一种柴油机缸套内壁耐磨复合陶瓷涂层的制备方法

1.本发明属于热喷涂技术和表面工程领域，具体涉及到一种柴油机缸套内壁耐磨复合陶瓷涂层的制备方法。


背景技术：

2.传统缸套采用的铸铁或铝合金材料在磨损过程中易产生犁沟效应或粘着，这些磨损形式往往导致内壁材料的流失及摩擦系数的突变。氧化铬陶瓷涂层具有较高的表面硬度与耐磨性，使用大气等离子喷涂氧化铬陶瓷涂层可获得较好的界面结合强度。
3.早期研究认为氧化铬相比氧化铝具有更好的摩擦学特性。但氧化铬粉末对等离子喷涂参数较为敏感，这是由于喷涂参数（电流、电压、氩气流量与氢气流量）的细微改变会对氧化铬粉末熔融状态产生较大影响，而熔滴的扁平化过程则决定了氧化铬的孔隙率与结合强度。氧化铝陶瓷具有极高的硬度以及耐磨性能，其在自然界中的硬度仅次于金刚石。
4.氧化铝粉末在热喷涂尤其是等离子喷涂技术的高温熔融过程中首先由α-al2o3相转变为γ
‑ꢀ
al2o3相，α-al2o3相具有稳定优异的结构与机械性能，但γ-al2o3代表氧化铝粉末在等离子体中的熔融程度，γ相含量越高，熔融程度越充分。纯氧化铬涂层的硬度高，润湿性差，脆性大。
5.针对氧化铬-氧化铝复合陶瓷涂层的设计研究目前相对较少，目前，如：中国专利cn 111534799 a通过电弧离子镀在基体表面分别沉积合金粘结层、cr/cr2o3过渡层和al-cr-o面层，该专利制备的梯度涂层特点在于隔热与抗氧化，但处外层的al-cr-o层易受破坏，且金属与陶瓷的热胀系数存在差异，cr/cr2o3过渡层脆性断裂的可能性较大。中国专利cn 105369205 a使用磁控溅射工艺制备氧化铬薄膜，该发明优势在于涂层厚度控制在10μm以内，表面平整致密，能有效阻碍腐蚀介质渗透。但在较高负载条件下尤其是对偶为高硬配副时耐磨性较差。


