CN110144539A - 一种湿式缸套外壁抗穴蚀涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于缸套制造领域，特别是一种湿式缸套外壁抗穴蚀涂层的制备方法。包括如下步骤：按照一定的质量比称取NiTi粉末和NiCr‑Cr3C2粉末，将其进行球磨混合，过筛获得复合粉末；对湿式气缸套外壁粗化处理；采用等离子喷涂的方式，在湿式缸套外壁进行喷涂，获得喷涂态NiTi基复合涂层；将湿喷丸喷枪对准喷涂态涂层区域，通过压缩空气驱动水和陶瓷丸的混合物，使其达到高速后喷射至喷涂态涂层表面；湿喷丸处理后对工件表面进行清洗及烘干，获得致密的NiTi基复合涂层；对致密的NiTi基复合涂层进行车削加工。本发明利用湿喷丸方法对喷涂态涂层进行强化处理，有效降低了涂层的孔隙率，解决了大气等离子喷涂涂层抗穴蚀性能下降的难题。

Description

一种湿式缸套外壁抗穴蚀涂层的制备方法
技术领域
本发明属于柴油机缸套制造技术领域，特别是一种湿式缸套外壁抗穴蚀涂层的制备方法。
背景技术
随着重型柴油机的发展，湿式缸套的使用越来越多。冷却水与柴油机的湿式缸套外壁接触易使得缸套发生穴蚀破坏，造成燃烧室气密性下降，油温度和油耗升高，润滑性能下降，内燃机动力性经济性严重下降，严重影响内燃机的使用寿命，甚至造成严重事故，已成为缸套设计、制造、运行及维护工作中的一个亟待解决的难题。
大气等离子喷涂技术是一种重要的涂层制备技术，是通过高强度直流电弧或高频感应耦合放电以及脉冲放电、交流电弧、激波放电、***丝等方式产生的等离子体。它是将粉末送入等离子弧焰流中加热到熔化或半熔化状态，可使得金属粉末和陶瓷粉末熔融充分，然后被高速喷涂到基体表面，经过急速冷却，制备出所需的合金陶瓷涂层。
目前提高缸套穴蚀性能方法主要有向冷却水中增加添加剂，缸套结构改进或者利用表面工程技术制备涂层来提高穴蚀性能。CN86107144涉及一种内燃机循环冷却水的抗穴蚀，抗电化腐蚀，消减水垢的多功能添加剂。CN101057070发明了一种具有表面纹理的柴油机湿式气缸套，以防止气穴现象引起的腐蚀作用。该汽缸套表面的纹理可形成为磷酸锰涂层，与冷却液内的自然粘着力和表面张力一起作用，在缸套外表面产生停滞液体层，可以使得气穴气泡破裂时，其动能在停滞液体层耗尽，不作用到缸套外表面。CN104481718A公开了一种湿式抗穴蚀气缸套，该缸套本体的外圆周面上等弧度间隔加工有轴向延伸的水腔凹槽，两相邻的水腔凹槽间形成有能增强缸套本体刚度的增强凸筋，水腔凹槽与发动机缸体相配合形成了多道匀布在缸套本体外周面上的纵向冷却水腔，大大增加了缸套本体的刚度，使气缸套在活塞侧向冲击时变形小，振动小，从而能效地防止气缸套的穴蚀，延长气缸套的使用寿命。CN107130202A公开了一种耐气蚀的陶瓷基复合涂层的制备方法，该方法首先使用大气等离子喷涂设备在金属基材上依次喷涂金属过渡层和陶瓷涂层，然后利用树脂对喷涂态陶瓷涂层表面进行封孔处理。
以上方法在一定程度上均能提高缸套的抗穴蚀性能，但存在一些问题：冷却水中的添加剂不易回收，污染环境；改进缸套结构周期长，成本高；热喷涂技术可以用来制备抗穴蚀涂层，但涂层存在一定的孔隙，涂层表面需要封孔处理，一旦封孔剂消耗殆尽，涂层的抗穴蚀性能大大下降。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种湿式缸套外壁抗穴蚀涂层的制备方法，采用等离子喷涂在湿式缸套外壁制备NiTi基复合涂层，然后利用湿喷丸方法对喷涂态涂层进行强化处理，实现涂层表层的“夯实”，提高湿式缸套外壁的抗穴蚀性能。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种湿式缸套外壁抗穴蚀涂层的制备方法，采用等离子喷涂在湿式缸套外壁喷涂获得喷涂态NiTi基复合涂层，采用湿喷丸通过压缩空气驱动水和陶瓷丸的混合物，使其达到高速后喷射至喷涂态涂层表面、夯实，获得致密NiTi基复合涂层。
进一步的，所述方法具体包括如下步骤：
(1)按照一定的质量比称取NiTi粉末和NiCr-Cr3C2粉末，球磨混合，过筛，干燥；
(2)对湿式气缸套外壁进行清洗、干燥，采用棕刚玉喷砂粗化处理；
(3)采用等离子喷涂在湿式缸套外壁喷涂复合粉末，获得喷涂态NiTi基复合涂层；
(4)将湿喷丸喷枪对准喷涂态涂层区域，通过压缩空气驱动水和陶瓷丸的混合物，使其达到高速后喷射至喷涂态涂层表面、夯实，获得致密NiTi基复合涂层；
