CN109504966A - 一种气缸盖蠕墨铸铁表面耐磨减摩涂层的制备方法 - Google Patents

一种气缸盖蠕墨铸铁表面耐磨减摩涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种气缸盖蠕墨铸铁表面耐磨减摩涂层的制备方法。一种蠕墨铸铁表面耐磨减摩涂层的制备方法，先对表面处理后的蠕墨铸铁进行适度预先热处理；然后将Co基合金、Cr3C2和MoS2粉末按配比混合均匀，烘干；再利用激光熔覆技术将烘干的粉末通过多道搭接形式沉积于蠕墨铸铁表面，以形成Co基复合涂层；最后，对Co基复合涂层进行后续热处理，以获得耐磨减摩熔覆层。优点：良好的冶金结合，可以大幅度减小脱皮、分离、剥落的几率；对基体材料损害小，基体变形和强度损失较小；对蠕墨铸铁基体进行预先热处理，可以有效降低热应力，控制裂纹的萌生；对制备的耐磨减摩涂层进行后续热处理，降低和消除了激光熔覆后的残余应力，避免涂层在使用过程中产生裂纹；性能优异，同时兼备耐磨和减摩性能；熔覆效率高。

Description

一种气缸盖蠕墨铸铁表面耐磨减摩涂层的制备方法
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，尤其涉及一种气缸盖蠕墨铸铁表面耐磨减摩涂层的制备方法。
背景技术
蠕墨铸铁是具有片状和球状石墨之间的一种过渡形态的灰口铸铁，因其优异的导热和铸造性能、良好的塑性和耐疲劳性能，已成为发动机关键部位气缸盖的首选材料。然而，气缸盖蠕墨铸铁通常在较大的运动摩擦力下承受多种交叉磨损形式，如磨粒磨损、腐蚀磨损等，因此直接使用难以满足耐磨减摩的工况要求。
激光熔覆技术是一种先进的表面工程技术，具有熔覆层与基体呈冶金结合、基体热变形小、稀释率可控等优点，已经被较多地应用于碳钢、合金钢、钛合金等多种基体材料的表面强化。激光熔覆层的形成是一个复杂的物理化学过程和熔体快速凝固过程。因此，影响激光熔覆层的成形质量与性能的因素较复杂，其中，熔覆材料是一个主要因素。Co基合金粉末具有良好的高温性能和耐蚀耐磨性能，常被应用于冶金、石化等工业领域；Cr3C2具有较高的硬度，且C和Cr也是固溶强化元素，能提高熔覆层的耐磨能力；MoS2具有稳定的摩擦性能，是目前应用最广泛的固体润滑剂，添加到熔覆层中可以起到自润滑效果。因此，将三种按一定配比混合均匀的粉末熔覆于基体表面可以同时起到耐磨减摩的效果。但是由于蠕墨铸铁含碳量较大，在激光熔覆急冷急热的特性下，容易产生淬硬层，导致裂纹倾向性变大，从而影响了熔覆层的耐磨减摩性能。
因此，如何在气缸盖蠕墨铸铁表面制备一种兼备耐磨减摩性能的复合涂层，以延长气缸盖的使用寿命，是目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单合理的气缸盖蠕墨铸铁表面耐磨减摩涂层的制备方法，制备的涂层不仅结合牢固，兼具耐磨减摩性能。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种气缸盖蠕墨铸铁表面耐磨减摩涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)对气缸盖蠕墨铸铁表面进行除锈、除油、干燥处理；
2)对上述处理后的蠕墨铸铁进行适度预先热处理；
3)将Co基合金、Cr3C2和MoS2三种粉末机械混合均匀，然后烘干；
4)制备耐磨减摩涂层：采用激光熔覆技术，将上述烘干的粉末通过激光束的多道搭接形式沉积于预热后的蠕墨铸铁表面，获得耐磨减摩涂层；
5)对上述耐磨减摩涂层进行后续热处理；
6)最后对耐磨减摩涂层进行机械加工处理。
作为优选，所述步骤1)中的气缸盖蠕墨铸铁选用蠕墨铸铁RuT300。
作为优选，所述步骤2)中的预先热温度为200～300℃。
进一步，所述步骤3)中的Co基合金粉末为Co基合金粉末Tribaloy 800或Co基合金粉末Tribaloy 400或Co基合金粉末Stellite 156；Co基合金、Cr3C2和MoS2三种粉末的质量百分比为：Cr3C2粉末10％～15％，MoS2粉末4％～7％，其余为Co基合金粉末。
进一步，所述步骤4)的激光束的光斑为圆形或矩形，圆形光斑的直径为3.0～6.0mm，矩形光斑的尺寸为10～12mm×1.5～2.5mm。
进一步，所述步骤4)的激光熔覆的具体参数为：功率为1.8～2.4kW，速度为6～12mm/s，送粉量为3.0～5.0g/min，保护气Ar气流量为13～17L/min，送粉气N2流量为4.0～8.5L/min，搭接率30～50％，制备的耐磨减摩涂层厚度控制在1.0～1.5mm。