技术实现要素：

6.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
7.鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
8.因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种柴油机缸套内壁耐磨复合陶瓷涂层的制备方法。
9.为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种柴油机缸套内壁耐磨复合陶瓷涂层的制备方法，包括，将氧化铬与氧化铝粉末按照质量百分比称取，粉碎、机械混合均匀，制得氧化铬-氧化铝粉末；在经喷砂处理的不锈钢基体表面，采用大气等离子喷涂氧化铬-氧化铝粉末，制得
氧化铬基陶瓷耐磨涂层。
10.作为本发明所述柴油机缸套内壁耐磨复合陶瓷涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述氧化铬-氧化铝粉末的成分配比为：80wt.%氧化铬粉末，20wt.%氧化铝粉末。
11.作为本发明所述柴油机缸套内壁耐磨复合陶瓷涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述经喷砂处理的不锈钢基体表面，表面粗糙度为ra7.0~9.0。
12.作为本发明所述柴油机缸套内壁耐磨复合陶瓷涂层的制备方法的一种优选方案，其中：添加氧化铝粉末为α-al2o3相。
13.作为本发明所述柴油机缸套内壁耐磨复合陶瓷涂层的制备方法的一种优选方案，其中：氧化铬基陶瓷耐磨涂层中氧化铝为α
‑ꢀ
al2o3相。
14.作为本发明所述柴油机缸套内壁耐磨复合陶瓷涂层的制备方法的一种优选方案，其中：经喷砂处理的不锈钢基体表面通过无水乙醇或丙酮进行超声波清洗，然后采用24目棕刚玉砂对该夹钳表面进行喷砂处理得到。
15.作为本发明所述柴油机缸套内壁耐磨复合陶瓷涂层的制备方法的一种优选方案，其中：大气等离子喷涂工艺参数为：喷涂距离为150 mm，等离子气流h2流量为4l/min，送粉速度为30g/min，ar流量为35l/min，电流500 a，电压51.5v，喷枪移动速度为 200 mm/s，每次向下移动3 mm，重复喷涂3次。
16.本发明再一个的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种柴油机缸套内壁耐磨复合陶瓷涂层的制备方法制得的产品。
17.为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种柴油机缸套内壁耐磨复合陶瓷涂层的制备方法制得的产品，产品氧化铬-氧化铝陶瓷涂层硬度不低于1200hv1。
18.作为本发明所述产品的一种优选方案，其中：氧化铬-氧化铝陶瓷涂层干磨条件下摩擦系数低于0.3，磨损率低于2.0
×
10-7
mm3/n
·
m。
19.本发明有益效果：（1）本发明提供的陶瓷涂层相组成为cr2o3相与α-al2o3相，无亚稳定γ
‑ꢀ
al2o3相，干摩擦条件下氧化铝硬质相提高涂层的耐磨性能，涂层使用寿命显著增加。
20.（2）本发明提供的陶瓷涂层氧化铬与氧化铝界面结合紧密，孔隙率与裂纹显著减少，涂层韧性显著改善。
21.（3）本发明提供的一种柴油机缸套内壁耐磨涂层的制备方法，实现了陶瓷涂层组织结构的优化，极大改善制备涂层的致密度，有效克服铸铁表面与纯氧化铬涂层在使用过程中存在的问题，显著提高了缸套内壁的摩擦学性能。
22.（4）本发明提供了一种利用添加氧化铝粉末增强氧化铬基陶瓷涂层摩擦学性能的方法，为针对具体服役工况调控陶瓷涂层结构提供了新的思路。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：图1为本发明实施例1 cr2o
3-al2o3陶瓷涂层的xrd图谱。
hv1，远高于不锈钢基材的硬度。
39.8）对所制备涂层进行球盘摩擦磨损实验，作为对照，在同等条件下同时进行摩擦实验。其中对偶球选用直径为5mm的si3n4球，载荷40n，频率4hz，磨痕长度5mm，总摩擦时间 6h。
40.结果表明，如图3所示，cr2o
3-al2o3陶瓷涂层摩擦系数低至0.28，低于纯cr2o3陶瓷涂层的0.35；如图4所示，无润滑条件下，cr2o
3-al2o3陶瓷涂层的磨损率为8.18
×
10-8 mm3/n
·
m，低于纯cr2o3陶瓷涂层的14.57
×
10-8
mm3/n
·
m。
41.实施例2与实施例1的不同之处在于：步骤1）中混合粉末的组分（质量百分比）为：cr2o3陶瓷粉末：70％；al2o3陶瓷粉末：30％。
