CN115354260A - 汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于耐磨涂层技术领域，具体涉及一种汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层及其制备方法。所述耐磨涂层的化学成分以质量百分比计，包括：Cr 15～18％，Ni 8～12％，Mo 5～10％，W 3～5％，Nb 2～5％，C 1.5～3％，B 2～3％，Mn 1～2％，Si 1～1.5％，余量为Fe；由超音速气流将电弧熔融的粉芯丝材雾化，并加速喷向缸孔表面制得。本发明的耐磨涂层制备成本低，具有结合强度高、抗热震性能好、高温耐磨、自润滑减摩、耐腐蚀性能优点，涂层组织兼具孔隙率和致密度，服役时涂层的不易剥落，延长发动机使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于耐磨涂层技术领域，具体涉及一种汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层及其制备方法。
背景技术
汽车工业的高速发展带来了日益严重的能源和环境污染问题。作为车辆的核心部件及动力输出装置，发动机在汽车的使用性能和节能减排方面起着决定性的作用。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，但是由于铸铁发动机自身较重、散热性能差，使得燃料消耗和尾气排放较多。
为了减少燃料消耗，发动机的设计正朝着轻量化方向发展，出现了越来越多的以铝合金为材料的轻质发动机。然而，铝合金缸体的耐磨损性能较差，造成发动机在工作过程中，气缸壁面容易磨损，以致活塞与气缸壁间密封不良，在排量及输出功率不变的情况下，必然导致油耗及尾气排放的增加。另外，铸铁和铝合金的热容性特征是不同的，发动机工作过程中，由于气缸盖内表面以及活塞顶端表面与高温燃气直接接触，极易产生热蚀失效问题，这也直接影响了铝合金发动机缸体的耐用性。
对于铝合金发动机缸体，通常采用在气缸缸孔表面热喷涂耐磨涂层的方法解决其易磨损的问题。缸孔喷涂技术是指采用热喷涂技术(等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂)对经过粗化处理的铝发动机缸孔喷涂一层合金涂层，以取代传统的铸铁缸套。喷涂了涂层后的铝合金缸体依旧是一体式缸体，涂层的厚度仅仅0.3mm，具有降低发动机重量、降低缸孔与活塞的摩擦和磨损、提高热传导、降低油耗和CO2排放等优点。
然而，等离子喷涂设备昂贵，涂层制备成本高，涂层与基体的结合强度低，涂层中扁平颗粒易脱落和磨损。超音速火焰喷涂利用煤油、丙烷、丙烯等碳氢系燃气或氢气与高压氧气等燃烧产生高温、高速的射流，这些燃料使用量大、成本高，火焰温度低限制喷涂材料的选择。传统的电弧喷涂具有操作简便、工作热影响低、涂层性能高、应用范畴较广、工作效率高超以及经济成本低、作业安全高等一系列优势，但是涂层孔隙率高，与基体的结合强度低，作业时涂层易剥落，影响涂层的服役寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层，制备成本低，具有结合强度高、抗热震性能好、高温耐磨、自润滑减摩、耐腐蚀性能优点，涂层组织兼具孔隙率和致密度，服役时涂层的不易剥落，延长发动机使用寿命；本发明还提供其制备方法。
本发明所述的汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层，以质量百分比计，化学成分包括：Cr 15～18％，Ni 8～12％，Mo 5～10％，W 3～5％，Nb 2～5％，C 1.5～3％，B 2～3％，Mn 1～2％，Si 1～1.5％，余量为Fe。
其中，元素Cr能够提高涂层的硬度，改善涂层的磨损性能，提高涂层的耐蚀性能；元素Ni具有自粘结性，使得涂层组织致密，抗热疲劳性能提升；元素Mo能够保证涂层的自润滑效果，提高涂层韧性，使摩擦系数降低；元素W提高了涂层在高温下的耐磨性能，从而减缓了气缸的高温磨损失效，延长了发动机的使用寿命；元素Nb与涂层中的碳结合，改变涂层的显微结构，起到细晶强化和弥散强化的强化作用。
本发明所述的汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用机械加工方式对铸造成型铝合金发动机毛坯缸孔进行表面粗化；
(2)将粗化后的铝合金发动机缸孔清洗干燥；
(3)利用超音速气流将电弧熔融的粉芯丝材雾化，并加速喷涂在铝合金发动机缸孔表面，得到耐磨涂层。
步骤(1)中，机械加工后的表面粗化结构为螺旋式梯形槽型或螺旋式燕尾槽型(如图2所示)，槽深大于槽宽(即深度/宽度＞1)。上述粗化结构的机械切割槽可以产生足够的粘结强度，以证涂层与缸孔内壁结合面积足够，确保涂层与缸孔的粘结强度及可靠性。机械加工采用常规加工方法即可。