进一步，所述步骤4)制备耐磨减摩涂层不局限于采用激光熔覆技术，还可以选用氧乙炔喷焊、等离子堆焊高效表面熔凝技术进行制备。
进一步，所述步骤5)后续热处理工艺为：温度350～400℃，保温1.5～2.5h，缓慢冷却到190～210℃，然后空冷。
最后，所述步骤6)的机械加工处理的要求为：表面光泽，无加工痕迹，微辨加工方向，控制涂层表面粗糙度为Ra0.2～0.8等级。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、良好的冶金结合：与电镀、热喷涂工艺相比，本发明制备的耐磨减摩层为冶金结合，可以大幅度减小脱皮、分离、剥落的几率；
2、对基体材料损害小：本发明采用的激光熔覆技术对蠕墨铸铁基体变形和强度损失较小；
3、本发明对蠕墨铸铁基体进行适度的预先热处理，减小冷却时的温度梯度，从而可以有效降低热应力，控制裂纹的萌生；
4、本发明对制备的耐磨减摩涂层进行后续热处理，降低和消除了激光熔覆后的残余应力，避免涂层在使用过程中由于外界不可控因素的诱导而出现裂纹；
5、性能优异：本发明制备的涂层兼顾了金属Co基涂层的硬度和耐磨性能，同时具备了减摩涂层的自润滑性能，可有效防止气缸盖因摩擦磨损造成的过早失效，延长气缸盖的使用寿命；
6、熔覆效率高：除激光熔覆技术之外，也可以选用氧乙炔喷焊、等离子堆焊等表面熔凝技术进行耐磨层的制备。
附图说明
图1是本发明提供的实施例1在激光熔覆过程的操作示意图；
1.送粉气；2.激光束；3.保护气；4.同轴送粉熔覆头；5.粉末流；6.熔池；7.覆盖层；
图2是实施例1制备的耐磨减摩涂层的表面宏观形貌；
图3是实施例1制备的耐磨减摩涂层沿厚度方向的硬度变化趋势图；
图4是实施例1制备的耐磨减摩涂层和蠕墨铸铁基体的磨损量对比；
图5是实施例1制备的耐磨减摩涂层和蠕墨铸铁基体的摩擦系数随时间的变化曲线。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
(a)对气缸盖蠕墨铸铁RuT300(化学成分见表1)表面进行除锈、除油、干燥处理；
(b)对步骤(a)处理后的蠕墨铸铁进行预先热处理，预热温度为200℃；
(c)将Co基合金、Cr3C2和MoS2三种粉末机械混合均匀，然后烘干，其中，Cr3C2粉末的质量百分比为10％，MoS2粉末的质量百分比为6％，其余为Co基合金粉末Tribaloy800；
(d)采用激光熔覆技术，将步骤(c)烘干的粉末沉积于步骤(b)预热后的蠕墨铸铁表面，获得一种结合状态良好、无裂纹的耐磨减摩涂层，通过优化工艺参数，涂层厚度控制在1.2mm左右，激光束光斑为直径3.5mm的圆形光斑，功率为2.0kW，速度为8mm/s，送粉量为3.5g/min，保护气Ar气流量为15L/min，送粉气N2流量为5.5L/min，搭接率30％；这样就形成一种高硬度、耐磨性能和减摩效果好的复合涂层，复合涂层的表面宏观形貌如图2所示。
(e)对步骤(d)的耐磨减摩涂层进行后续热处理，热处理工艺为：400℃保温2h，缓慢冷却到200℃，然后空冷。
(f)将蠕铁表面的复合涂层进行机械加工，直至表面光泽，并控制涂层表面粗糙度为Ra0.2等级。
表1蠕墨铸铁RuT300的化学成分(质量分数％)
元素 C Si Mn S P Fe
含量 3.5 2.8 0.5 <0.06 <0.07 余量
接下来对制备的耐磨减摩涂层的性能进行检测：
耐磨减摩涂层沿厚度方向的硬度变化趋势图如图3所示，可以看出复合涂层的平均显微硬度达到609.5HV，提高到蠕墨铸铁基体硬度的3倍左右；
将本实施例的耐磨减摩涂层和蠕墨铸铁基体的磨损量进行对比，如图4所示，可以看出复合涂层的磨损量仅为基体的1/6，耐磨性能大大提高；
耐磨减摩涂层和蠕墨铸铁基体的摩擦系数随时间的变化曲线如图5所示，可以看到蠕墨铸铁的平均摩擦系数为0.5382，涂层的平均摩擦系数为0.2865，减摩效果大大提高。
实施例2
(a)对气缸盖蠕墨铸铁RuT300表面进行除锈、除油、干燥处理；
(b)对步骤(a)处理后的蠕墨铸铁进行预先热处理，预热温度为250℃；
(c)将Co基合金、Cr3C2和MoS2三种粉末机械混合均匀，然后烘干，其中，Cr3C2粉末的质量百分比为12％，MoS2粉末的质量百分比为5％，其余为Co基合金粉末Tribaloy400；
(d)采用激光熔覆技术，将步骤(c)烘干的粉末沉积于步骤(b)预热后的蠕墨铸铁表面，获得一种结合状态良好、无裂纹的耐磨减摩涂层，通过优化工艺参数，涂层厚度控制在1.3mm左右，激光束光斑为直径5mm的圆形光斑，功率为2.2kW，速度为10mm/s，送粉量为4.0g/min，保护气Ar气流量为14L/min，送粉气N2流量为6.5L/min，搭接率40％；
