[发明专利]一种活塞环用热喷涂复合涂层材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种活塞环用热喷涂复合涂层材料及其制备技术，属于复合材料及热喷涂技术领域，该发明主要应用于活塞环耐磨涂层领域。

背景技术

活塞环是发动机中的关键零部件，长时间在较高温度下做上下往复运动，在其行程的上下止点处速度接近零，润滑油膜难以建立，处于边界润滑状态，摩擦磨损现象非常严重。从统计上看，活塞环摩擦磨损在整机摩损中占最大比例，约40%。

目前，往往采用表面涂层技术来改善活塞环的耐磨性能，常用的技术包括电镀、氮化、热喷涂、PVD、CVD等。电镀技术严重污染环境，应用前景很不明朗，相对其它技术采用氮化技术的涂层耐磨性并没有显著提高，采用PVD/CVD技术得到的耐磨涂层性能优越，但涂层厚度往往小于50μm，严重限制其应用。热喷涂技术，尤其是大气等离子喷涂技术，在耐磨涂层制备上具有一定优势，并且其耐磨涂层厚度可控，可喷涂粉末广。当今，热喷涂复合涂层的研究及开发主要以Mo基材料为主，非Mo及低Mo热喷涂复合涂层研究较少，本专利涉及一种新型无Mo热喷涂复合涂层。

TiO₂具有硬度较高，耐磨性较好，摩擦系数较低的特点，尤其是在喷涂过程中容易生成次生氧化物TinO_2n-1，该氧化物具有晶体学切变面，是良好的固态润滑相。Cr₂O₃是一种硬度很高，有着良好耐磨性的陶瓷涂层，但是大气等离子喷涂技术制备的陶瓷涂层，往往涂层中存在很大的残余应力，引发严重的裂纹，降低涂层的内聚强度，对陶瓷涂层的耐磨性能产生不利的影响。

自熔合金NiCrBSiFe也是一种常用的耐磨涂层材料，与陶瓷材料不同，在喷涂过程中NiCrBSiFe粉末熔化充分，涂层颗粒之间结合强度高，涂层致密，并且喷涂过程能够生成硬质相Ni3B，改善涂层的耐磨性，但相对陶瓷涂层，NiCrBSiFe金属涂层的耐磨性较低。

润滑相对耐磨涂层的影响比较显著，可以有效降低涂层的摩擦系数，与耐磨材料同时存在时，可以显著改善涂层的耐磨性能。C-Ni中的石墨C属于典型的固态润滑相，包覆材料Ni可以防止C在喷涂过程中发生氧化现象，从而保证涂层中存在数目较多的润滑相。

如今的活塞环耐磨涂层主要由单一材料组成，而耐磨涂层的设计与材料的多种性能相关，单一材料很难满足要求。本发明方法涉及的一种活塞环用热喷涂复合材料，由2~4种材料组合而成（包含某一种或两种材料质量分数为零的情况），涂层性能不仅仅受单一材料的影响，而与多种材料相关，可以保证耐磨涂层满足活塞环工况需求。

发明内容

本发明旨在获得一种活塞环用高摩擦学性能的热喷涂复合涂层材料、涂层的制备方法。本发明所涉及的耐磨涂层制备方法，主要是大气等离子喷涂方法，所获得的耐磨涂层应用在活塞环上，可以显著提高活塞环的耐磨性。

一种活塞环用热喷涂复合涂层材料，由四种材料组成。20~60wt.%的TiO₂，0~30wt.%的NiCrBSiFe，20~40wt.%的Cr₂O₃，0~20wt.%的C-Ni。

优选的，所述的TiO₂粉末直径20~120μm；

优选的，自熔合金NiCrBSiFe粉末直径30~130μmμm；

优选的，陶瓷增强材料Cr₂O₃粉末直径10~70μm；

优选的，减摩材料镍包石墨C-Ni粉末直径20~120μm。Ni重量含量在65~80%。

优选的，采用机械混合方法充分混合原始粉末。

优选的，采用上述复合粉末作为喂料，利用大气等离子喷涂方法制备耐磨涂层，每次喷涂厚度不得高于50μm，每次喷涂间隔时间至少10min，待基体温度低于200℃再进行下一次喷涂， 涂层最终厚度350-360μm左右。

所制备的耐磨涂层应用于活塞环外表面上。

本发明所获得的活塞环用热喷涂复合材料，包含了陶瓷基体TiO₂，颗粒较小且具有极高硬度、耐磨性的Cr₂O₃作为增强颗粒，能提高复合材料之间结合强度、韧性的自熔合金NiCrBSiFe，具有良好固态润滑效果的润滑材料C-Ni。可以显著提高涂层的耐磨性、内聚强度、抗裂性，并有效地降低涂层的摩擦系数。采用本发明制备的活塞环涂层具有优越的摩擦学性能。

具体实施方式

以下实施例阐明了本发明的具体内容，但本发明决非局限于以下实施例。

实施例