步骤(2)中，清洗时，采用高压清水冲洗，然后电阻加热烘干残余水分。清洗干燥的目的是去除铝合金基体双侧表面的油污、碎屑及毛刺。
步骤(3)中，所述粉芯丝材的直径为1.2mm或1.6mm，由不锈钢冷轧钢带包覆粉芯制成。
所述粉芯丝材的化学成分以质量百分比计，包括：Cr 15～18％，Ni 8～12％，Mo 5～10％，W 3～5％，Nb 2～5％，C 1.5～3％，B 2～3％，Mn 1～2％，Si 1～1.5％，余量为Fe。
步骤(3)中，超音速气流的速度为800～1200m/s，由体积比为1:(20～30)的高纯丙烷(纯度99.9％以上)和压缩空气流量混合充分燃烧经喷枪产生。该比例保证丙烷与空气中氧气充分燃烧，防止涂层中存在氧化物杂质，影响涂层的质量；高速气流雾化熔融金属，熔滴尺寸更小、速度快，可制备出结合强度高的涂层，提高涂层的热震性能。
步骤(3)中，喷涂参数为：电压32～45V，电流100～300A，喷涂角度60～90°，喷涂距离100～300mm，旋转速度100～200r/min。在上述喷涂参数下得到的涂层组织更均匀，能形成较好的层状结构。
步骤(3)中，得到的耐磨涂层厚度为250～400μm，孔隙率为2～5％，表面硬度为50～65HRC，与铝合金发动机缸孔表面的结合强度为50～60MPa。具有优异的耐磨性能、结合强度以及储油润滑性能。
本发明汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层的制备过程如图1所示，利用超音速气流将电弧熔融的粉芯丝材雾化，并加速喷向缸孔表面制备耐磨涂层。得到的耐磨涂层具有结合强度高、抗热震性能好的优点，防止服役时涂层剥落；还具有耐磨减摩耐蚀性能优异的特点，提高了铝合金发动机的使用寿命；同时涂层组织均匀致密，提高了涂层的热疲劳性能，且有一定的孔隙率，保证一定的储油，起到润滑减摩作用；涂层的制备成本低，具有较高的性价比。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明的耐磨涂层中，元素Cr使得涂层具有耐磨耐腐蚀性能，元素W使得涂层具有较好的高温磨损性能，元素Mo使得涂层具有自润滑减摩性能，元素Ni具有自粘结性，涂层组织致密，提高涂层的热疲劳性能，元素Nb起到细晶强化和弥散强化的强化作用；
(2)本发明喷涂涂层后的铝合金发动机缸体相比于铝合金缸体镶嵌铸铁缸套，依然是一体式缸体，涂层厚度小，热传导效率高，缸孔和涂层之间热膨胀程度基本协同，降低燃油消耗量和尾气排放量；
(3)本发明采用超音速气流电弧喷涂制备耐磨涂层，相比于采用等离子喷涂技术，喷涂设备相对便宜，涂层制备成本低，涂层与基体的结合强度高，服役时涂层不易脱落和磨损；相对于超音速火焰喷涂技术，减少大量使用燃料，大大减少成本；相对于传统电弧喷涂技术，涂层孔隙率相对较低，与基体的结合强度高，作业时涂层不易剥落，延长涂层的服役寿命；
(4)本发明采用机械加工方式对铝合金发动机缸孔进行粗化，粗化结构为螺旋式的燕尾槽或者梯形槽结构，保证涂层与缸孔内壁结合面积足够，提高涂层与缸孔的结合强度及可靠性。
附图说明
图1为本发明汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层的制备过程示意图；
图中，11、铝合金发动机缸体；12、耐磨涂层；13、超音速气流及雾化的熔融粉芯丝材；14、超音速气流电弧喷涂枪；
图2汽车铝合金发动机缸孔表面机械粗化结构示意图；
图中，21、燕尾槽型；22、梯形槽型。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不仅限于此，该领域专业人员对本发明技术方案所作的改变，均应属于本发明的保护范围内。
实施例1
采用本发明制备方法制备汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层，包括以下步骤：
(1)采用机械加工方式对铸造成型铝合金发动机毛坯缸孔进行表面粗化，粗化结构为螺旋式燕尾槽型(见图2)，槽深大于槽宽。
(2)将粗化后的铝合金发动机缸孔采用高压清水冲洗，去除油污、碎屑及毛刺，然后电阻加热烘干残余水分。
(3)准备直径为1.6mm的粉芯丝材，以质量百分比计，化学成分为：Cr 15％，Ni10％，Mo 8％，W 5％，Nb 2.5％，C 1.5％，B 3％，Mn 2％，Si 1％，Fe余量。由流量525L/min的压缩空气和21L/min的高纯丙烷混合充分燃烧经喷枪产生速度在800～1200m/s之间的超音速气流，将上述粉芯丝材雾化，并加速喷涂在铝合金发动机缸孔表面，得到耐磨涂层。其中喷涂工艺参数为：电压36V，电流200A，喷涂角度75°，旋转速度120r/min，喷涂距离150mm。
实施例2
采用本发明制备方法制备汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层，包含以下步骤：
