CN113463009A

CN113463009A - 一种铝合金发动机缸孔表面耐磨涂层的制备方法

Info

Publication number: CN113463009A
Application number: CN202110824057.3A
Authority: CN
Inventors: 黄太红; 吴敏萱; 宋鹏; 雷基林; 邓伟; 杨晋; 陈榕; 吕建国; 郑必举
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2021-07-21
Filing date: 2021-07-21
Publication date: 2021-10-01

Abstract

本发明属于发动机耐磨涂层技术领域，具体公开了一种铝合金发动机缸孔表面耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将Fe基合金粉末、Cr粉和Mo粉混合均匀；所述Cr粉的质量占比为15％～24％，所述Mo粉的质量占比为5％～8％；步骤2：将步骤1混合均匀的粉末采用等离子喷涂技术，喷涂在基体为铝合金的气缸内孔的孔壁上，形成耐磨涂层。采用本发明的方案，采用等离子喷涂技术在气缸内壁上喷涂耐磨涂层，使得耐磨涂层与发动机缸孔内壁之间为冶金结合，该结合方式相比于机械结合而言，结合力更强，在长时间服役过程中，涂层不会从缸孔内壁上脱离。

Description

一种铝合金发动机缸孔表面耐磨涂层的制备方法

技术领域

本发明属于发动机耐磨涂层技术领域，具体涉及了一种铝合金发动机缸孔表面耐磨涂层的制备方法。

背景技术

传统的发动机整个气缸都是由铸铁通过压铸成型；虽然采用铸铁压铸成型的气缸其耐高压、耐磨性能较好，但是同时也使得气缸的质量大，散热性能不好，铸件整体尺寸较大，形状复杂，在压铸过程中对缩松缩孔控制较为困难，容易使得铸件浇注不足，产生冷隔等缺陷。

近年来，在推进汽车轻量化的过程中，逐渐探索采用铝合金材料来代替传统的铸铁材料，铝合金材质的缸体也被各大汽车制造商使用，铝合金材质的缸体优势在于重量更低，散热效率更好，因而能节省燃油，符合汽车轻量化的设计理念，所以越来越多的小型车辆都是在使用铝合金缸体。但是铝合金缸体的缸孔耐磨性不足，在发动机运转过程中，由于摩擦作用会造成铝合金气缸表面磨损，导致服役时间缩短，目前通常的解决方式为，在缸孔内安装铸铁缸套来提高发动机使用寿命。

但由于铝合金缸体与铸铁缸套之间的热膨胀系数差别较大，在长期的高温工作过程中的，缸体中的热作用使得缸体与缸套之间发生不同的形变，从而使得缸套与缸体之间的连接性下降甚至脱落；同时，气缸内可燃混合气燃烧后产生的有害物质也会对气缸的表面造成腐蚀，腐蚀物在摩擦中逐步被活塞环刮掉，造成气缸套变形，并且空气中的灰尘、润滑油中的杂质进入气缸内，使活塞和缸壁间造成磨料磨损，除此还存在锈蚀磨损等问题。磨损不仅会消耗大量的材料，造成经济损失，还会导致机械设零部件损坏，丧失原定功能或者存在安全隐患，继续使用将失去其可靠性和安全性。

基于此，本申请中提供了一种在铝合金发动机缸孔表面制备一层耐磨涂层来改善铝合金缸体表面的耐磨性能。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种铝合金发动机缸孔表面耐磨涂层的制备方法，以解决目前采用铝合金缸体镶嵌铸铁缸套，长时间热作用下两者之间的热变形程度不同，导致连接性能下降，服役时间缩短的问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种铝合金发动机缸孔表面耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将Fe基合金粉末、Cr粉和Mo粉混合均匀；所述Cr粉的质量占比为15％～24％，所述Mo粉的质量占比为5％～8％；

步骤2：将步骤1混合均匀的粉末采用等离子喷涂技术，喷涂在基体为铝合金的气缸内孔的孔壁上，形成耐磨涂层。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本方案相比于传统铸铁压铸缸体，质量更轻，而相比于铝合金缸体镶嵌铸铁缸套而言，由于其两者之间为机械结合，在热作用下，两者之间不同的热膨胀系数导致膨胀程度不同，从而使得机械结合力下降甚至失效。本方案中采用等离子喷涂技术在气缸内壁上喷涂耐磨涂层，使得耐磨涂层与发动机缸孔内壁之间为冶金结合，该结合方式相比于机械结合而言，结合力更强，在长时间服役过程中，涂层不会从缸孔内壁上脱离。