42.为保证cr2o3与al2o3陶瓷粉均匀，以实施例1中的步骤3）进行混粉。在步骤5）中，cr2o3相与al2o3相峰强度增强，al2o3相峰个数增多。在步骤7）中，氧化铬/氧化铝涂层的维氏硬度达1381.09 hv1，远高于不锈钢基材的硬度。在步骤8）中，cr2o
3-al2o3陶瓷涂层摩擦系数为0.43，低于纯cr2o3陶瓷涂层的摩擦系数，无润滑条件下磨损率为14.57
×
10-8
mm3/n
·
m，低于纯cr2o3陶瓷涂层的磨损率。
43.实施例3与实施例1的不同之处在于：步骤1）中混合粉末的组分（质量百分比）为：cr2o3陶瓷粉末：75％；al2o3陶瓷粉末：25％。
44.为保证cr2o3与al2o3陶瓷粉均匀，以实施例1中的步骤3）进行混粉。在步骤5）中，cr2o3相与al2o3相峰强度增强，al2o3相峰个数增多。
45.在步骤7）中，氧化铬/氧化铝涂层的维氏硬度达1512.07 hv1，远高于不锈钢基材的硬度。
46.在步骤8）中，cr2o
3-al2o3陶瓷涂层摩擦系数为0.33，低于纯cr2o3陶瓷涂层的摩擦系数，无润滑条件下磨损率为13.76
×
10-8
mm3/n
·
m，低于纯cr2o3陶瓷涂层的磨损率。
47.实施例4与实施例1的不同之处在于：步骤1）中混合粉末的组分（质量百分比）为：cr2o3陶瓷粉末：85％；al2o3陶瓷粉末：15％。
48.为保证cr2o3与al2o3陶瓷粉均匀，以实施例1中的步骤3）进行混粉。在步骤5）中，cr2o3相与al2o3相峰强度减弱，al2o3相峰个数减少。在步骤7）中，氧化铬/氧化铝涂层的维氏硬度达1492.78 hv1，远高于不锈钢基材的硬度。在步骤8）中，cr2o
3-al2o3陶瓷涂层摩擦系数为0.32，低于纯cr2o3陶瓷涂层的摩擦系数，无润滑条件下磨损率为9.72
×
10-8
mm3/n
·
m，低于纯cr2o3陶瓷涂层的磨损率。
49.实施例5与实施例1的不同之处在于：步骤1）中混合粉末的组分（质量百分比）为：cr2o3陶瓷粉末：90％；al2o3陶瓷粉末：10％。
50.为保证cr2o3与al2o3陶瓷粉均匀，以实施例1中的步骤3）进行混粉。在步骤5）中，cr2o3相与al2o3相峰强度减弱，al2o3相峰个数减少。在步骤7）中，氧化铬/氧化铝涂层的维氏硬度达1423.65 hv1，远高于不锈钢基材的硬度。在步骤8）中，cr2o
3-al2o3陶瓷涂层摩擦系数为0.36，低于纯cr2o3陶瓷涂层的摩擦系数，无润滑条件下磨损率为11.45
×
10-8
mm3/n
·
m，
低于纯cr2o3陶瓷涂层的磨损率。
51.实施例6与实施例1的不同之处在于：步骤1）中混合粉末的组分（质量百分比）为：cr2o3陶瓷粉末：95％；al2o3陶瓷粉末：5％。
52.为保证cr2o3与al2o3陶瓷粉均匀，以实施例1中的步骤3）进行混粉。在步骤5）中，cr2o3相与al2o3相峰强度减弱，al2o3相峰个数减少。在步骤7）中，氧化铬/氧化铝涂层的维氏硬度达1376.58hv1，远高于不锈钢基材的硬度。在步骤8）中，cr2o
3-al2o3陶瓷涂层摩擦系数为0.40，低于纯cr2o3陶瓷涂层的摩擦系数，无润滑条件下磨损率为12.42
×
10-8
mm3/n
·
m，低于纯cr2o3陶瓷涂层的磨损率。
53.目前研究较多以氧化铝为基粉，混合氧化铬，该方法硬度与耐磨性能较好，但氧化铝相为α与γ双相为主，性能不够稳定，尤其是在温度梯度较大时更易产生相变。本发明氧化铬对等离子体下氧化铝的置换作用表明，以氧化铬为基粉，添加氧化铝可进一步提升，其中当氧化铝质量百分比为20%左右整体耐磨性达到最优。本发明制备的陶瓷复合涂层的性能测试参数高于领域内的其他试验，负载40n，总行程864m，对偶件为高硬度si3n4，但结果仍优于领域内相同涂层，摩擦系数低至0.28，磨损率10-8 mm3/n
·
m数量级；本发明提供了大气等离子制备本材料涂层更优性能的方法与参数，实现最佳性能。
54.本发明首先考虑氧化铬对氧化铝的置换作用，摒弃以硬度更高的氧化铝为基粉的方法，选择氧化铬为基粉；其次置换固溶体为(al,cr)2o3，氧化铝与氧化铬置换比例为1：1时达到饱和，当氧化铝含量较低时，硬质相达不到增韧的效果，含量较高时，低硬度的固溶体会导致涂层整体硬度降低；因此在本发明中，分别选择30-0%梯度的氧化铝比例为试验对象，可以看到摩擦实验结果具有规律性，因此认为在该制备工艺下，氧化铝含量为20%时性能最佳。
55.应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。