(1)采用机械加工方式对铸造成型铝合金发动机毛坯缸孔进行表面粗化，粗化结构为螺旋式梯形槽型(见图2)，槽深大于槽宽。
(2)将粗化后的铝合金发动机缸孔采用高压清水冲洗，去除油污、碎屑及毛刺，然后电阻加热烘干残余水分。
(3)准备直径为1.6mm的粉芯丝材，以质量百分比计，化学成分为：Cr 18％，Ni8％，Mo 10％，W 3％，Nb 4％，C 3％，B 2％，Mn 1.5％，Si 1％，Fe余量。由流量525L/min的压缩空气和21L/min的高纯丙烷混合充分燃烧经喷枪产生速度在800～1200m/s之间的超音速气流，将上述粉芯丝材雾化，并加速喷涂在铝合金发动机缸孔表面，得到耐磨涂层。其中喷涂工艺参数为：电压38V，电流300A，喷涂角度75°，旋转速度150r/min，喷涂距离200mm。
实施例3
采用本发明制备方法制备汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层，包含以下步骤：
(1)采用机械加工方式对铸造成型铝合金发动机毛坯缸孔进行表面粗化，粗化结构为螺旋式梯形槽型(见图2)，槽深大于槽宽。
(2)将粗化后的铝合金发动机缸孔采用高压清水冲洗，去除油污、碎屑及毛刺，然后电阻加热烘干残余水分。
(3)准备直径为1.2mm的粉芯丝材，以质量百分比计，化学成分为：Cr 16％，Ni8％，Mo 10％，W 3％，Nb 2.5％，C 2.5％，B 2％，Mn 1％，Si 1％，Fe余量。由流量525L/min的压缩空气和21L/min的高纯丙烷混合充分燃烧经喷枪产生速度在800～1200m/s之间的超音速气流，将上述粉芯丝材雾化，并加速喷涂在铝合金发动机缸孔表面，得到耐磨涂层。其中喷涂工艺参数为：电压42V，电流250A，喷涂角度70°，旋转速度180r/min，喷涂距离180mm。
对比例1
本对比例与实施例1相比，不同点在于步骤(3)中，超音速气流制备耐磨涂层过程中不添加丙烷，其他步骤及参数与实施例1相同。
对比例2
本对比例与实施例1相比，不同点在于步骤(1)中，采用传统高压喷砂对铝合金发动机缸孔表面粗化，其他步骤及参数与实施例1相同。
对比例3
本对比例与实施例1相比，不同点在于采用等离子喷涂技术将Fe基合金粉末喷涂在基体为铝合金的气缸内孔的孔壁上，形成耐磨涂层。合金粉末化学成分按质量百分比为：Cr 30％，Mo 8％，Si 0.5％，Mn 0.1％，C 0.03％，余量为Fe。等离子喷涂的参数为：电压为50V，喷涂距离为30mm，旋转速度为120r/min，抽风速率为10m/s，送粉速率为120g/min，喷涂角度为45°。
等离子喷涂设备昂贵，涂层制备成本高，涂层与基体的结合强度低，涂层中的扁平颗粒易脱落，磨损性能降低。
对比例4
本对比例与实施例1相比，不同点在于采用超音速火焰喷涂技术将WC-10Co-4Cr合金粉末喷涂在基体为铝合金的气缸内孔的孔壁上，形成耐磨涂层。喷涂参数为：氧气流量2000scfh，煤油流量6.8gph，喷涂距离300mm，载气流量23scfh，送粉器转速5.5rpm，喷枪移动线速度2r/s。
超音速火焰喷涂利用煤油、丙烷、丙烯等碳氢系燃气或氢气与高压氧气等燃烧产生高温、高速的射流，这些燃料使用量大、成本高，火焰温度低限制喷涂材料的选择。
对比例5
本对比例与实施例1相比，不同点在于采用传统电弧喷涂技术将直径为1.6mm的粉芯丝材喷涂在铝合金的气缸内孔的孔壁上，形成耐磨涂层。喷涂参数为：电压32V，电流200A，空气压力0.5MPa，喷涂距离150mm。其他步骤及参数与实施例1相同。
对比例6
本对比例与实施例1相比，不同点在于粉芯丝材化学成分不同。以质量百分比计，本对比例采用直径1.6mm粉芯丝材的化学成分为：Cr 15％，Ni 10％，W 5％，Nb 2.5％，C1.5％，B 3％，Mn 2％，Si 1％，Fe余量。其他步骤及参数与实施例1相同。
对比例7
本对比例与实施例1相比，不同点在于粉芯丝材化学成分不同。以质量百分比计，本对比例采用直径1.6mm粉芯丝材的化学成分为：Cr 15％，Ni 10％，Mo 8％，Nb 2.5％，C1.5％，B 3％，Mn 2％，Si 1％，Fe余量。其他步骤及参数与实施例1相同。
对比例8
本对比例与实施例1相比，不同点在于粉芯丝材化学成分不同。以质量百分比计，本对比例采用直径1.6mm粉芯丝材的化学成分为：Cr 15％，Ni 10％，Mo 8％，W 5％，C1.5％，B3％，Mn 2％，Si 1％，Fe余量。其他步骤及参数与实施例1相同。
将各实施例和对比例制备的铝合金发动机缸孔喷涂耐磨涂层进行性能测试，其中耐磨涂层的表面硬度参照标准YS/T 541-2006进行测试，结合强度参照标准GB/T 8642-2002进行测试，孔隙率参照标准GB/T 17721-1999进行测试，滑动磨损参照标准GB/T12444-2006进行测试。测试结果如表1所示。
表1性能测试结果