(e)对步骤(d)的耐磨减摩涂层进行后续热处理，热处理工艺为：350℃保温2h，缓慢冷却到200℃，然后空冷；
(f)将蠕铁表面的复合涂层进行机械加工，直至表面光泽，并控制涂层表面粗糙度为Ra0.4等级。
实施例3
(a)对气缸盖蠕墨铸铁RuT300表面进行除锈、除油、干燥处理；
(b)对步骤(a)处理后的蠕墨铸铁进行预先热处理，预热温度为300℃；
(c)将Co基合金、Cr3C2和MoS2三种粉末机械混合均匀，然后烘干。其中，Cr3C2粉末的质量百分比为15％，MoS2粉末的质量百分比为4％，其余为Co基合金粉末Stellite156；
(d)采用激光熔覆技术，将步骤(c)烘干的粉末沉积于步骤(b)预热后的蠕墨铸铁表面，获得一种结合状态良好、无裂纹的耐磨减摩涂层；通过优化工艺参数，涂层厚度控制在1.5mm左右，光斑为12mm×2mm的矩形光斑，功率为2.4kW，速度为12mm/s，送粉量为5.0g/min，保护气Ar气流量为17L/min，送粉气N2流量为7.5L/min，搭接率45％；
(e)对步骤(d)的耐磨减摩涂层进行后续热处理，热处理工艺为：400℃保温2h，缓慢冷却到200℃，然后空冷；
(f)将蠕铁表面的复合涂层进行机械加工，直至表面光泽，并控制涂层表面粗糙度为Ra0.8等级。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种气缸盖蠕墨铸铁表面耐磨减摩涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)对气缸盖蠕墨铸铁表面进行除锈、除油、干燥处理；
2)对上述处理后的蠕墨铸铁进行适度预先热处理；
3)将Co基合金、Cr3C2和MoS2三种粉末机械混合均匀，然后烘干；
4)制备耐磨减摩涂层：采用激光熔覆技术，将上述烘干的粉末通过激光束的多道搭接形式沉积于预热后的蠕墨铸铁表面，获得耐磨减摩涂层；
5)对上述耐磨减摩涂层进行后续热处理；
6)最后对耐磨减摩涂层进行机械加工处理。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中的气缸盖蠕墨铸铁选用蠕墨铸铁RuT300。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的预先热温度为200～300℃。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中的Co基合金粉末为Co基合金粉末Tribaloy 800或Co基合金粉末Tribaloy 400或Co基合金粉末Stellite 156；Co基合金、Cr3C2和MoS2三种粉末的质量百分比为：Cr3C2粉末10％～15％，MoS2粉末4％～7％，其余为Co基合金粉末。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4)的激光束的光斑为圆形或矩形，圆形光斑的直径为3.0～6.0mm，矩形光斑的尺寸为10～12mm×1.5～2.5mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4)的激光熔覆的具体参数为：功率为1.8～2.4kW，速度为6～12mm/s，送粉量为3.0～5.0g/min，保护气Ar气流量为13～17L/min，送粉气N2流量为4.0～8.5L/min，搭接率30～50％，制备的耐磨减摩涂层厚度控制在1.0～1.5mm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4)制备耐磨减摩涂层不局限于采用激光熔覆技术，还可以选用氧乙炔喷焊或者等离子堆焊高效表面熔凝技术进行制备。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5)后续热处理工艺为：温度350～400℃，保温1.5～2.5h，缓慢冷却到190～210℃，然后空冷。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤6)的机械加工处理的要求为：表面光泽，无加工痕迹，微辨加工方向，控制涂层表面粗糙度为Ra0.2～0.8等级。
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