(5)湿喷丸处理后对工件表面进行清理，去除工件表面的陶瓷丸残渣，清洗及烘干，获得致密的NiTi基复合涂层；
(6)对致密的NiTi基复合涂层进行车削加工，车削后涂层表面粗糙度为Ra 0.8-1.6。
本发明与现有技术相比，其显著优点如下：
(1)本申请使用大气等离子喷涂工艺在湿式缸套外壁制备NiTi基复合涂层，然后利用湿喷丸方法对喷涂态涂层进行强化处理，实现涂层表层的“夯实”，显著降低了涂层的孔隙率，显著提高了湿式缸套外壁抗穴蚀性能。
(2)本申请采用的喷涂粉末为NiTi粉末和NiCr-Cr3C2粉末，即在抗穴蚀性能良好的NiTi合金粉末中添加NiCr-75％Cr3C2金属陶瓷粉末，既可以利用NiTi合金的超弹性，也利用陶瓷相对NiTi基体的增强，形成的涂层显著改善NiTi涂层的抗穴蚀性能。
附图说明
图1实施例1喷涂态NiTi基复合涂层扫描电镜截面形貌图。
图2实施例1NiTi基复合涂层XRD分析。
具体实施方式
本发明公开了一种湿式缸套外壁抗穴蚀涂层的制备方法，包括如下步骤：按照一定的质量比称取NiTi粉末和NiCr-Cr3C2粉末，将其进行球磨混合，过筛获得复合粉末；对湿式气缸套外壁进行清洗、干燥，采用棕刚玉喷砂粗化处理；采用大气等离子喷涂的方式，在湿式缸套外壁进行喷涂，获得喷涂态NiTi基复合涂层；将湿喷丸喷枪对准喷涂态涂层区域，通过压缩空气驱动水和陶瓷丸的混合物，使其达到高速后喷射至喷涂态涂层表面；湿喷丸处理后对工件表面进行清洗及烘干，获得致密的NiTi基复合涂层；对致密的NiTi基复合涂层进行车削加工。本发明NiTi基复合涂层既利用NiTi粉末的超弹性，也利用陶瓷相来增强涂层硬度，有利于提高涂层的抗穴蚀性能。
实施例1
湿式缸套外壁抗穴蚀涂层的制备方法，具备步骤如下：
1.按照质量比1:1称取NiTi粉末和NiCr-Cr3C2粉末，将其进行球磨混合，过筛获得粒径范围在45～74μm的复合粉末，将复合粉末放于80℃烘箱中干燥2h备用；
2.对湿式气缸套外壁进行清洗、干燥，采用棕刚玉喷砂粗化处理，粗化处理后的表面粗糙度为Ra 8.0-10.0；
3.采用大气等离子喷涂方法在湿式缸套外壁喷涂复合粉末，获得喷涂态NiTi基复合涂层，具体做法是将干燥好的复合粉末放入送粉器中，送粉速率为18.2g/min。调节电流为517A，电压为55.8V，氩气流量为50L/min，氢气流量为3L/min，喷涂距离为120mm，枪平移速度为200mm/s，喷涂重复次数为5次。
4.将湿喷丸喷枪对准喷涂态涂层区域，通过压缩空气驱动水和陶瓷丸的混合物，使其达到高速后喷射至喷涂态涂层表面、夯实，获得致密NiTi基复合涂层。湿喷丸的工艺参数为：压缩空气的出口压力为0.5MPa，弹丸喷射距离为80mm，水和陶瓷丸的混合物中水的质量分数为10％，喷射角度为90°，湿喷丸覆盖率为100。
5.将制备得到的喷涂态NiTi基复合涂层通过扫描电镜观察其截面形貌，如图1所示，发现涂层与基体结合良好，涂层呈现典型的层状结构，涂层厚度约为200μm。
6.对所制备的NiTi基复合涂层进行XRD分析其相组成，结果如图2所示，涂层主要存在NiTi相，NiCrO4相和Cr7C3相。
7.对所制得的喷涂态NiTi基复合涂层做硬度测试，涂层硬度HV0.1维氏硬度可达到668。
8.对所制备的NiTi基复合涂层进行磁致伸缩穴蚀试验，其中试样为直径φ16mm圆片，振幅60～70μm，频率20kHz，水温25℃，试样距离振幅头0.2mm，穴蚀时长9h，喷涂态NiTi基复合涂层累计失重量为2.3mg，而经湿喷丸夯实后致密的NiTi基复合涂层累计失重量为1.8mg。
实施例2
湿式缸套外壁抗穴蚀涂层的制备方法，具备步骤如下：
1.按照质量比1:1称取NiTi粉末和NiCr-Cr3C2粉末，将其进行球磨混合，过筛获得粒径范围在45～74μm的复合粉末，将复合粉末放于80℃烘箱中干燥2h备用；
2.对湿式气缸套外壁进行清洗、干燥，采用棕刚玉喷砂粗化处理，粗化处理后的表面粗糙度为Ra 8.0-10.0；
3.采用大气等离子喷涂方法在湿式缸套外壁喷涂复合粉末，获得喷涂态NiTi基复合涂层，具体做法是将干燥好的复合粉末放入送粉器中，送粉速率为18.2g/min。调节电流为517A，电压为55.8V，氩气流量为50L/min，氢气流量为6L/min，喷涂距离为120mm，枪平移速度为200mm/s，喷涂重复次数为5次。