2、本方案中，Fe基合金的使用能够保证涂层与铝合金基体之间有足够的结合强度，而Cr粉以及Mo粉作为硬质相的加入，能够提高涂层的硬度，相比于添加单相硬质颗粒，本申请中Cr粉以及Mo粉能够起到协同的作用，改善涂层的磨损状况，能够保证涂层的润滑效果，提高涂层韧性，使摩擦系数降低，起到一定的自润滑效果，从而减缓了气缸的磨损失效，延长了气缸的使用寿命。

进一步，所述步骤1中Fe基合金粉末的成分，按质量占比计，包括：12.5％的Cr、0.5％的Si、0.1％的Mn、0.03％的C以及余量为Fe。

有益效果：本方案提供了一种FeCr合金粉末，该合金作为涂层基体与铝合金的气缸缸孔表面具有较好的结合力。

进一步，所述步骤1中Cr粉与Mo粉的质量配比为3:1。

有益效果：本方案中，由于Fe基合金为FeCr合金，提高陶瓷颗粒Cr粉的占比，使得陶瓷颗粒能够更好的分布到Fe基合金基体相中，而Mo粉主要则是为了保证涂层的硬度，但加入过多，硬度过大又可能导致耐磨性下降，且涂层中的层状结构无法保持。

进一步，所述步骤1中Fe基合金粉末、Cr粉以及Mo粉的粒径范围均在30～55μm之间，且均为球形粉。

有益效果：一方面30～55μm的球形粉能够满足等离子喷涂技术中喷枪的要求，另一方面球形粉在喷枪中能够更好的被融化，从而减少形成的涂层中的孔、夹杂等缺陷。

进一步，所述步骤1中Fe基合金粉末、Cr粉以及Mo粉采用球磨机进行球磨，球磨介质为无水乙醇，球磨时间不超过3h。

有益效果：采用球磨的方式能够使得三种粉末能够得到充分的混合。

进一步，所述步骤1中，粉末球磨后，在干燥箱内进行干燥处理，干燥温度为60℃～100℃，干燥时间为0.5～1h。

有益效果：这样处理后，使得混合粉末中的无水乙醇能够完全挥发，减少介质对喷涂的影响。

进一步，所述步骤2中在喷涂之前对发动机气缸内孔依次进行除油和喷砂处理。

有益效果：这样处理后，能够提高铝合金基体与耐磨涂层之间的结合强度，使得气缸在服役过程中，耐磨涂层不易从铝合金基体上脱落下来。

进一步，所述步骤2中等离子喷涂的参数为：电压为50～55V，喷涂距离为30～40mm，旋转速度为100～200r/min，抽风速率为10～20m/s，送粉速率为100～120g/min，喷涂角度为45°。

有益效果：采用本方案提供的喷涂参数，使得到的涂层组织更均匀，形成较好的层状结构，且Cr与Mo相能更好的分布在Fe基合金相中。

附图说明

图1为本发明实施例1的耐磨涂层在100μm下的微观结构图。

图2为本发明实施例1的耐磨涂层在100μm下的微观结构图。

图3为本发明实施例1的耐磨涂层在20μm下的微观结构图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步详细说明，并给出具体实施方式。

实施例1：

步骤1：将发动机气缸内孔进行除油清理后，再进行喷砂处理，发动机气缸的基体为铝合金。

步骤2：准备Fe基合金粉末，以及质量占比为24％的Cr粉和8％的Mo粉，其中Cr粉和Mo粉的质量配比为3:1。

本实施例1中Fe基合金粉末的成分表(按质量占比计)：

Fe基合金粉末、Cr粉以及Mo粉的粒径范围均在30～55μm之间，且上述粉末均为球形粉，将上述粉末放入球磨机中球磨3h，球磨介质为无水乙醇，粉末混合均匀后，将混合粉末在干燥箱中，于60℃，干燥1h，使得混合粉末中的无水乙醇完全蒸发。