从表1可以看出，本发明采用超音速气流电弧喷涂在铝合金发动机缸孔表面制备的耐磨涂层，与等离子喷涂相比，涂层制备成本高，涂层与基体的结合强度低，涂层中扁平颗粒的脱落和磨损；与超音速火焰喷涂相比，减少了大量使用燃料，大大减少成本；与传统电弧喷涂相比，涂层孔隙率相对较低，与基体的结合强度高，作业时涂层不易剥落，延长涂层的服役寿命。在超音速气流下制备耐磨涂层过程中添加丙烷后，有利于提高涂层的表面硬度和结合强度。本发明采用超音速气流电弧喷涂技术制备的耐磨涂层结合强度和硬度较高，并且比铸铁缸套性能提升5倍以上。
本发明中的耐磨涂层具有结合强度高、抗热震性能好，防止服役时涂层剥落；具有耐磨减摩耐蚀性能优异的特点，提高铝合金发动机的使用寿命；涂层组织均匀致密，提高涂层的热疲劳性能，且有一定的孔隙率，保证一定的储油，起到润滑减摩作用；涂层的制备成本低，具有较高的性价比。
Claims (10)
1.一种汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层，其特征在于：化学成分以质量百分比计，包括：Cr 15～18％，Ni 8～12％，Mo 5～10％，W 3～5％，Nb 2～5％，C 1.5～3％，B 2～3％，Mn 1～2％，Si 1～1.5％，余量为Fe。
2.一种权利要求1所述的汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)采用机械加工方式对铸造成型铝合金发动机毛坯缸孔进行表面粗化；
(2)将粗化后的铝合金发动机缸孔清洗干燥；
(3)利用超音速气流将电弧熔融的粉芯丝材雾化，并加速喷涂在铝合金发动机缸孔表面，得到耐磨涂层。
3.根据权利要求2所述的汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，机械加工后的表面粗化结构为螺旋式梯形槽型或螺旋式燕尾槽型，槽深大于槽宽。
4.根据权利要求2所述的汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，清洗时，采用高压清水冲洗，然后电阻加热烘干残余水分。
5.根据权利要求2所述的汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述粉芯丝材的直径为1.2mm或1.6mm，由不锈钢冷轧钢带包覆粉芯制成。
6.根据权利要求5所述的汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述粉芯丝材的化学成分以质量百分比计，包括：Cr 15～18％，Ni 8～12％，Mo 5～10％，W 3～5％，Nb 2～5％，C 1.5～3％，B 2～3％，Mn 1～2％，Si 1～1.5％，余量为Fe。
7.根据权利要求2所述的汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，超音速气流的速度为800～1200m/s。
8.根据权利要求7所述的汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层的制备方法，其特征在于：超音速气流由体积比为1:(20～30)的高纯丙烷和压缩空气流量混合充分燃烧经喷枪产生。
9.根据权利要求2所述的汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，喷涂参数为：电压32～45V，电流100～300A，喷涂角度60～90°，喷涂距离100～300mm，旋转速度100～200r/min。
10.根据权利要求2所述的汽车铝合金发动机缸孔耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，得到的耐磨涂层厚度为250～400μm，孔隙率为2～5％，表面硬度为50～65HRC，与铝合金发动机缸孔表面的结合强度为50～60MPa。
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Cited By (1)
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| CN116497279A (zh) * | 2023-04-28 | 2023-07-28 | 无锡市曙光高强度紧固件有限公司 | 一种高强度高耐磨的双头螺柱及其制备工艺 |
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| CN113481458A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-10-08 | 中国人民解放军陆军装甲兵学院 | 一种耐磨粒磨损粉芯丝材及其制备方法、耐磨粒磨损涂层及其制备方法 |
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