4.将湿喷丸喷枪对准喷涂态涂层区域，通过压缩空气驱动水和陶瓷丸的混合物，使其达到高速后喷射至喷涂态涂层表面、夯实，获得致密NiTi基复合涂层。湿喷丸的工艺参数为：压缩空气的出口压力为0.5MPa，弹丸喷射距离为80mm，水和陶瓷丸的混合物中水的质量分数为10％，喷射角度为90°，湿喷丸覆盖率为100。
5.将制备得到的喷涂态NiTi基复合涂层通过扫描电镜观察其截面形貌，发现涂层与基体结合良好，涂层呈现典型的层状结构，涂层厚度约为200μm。
6.对所制备的NiTi基复合涂层进行XRD分析其相组成，涂层主要存在NiTi相，NiCrO4相和Cr7C3相。
7.对所制得的喷涂态NiTi基复合涂层做硬度测试，涂层硬度HV0.1维氏硬度可达到698。
8.对所制备的NiTi基复合涂层进行磁致伸缩穴蚀试验，其中试样为直径φ16mm圆片，振幅60～70μm，频率20kHz，水温25℃，试样距离振幅头0.2mm，穴蚀时长9h，喷涂态NiTi基复合涂层累计失重量为1.5mg，而经湿喷丸夯实后致密的NiTi基复合涂层累计失重量为1.2mg。
本发明利用湿喷丸方法对喷涂态涂层进行强化处理，有效降低了涂层的孔隙率，解决了大气等离子喷涂涂层抗穴蚀性能下降的难题。

Claims (10)

1.一种湿式缸套外壁抗穴蚀涂层的制备方法，其特征在于，采用等离子喷涂在湿式缸套外壁喷涂获得喷涂态NiTi基复合涂层，采用湿喷丸通过压缩空气驱动水和陶瓷丸的混合物，使其达到高速后喷射至喷涂态涂层表面、夯实，获得致密NiTi基复合涂层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
(1)按照一定的质量比称取NiTi粉末和NiCr-Cr3C2粉末，球磨混合，过筛，干燥；
(2)对湿式气缸套外壁进行清洗、干燥，采用棕刚玉喷砂粗化处理；
(3)采用等离子喷涂在湿式缸套外壁喷涂复合粉末，获得喷涂态NiTi基复合涂层；
(4)将湿喷丸喷枪对准喷涂态涂层区域，通过压缩空气驱动水和陶瓷丸的混合物，使其达到高速后喷射至喷涂态涂层表面、夯实，获得致密NiTi基复合涂层。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中过筛之后的复合粉末的粒径范围为45～74μm，干燥具体为将复合粉末放于80±2℃烘箱中干燥2h。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中粗化处理后的表面粗糙度为Ra8.0-10.0。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中等离子喷涂的参数为：电流为500～520A，电压为40～60V，氩气流量为45～55L/min，氢气流量为3～6L/min，喷涂距离为100～120mm。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中湿喷丸的参数为：压缩空气的出口压力为0.3～0.6MPa，弹丸喷射距离为50～150mm，水和陶瓷丸的混合物中水的质量分数为5～15％，喷射角度为80～100°，湿喷丸覆盖率为100％～500％。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述陶瓷丸直径为0.05～0.3mm，陶瓷丸化学组分质量百分比为65～70％二氧化锆、28～32％的二氧化硅和0～5％的氧化铝。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中NiTi粉末和NiCr-Cr3C2粉末质量比为1-3：1，NiTi粉末中Ni与Ti原子比为1：1，NiCr-Cr3C2粉末中NiCr成分与Cr3C2成分质量比为1：3。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
(5)湿喷丸处理后对工件表面进行清理，去除工件表面的陶瓷丸残渣，清洗及烘干，获得致密的NiTi基复合涂层；
(6)对致密的NiTi基复合涂层进行车削加工，车削后涂层表面粗糙度为Ra0.8-1.6。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中致密的NiTi基复合涂层的厚度为100～350μm。
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