一種鋁合金基體表面的等離子噴涂涂層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種鋁合金基體表面的等離子噴涂涂層，按重量百分比計，該涂層的組分及含量為：鉻14%～25%、鎳6%～15%、碳0.5%～1.5%、硅2.0%～4.0%、錳0.8%～1.5%、余量為鐵；并且，該涂層的奧氏體微觀組織中分散著Cr7C3強化相。經(jīng)實驗驗證，該涂層具有良好的耐磨防腐性能，適用于在磨損、腐蝕環(huán)境條件下工作的鋁合金基體表面，例如鋁合金材料的汽車發(fā)動機氣缸。
【專利說明】一種鋁合金基體表面的等離子噴涂涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋁合金基體表面的防護處理【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種鋁合金基體表面的等離子噴涂涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁合金材料具有來源廣、質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。但是另一方面，鋁合金的耐摩擦、耐腐蝕性能較差，因此在摩擦、腐蝕環(huán)境條件下的鋁合金工件需要經(jīng)過一定的防護處理。
[0003]例如，鋁合金發(fā)動機的應(yīng)用大大減輕了汽車的整車重量，不僅有助于汽車動力性能的提高，更是現(xiàn)代汽車工業(yè)節(jié)能減排的重要途徑。然而，鋁合金發(fā)動機氣缸的摩擦學(xué)性能非常差，另外燃油工作過程中產(chǎn)生的酸性物質(zhì)將腐蝕該材料，進一步加劇了氣缸的摩擦磨損，因此鋁合金發(fā)動機氣缸內(nèi)壁表面只有經(jīng)過必要的防護處理才能有效工作。
[0004]在鋁合金工件表面制備防護涂層的眾多方法中，等離子噴涂技術(shù)是有效的方法之一。例如，在文獻:Barbezat G.surface&coating Technology, 2005, 200:1990 ~1993 中報道利用等離子噴涂技術(shù)制備防護涂層能夠降低油耗2%~4%。
[0005]目前，鋁合金基體表面的等離子噴涂涂層材料主要有低合金碳鋼、鑄鐵和金屬基復(fù)合材料，其中以前兩者居多。對于低合金碳鋼，等離子噴涂過程中會生成鐵的氧化物，該氧化物具有自潤滑性能，但是如果工藝參數(shù)控制不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)生過多的氧化物又會對涂層性能產(chǎn)生不利影響，同時該種涂層硬度偏低；對于鑄鐵，其本身含有石墨，能起到一定的自潤滑作用，但是噴涂前往往需要特殊的熱處理工藝以促進粉末中石墨的析出，因此增加了工藝復(fù)雜性，并且噴涂過程中較高的能量又不可避免地造成石墨的燒損(Y.Tsunekawa, etal.Journal of Thermal Spray Technology, 2006，15 (2): 239)。此外，這兩種噴涂涂層在酸性環(huán)境中由于耐腐蝕性能欠`佳，磨損損傷仍然比較嚴重。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的技術(shù)目的是針對上述鋁合金基體表面的等離子噴涂涂層材料的不足，提供一種鋁合金基體表面的等離子噴涂涂層，該涂層具有良好的耐磨損、耐腐蝕性能，能夠有效提聞?wù)泻辖鸹w在聞磨損、聞腐蝕環(huán)境條件下的應(yīng)用能力。
[0007]本發(fā)明實現(xiàn)上述技術(shù)目的所采用的技術(shù)方案為:一種鋁合金基體表面的等離子噴涂涂層，按重量百分比計，其組分及含量為:鉻14%~25%、鎳6%~15%、碳0.5%~1.5%、硅
2.0%~4.0%、錳0.8%~1.5%、余量為鐵；所述涂層的奧氏體微觀組織中分散著Cr7C3強化相。
[0008]所述的鋁合金基體不限，包括汽車鋁合金發(fā)動機工件，例如氣缸、活塞等。
[0009]本發(fā)明還提供了一種制備鋁合金基體表面的等離子噴涂涂層的方法，具體如下:
[0010]步驟1、將鋁合金基體表面進行粗糙化處理、清洗處理；
[0011]步驟2、采用氣霧化方法制備噴涂粉末，具體為:[0012]首先，按照重量百分比配方:鉻14%~25%、鎳6%~15%、碳0.5%~1.5%、硅2.0%~
4.0%、錳0.8%~1.5%、余量為鐵，配制鉻鐵基合金，然后熔融該合金，采用氣霧化方法制備絡(luò)鐵基合金粉末；
[0013]步驟3、在等離子噴涂設(shè)備中，將鉻鐵基合金粉末裝入送粉器，將鋁合金基體安裝到旋轉(zhuǎn)工裝上，進行噴涂，得到鉻鐵基復(fù)合涂層。
[0014]作為優(yōu)選，所述的步驟2中，鉻鐵基合金粉末的粒度為-300目~+500目，即該粉末粒徑在300目至500目范圍內(nèi)。
[0015]作為優(yōu)選，所述的噴涂參數(shù)設(shè)置為:工作電流≤600A ;電弧電壓≤80V ;氬氣壓力
0.6~0.85MPa ;氬氣流量25~45L/min ;氫氣壓力0.2~0.35MPa ;氫氣流量1.2~2.61/min ;送粉速率50~120g/min ;噴涂距離70~120_ ;噴涂角度為60°~90°。
[0016]所述的步驟I中，粗糙化處理方法不限，包括噴砂、機械加工粗糙化等。
[0017]所述的鋁合金基體不限，包括汽車鋁合金發(fā)動機工件，例如氣缸、活塞等。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種高鉻鐵基復(fù)合噴涂粉末，利用等離子噴涂技術(shù)將該粉末噴涂在鋁合金基體表面后形成的涂層具有如下優(yōu)點:
[0019](1)該高鉻鐵基復(fù)合噴涂粉末具有較好的抗高溫氧化性，能避免噴涂過程中被過度氧化，從而提高了噴涂后涂層內(nèi)部結(jié)合的致密性，同時噴涂后涂層中孔隙大小適中、形狀圓滑，有效減少了裂紋的產(chǎn)生，因此能夠很好地起到儲油功能；
[0020](2)該高鉻鐵基復(fù)合噴涂粉末通過等離子噴涂形成涂層的過程中會析出高硬度(其硬度值為1400-1800HV)的Cr7C3短棒狀強化相，該強化相彌散分布于由Fe、Ni、Cr、C形成的具有良好的塑性韌性奧氏體基體中，從而有效提高了涂層的硬度及耐磨性；
[0021 ] (3)另外，該高鉻鐵基復(fù)合噴涂粉末中含有較高含量的Ni，一方面起到了穩(wěn)定涂層奧氏體相、提高涂層韌性的作用；另一方面提高了涂層的耐腐蝕性能；
[0022]因此，本發(fā)明提供的鋁合金基體表面的等離子噴涂涂層具有良好的耐磨防腐性能，適用于在磨損、腐蝕環(huán)境條件下工作的鋁合金基體表面，例如鋁合金材料的汽車發(fā)動機氣缸等。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明實施例1中鋁合金基體表面的高鉻鐵基復(fù)合涂層的SEM圖；
[0024]圖2是本發(fā)明實施例1中鋁合金基體表面的高鉻鐵基復(fù)合涂層在高倍率下的的SEM 圖；
[0025]圖3是本發(fā)明實施例1中鋁合金基體表面的高鉻鐵基復(fù)合涂層的XRD圖譜；
[0026]圖4是本發(fā)明實施例1中鋁合金基體表面高鉻鑄鐵磨損率數(shù)據(jù)圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，需要指出的是，以下所述實施例旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。
[0028]實施例1:
[0029]本實施例中，鋁合金基體為發(fā)動機氣缸，在該氣缸內(nèi)壁表面為等離子噴涂涂層，按重量百分比計，該涂層的組分及含量為:鉻17.84%，鎳8.45%，碳0.83%，硅3.12%，錳0.96%，余量為鐵；并且，該涂層的微觀結(jié)構(gòu)的奧氏體微觀組織中分散著Cr7C3強化相。
[0030]該涂層的制備方法如下:[0031](I)將鋁合金基體表面進行機械加工粗化處理，形成寬度150 U m,深度100 ii m左右的燕尾槽形狀均布于基體表面，然后在丙酮及乙醇中各超聲波清洗20min ；
