂層。
實施例1`
按照四種粉末質量百分比配置復合粉末，TiO2 60.0wt.%, NiCrBSiFe 0.0wt.%, Cr2O3 40.0wt.%，C-Ni 0.0wt.%。
實施例2
按照四種粉末質量百分比配置復合粉末，TiO2 53.3wt.%, NiCrBSiFe 0.0wt.%, Cr2O3 33.3wt.%，C-Ni 13.4wt.%。
實施例3按照四種粉末質量百分比配置復合粉末，TiO2 55.0wt.%, NiCrBSiFe 15.0wt.%，Cr2O3 20.0wt.%，C-Ni 10.0wt.%。實施例4按照四種粉末質量百分比配置復合粉末，TiO2 60.0wt.%, NiCrBSiFe 0.0wt.%，Cr2O3 20.0wt.%，C-Ni 20.0wt.%。實施例5按照四種粉末質量百分比配置復合粉末，TiO2 66.7.0wt.%，NiCrBSiFe 0.0wt.%，Cr2O3 26.7wt.%，C-Ni 6.6wt.%。實施例6按照四種粉末質量百分比配置復合粉末，TiO2 42.5wt.%，NiCrBSiFe 16.5wt.%，Cr2O3 30.5wt.%，C-Ni 10.5wt.%。實施例7按照四種粉末質量百分比配置復合粉末，TiO2 80.0wt.%, NiCrBSiFe 0.0wt.%，Cr2O3 20.0wt.%，C-Ni 0.0wt.%。實施例8按照四種粉末質量百分比配置復合粉末，TiO2 20.0wt.%, NiCrBSiFe 30.0wt.%，Cr2O3 25.0wt.%，C-Ni 20.0wt.%。實施例9按照四種粉末質量百分比配置復合粉末，TiO2 50.0wt.%, NiCrBSiFe 30.0wt.%，Cr2O3 20.0wt.%，C-Ni 0.0wt.%。實施例10按照四種粉末質量百分比配置復合粉末，TiO2 36.7wt.%, NiCrBSiFe 30.0wt.%，Cr2O3 26.7wt.%，C-Ni 6.6wt.%。各實施例所制備涂層性能檢測如下所述:1.根據(jù)國標GB/T9790-1988進行涂層顯微硬度測試，測試條件:載荷200g，加載時間15s。在每個涂層不同區(qū)域取10點進行測量，并取平均值作為最終顯微硬度值，見表I ;2.采用SRV高溫摩擦磨損實驗機分析涂層在干摩擦條件下的高溫摩擦學性能。由于試樣初始表面粗糙度對摩擦磨損影響較大，測試前對上下試樣進行1000#砂紙磨光處理。摩擦磨損實驗參數(shù)如下:高溫試驗200°C，載荷150N，沖程1mm，頻率50Hz，試驗時間30min。記錄摩擦系數(shù)的變化情況，求出各涂層平均摩擦系數(shù)，見表2。試驗后使用精度0.1mg的天平測量磨損前后質量，分析上下試樣的磨損情況，取差值。磨損量結果見表2。表I涂層的孔隙率及顯微硬度
權利要求
1.一種活塞環(huán)用熱噴涂復合涂層材料，其組成成分及含量:20 60wt.% 的 TiO2,0 30wt.% 的 NiCrBSiFe，20 40wt.% 的 Cr2O3,0 20wt.% 的 C-Ni。
2.根據(jù)權利要求1所述的活塞環(huán)用熱噴涂復合涂層材料，其特征在于，所述TiO2尺寸在 20^120 μ mo
3.根據(jù)權利要求1所述的活塞環(huán)用熱噴涂復合涂層材料，其特征在于，所述NiCrBSiFe 尺寸在 3(Γ 30μπι。
4.根據(jù)權利要求1所述的活塞環(huán)用熱噴涂復合涂層材料，其特征在于，所述Cr2O3尺寸在 10^70 μ mo
5.根據(jù)權利要求1所述的活塞環(huán)用熱噴涂復合涂層材料，其特征在于，所述C-Ni為鎳包覆石墨粉末，Ni重量含量在65 80%，包覆后的粉末尺寸在2(Γ120 μ m。
6.一種采用權利要求1中任一種復合涂層材料作為喂料的涂層制備方法，其特征在于，采用大氣等離子噴涂技術制備涂層；每次噴涂厚度不得高于50 μ m，每次噴涂間隔時間至少lOmin，待基體溫度低于200°C再進行下一次噴涂，涂層最終厚度350-360 μ m。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，所制備的耐磨涂層應用于活塞環(huán)外表面上。
全文摘要
一種活塞環(huán)用熱噴涂復合涂層材料及其制備方法，屬于材料表面工程領域。復合涂層的材料主要由4種不同粉末機械混合而成，包括陶瓷材料TiO2，粉末直徑在20~120μm，質量分數(shù)20~60wt.%；自熔合金NiCrBSiFe，粉末直徑在30~130μm，質量分數(shù)0~30wt.%；陶瓷增強材料Cr2O3，粉末直徑在10~70μm，質量分數(shù)20~40wt.%；減摩材料鎳包石墨C-Ni，粉末直徑在20~120μm，質量分數(shù)0~20wt.%。本發(fā)明采用大氣等離子噴涂技術制備活塞環(huán)用耐磨涂層，所制備的涂層具有優(yōu)越的耐磨性能。
文檔編號C23C4/12GK103205667SQ20131011628
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月3日 優(yōu)先權日2013年4月3日
發(fā)明者李輝, 孫日超, 栗卓新, 魏琪, 祝弘濱, 劉旭 申請人:北京工業(yè)大學