步骤3：采用旋转内孔等离子喷涂技术，单路送粉的方式，并采用氩气等作为保护气体，将步骤2得到的混合粉末熔化并喷射到步骤1中气缸内孔的孔壁上，形成耐磨涂层。步骤3中内孔喷涂参数，具体如下表1所示：

表1为实施例1步骤3中的喷涂参数表

实施例2～实施例4：

与实施例1的区别在于，实施例2～实施例4中，原料的质量占比不同，具体如下表3所示。

表3为实施例2～实施例4中涂层所用原料表

实施例5：

与实施例1的区别在于，实施例5的步骤2中喷涂参数不同，具体如下表4所示。

表4为实施例5步骤2中的喷涂参数表

实施例6：

与实施例1的区别在于，实施例6的步骤2中喷涂参数不同，具体如下表5所示。

表5为实施例6步骤2中的喷涂参数表

实施例7：

与实施例1的区别在于，步骤2中球磨后的混合粉末在100℃下，干燥0.5h。

对照组1：

与实施例1的区别在于，对照组1中缸体为铝合金制成，内部镶嵌有铸铁缸套。

对照组2：

与实施例1的区别在于，对照组2中涂层的原料中未加入Cr粉末。

对照组3：

与实施例1的区别在于，对照组3中涂层的原料未加入Mo粉末。

对照组4：

与实施例1的区别在于，对照组4中涂层的原料中未加入Cr粉末和Mo粉末。

试验：

将采用实施例1～实施例7提供的方案得到的涂层试样以及对照组1～4的微观组织进行观察以及硬度试验：

1、采用SEM电镜对实施例1～7以及对照组1～4的微观结构进行观察，以实施例1为例，其中图1与图2分别为实施例1的耐磨涂层在不同位置100μm尺度下的微观组织图，图3为实施例的耐磨涂层在20μm尺度下的微观组织图。

通过图1～图3可以观察到，采用实施例1提供的制备方法形成的涂层呈较好的层状分布，组织结构均匀连续，Cr与Mo陶瓷颗粒相均匀分布在涂层中，起到提高涂层表面硬度的作用；这样当铝合金表面涂层与和其发生摩擦的物体表面硬度差较小时，在滑动过程中不易被较硬的摩擦副磨裂造成零件失效，因此，提高涂层的表面硬度可以进一步改善涂层的耐磨性能。

2.采用显微维氏硬度计，测试涂层的显微硬度，测试方式为，在样品上取5个测试点，每个点打3组数据，取数据平均值作为涂层显微硬度值。以实施例1为例，各测试点硬度如下表6所示，从表6中可以得出，实施例1得到的耐磨涂层的平均硬度达到了357.4HV，该硬度下的涂层在工作时，其耐磨性较高。

表6为实施例1制备的耐磨涂层的硬度值

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种铝合金发动机缸孔表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种铝合金发动机缸孔表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤1中Fe基合金粉末的成分，按质量占比计，包括：12.5％的Cr、0.5％的Si、0.1％的Mn、0.03％的C以及余量为Fe。

3.根据权利要求2所述的一种铝合金发动机缸孔表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤1中Cr粉与Mo粉的质量配比为3:1。

4.根据权利要求1所述的一种铝合金发动机缸孔表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤1中Fe基合金粉末、Cr粉以及Mo粉的粒径范围均在30～55μm之间，且均为球形粉。

5.根据权利要求1所述的一种铝合金发动机缸孔表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤1中Fe基合金粉末、Cr粉以及Mo粉采用球磨机进行球磨，球磨介质为无水乙醇，球磨时间不超过3h。

6.根据权利要求5所述的一种铝合金发动机缸孔表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，粉末球磨后，在干燥箱内进行干燥处理，干燥温度为60℃～100℃，干燥时间为0.5～1h。

7.根据权利要求1所述的一种铝合金发动机缸孔表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤2中在喷涂之前对发动机气缸内孔依次进行除油和喷砂处理。

8.根据权利要求1所述的一种铝合金发动机缸孔表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤2中等离子喷涂的参数为：电压为50～55V，喷涂距离为30～40mm，旋转速度为100～200r/min，抽风速率为10～20m/s，送粉速率为100～120g/min，喷涂角度为45°。