[0032](2)按照重量配方:鉻17.84%，鎳8.45%，碳0.83%，硅3.12%，錳0.96%，余量為鐵，配制鉻鐵基合金；然后熔融該合金，采用氣霧化方法制備鉻鐵基合金粉末，使該鉻鐵基合金粉末的粒度為-325目~+500目；
[0033](3)將鉻鐵基合金粉末放入等離子噴涂設(shè)備的送粉器中，將基體材料安裝到旋轉(zhuǎn)工裝上，調(diào)節(jié)送粉速率為74.9g/min，工件旋轉(zhuǎn)速度為0.314m/s，噴槍掃描速度為0.0064m/s，調(diào)整噴涂距離為100mm，噴涂角度為90° ;
[0034](4)設(shè)置噴涂工藝參數(shù)為:工作電流520A ;電弧電壓55V ;氬氣壓力0.80MPa ;気氣流量31.7L/min ;氫氣壓力0.30MPa ;氫氣流量1.93L/min，開始噴涂，得到鉻鐵基復(fù)合涂層。
[0035]圖1是上述制得的鉻鐵基復(fù)合涂層的SEM圖?？梢钥闯?，該涂層內(nèi)部結(jié)合致密，涂層中空隙大小適中、形狀圓滑，有效減少了裂紋的產(chǎn)生，因此能夠很好地起到儲油功能。
[0036]在圖1基礎(chǔ)上，進一步將顯微倍數(shù)增大，得到圖2所示的SEM圖?？梢钥闯?，該鉻鐵基復(fù)合涂層中析出了 Cr7C3短棒狀強化相，并且該強化相分布于奧氏體基體相中。
[0037]圖3是上述制得的鉻鐵基復(fù)合涂層的XRD圖譜。可以看出，該鉻鐵基復(fù)合噴涂粉末通過等離子噴涂形成涂層的過程中析出了 Cr7C3短棒狀強化相，并且該強化相彌散分布于塑性韌性較好的由Fe、N1、Cr、C形成的奧氏體基體中，因此有效提高了涂層的硬度及耐磨性。
[0038]對上述制得的鉻鐵基復(fù)合涂層進行摩擦實驗。實驗環(huán)境分別為大氣環(huán)境、油環(huán)境以及酸性油環(huán)境。實驗過程為:將基體表面的鉻鐵基復(fù)合涂層進行拋光后固定在UMT-3多功能摩擦磨損試驗機上，設(shè)定載荷為15N，頻率為5Hz，摩擦?xí)r間為60min，摩擦介質(zhì)為不同發(fā)動機潤滑油和體積分數(shù)3.6的硫酸溶液，運動形式為往復(fù)式運動。為了對比起見，對基體表面的316L不銹鋼涂層進行完全相同的摩擦實驗，該基體與本實施例中的基體完全相同。經(jīng)過摩擦實驗后測得涂層的磨損率如圖4所示，從中可以看出，與316L不銹鋼涂層相比，本實施例中的鉻鐵基復(fù)合涂層在大氣環(huán)境、油環(huán)境以及酸性油環(huán)境中的磨損率均遠低于316L不銹鋼，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐摩擦及耐腐性能。
[0039]實施例2:
[0040]本實施例中，鋁合金基體為發(fā)動機氣缸，在該氣缸內(nèi)壁表面為等離子噴涂涂層，按重量百分比計，該涂層的組分及含量為:鉻17.84%，鎳8.45%，碳0.83%，硅3.12%，錳0.96%，余量為鐵；并且，該涂層的微觀結(jié)構(gòu)是以奧氏體為基體，其中分散Cr7C3強化相。
[0041]該涂層的制備方法如下:
[0042](I)將鋁合金基體表面進行噴砂粗糙化處理，然后在丙酮及乙醇中各超聲波清洗15min ；
[0043](2)按照重量配方:鉻17.84%，鎳8.45%，碳0.83%，硅3.12%，錳0.96%，、余量為鐵，配制鉻鐵基合金；然后熔融該合金，采用氣霧化方法制備鉻鐵基合金粉末，使該鉻鐵基合金粉末的粒度為-325目~+500目；
[0044](3)將鉻鐵基合金粉末放入等離子噴涂設(shè)備的送粉器中，將基體安裝到旋轉(zhuǎn)工裝上，調(diào)節(jié)攪拌器電壓至送粉速率為52g/min，調(diào)節(jié)工件旋轉(zhuǎn)速度為0.314m/s，噴槍掃描速度為0.0064m/s，調(diào)整噴涂距離為70mm，噴涂角度為90° ;
[0045](4)設(shè)置噴涂工藝參數(shù)為:工作電流500A ;電弧電壓50V ;氬氣壓力0.82MPa ;氬氣流量31.7L/min ;氫氣壓力0.3IMPa ;氫氣流量1.47L/min，開始噴涂，得到鉻鐵基復(fù)合涂層。
[0046]上述制得的鉻鐵基復(fù)合涂層的SEM圖類似圖1所示，涂層內(nèi)部結(jié)合致密，涂層中空隙大小適中、形狀圓滑，有效減少了裂紋的產(chǎn)生，因此能夠很好地起到儲油功能。并且，從顯微倍數(shù)增大的SEM圖中能夠夠看到該鉻鐵基復(fù)合涂層中析出了 Cr7C3短棒狀強化相，并且該強化相分布于奧氏體基體相中。
[0047]上述制得的鉻鐵基復(fù)合涂層的XRD圖譜類似圖3所示，顯示該鉻鐵基復(fù)合噴涂粉末通過等離子噴涂形成涂層的過程中析出了 Cr7C3短棒狀強化相，并且該強化相彌散分布于由Fe、N1、Cr、C形成的塑性韌性較好的奧氏體基體中，因此有效提高了涂層的硬度及耐磨性。
[0048]對上述制得的鉻鐵基復(fù)合涂層進行如實施例1中的摩擦實驗。經(jīng)過摩擦實驗后測得涂層的磨損率結(jié)果類似圖4所示，即與316L不銹鋼涂層相比，本實施例中的鉻鐵基復(fù)合涂層在大氣環(huán)境、油環(huán)境以及酸性油環(huán)境中的磨損率均遠低于316L不銹鋼，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐摩擦及耐腐性能。
[0049]以上所述的實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行了詳細說明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補充或類似方式替代等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種鋁合金基體表面的等離子噴涂涂層，其特征是:按重量百分比計，其組分及含量為:鉻14%~25%、鎳6%~15%、碳0.5%~1.5%、硅2.0%~4.0%、錳0.8%~1.5%、余量為鐵；所述涂層的奧氏體微觀組織中分散著Cr7C3強化相。
2.如權(quán)利要求1所述的鋁合金基體表面的等離子噴涂涂層，其特征是:所述的鋁合金基體為汽車鋁合金發(fā)動機工件。
3.—種鋁合金基體表面的等離子噴涂涂層的制備方法，其特征是:包括如下步驟: 步驟1、將鋁合金基體表面進行粗糙化處理、清洗處理； 步驟2、采用氣霧化方法制備噴涂粉末，具體為: 首先，按照重量百分比配方:鉻14%~25%、鎳6%~15%、碳0.5%~1.5%、硅2.0%~4.0%、錳0.8%~1.5%、余量為鐵，配制鉻鐵基合金，然后熔融該合金，采用氣霧化方法制備鉻鐵基合金粉末； 步驟3、在等離子噴涂設(shè)備中，將鉻鐵基合金粉末裝入送粉器，將鋁合金基體安裝到旋轉(zhuǎn)工裝上，進行噴涂，得到鉻鐵基復(fù)合涂層，其微觀結(jié)構(gòu)以奧氏體為基體，其中分散Cr7C3強化相。
4.如權(quán)利要求3所述的鋁合金基體表面的等離子噴涂涂層的制備方法，其特征是:所述的步驟I中，粗糙化處理方法為噴砂處理或者機械加工粗糙化處理。
5.如權(quán)利要求3所述的鋁合金基體表面的等離子噴涂涂層的制備方法，其特征是:所述的步驟3中，噴涂參數(shù)設(shè)置為:工作電流≤600A;電弧電壓≤80V ;氬氣壓力0.6~0.85MPa ;氬氣流量25~45L/min ;氫氣壓力0.2~0.35MPa ;氫氣流量1.2~2.6L/min ;送粉速率50~120g/min ;噴涂距離70~120mm ;噴涂角度為60°~90°。
6.如權(quán)利要求3所述的鋁合金基體表面的等離子噴涂涂層的制備方法，其特征是:所述的步驟2中，鉻鐵基合金粉末的粒度為-300目~+500目。
7.如權(quán)利要求3至6中任一權(quán)利要求所述的鋁合金基體表面的等離子噴涂涂層的制備方法，其特征是:所述的鋁合金基體為汽車鋁合金發(fā)動機工件。
【文檔編號】C23C4/12GK103643195SQ201310616092
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】王永欣, 王賓, 薛群基, 李金龍, 曾志翔 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所