本發(fā)明涉及工程與材料科學(xué)，特別涉及一種氣缸套內(nèi)壁再制造涂層的制備方法。

背景技術(shù)：

氣缸缸套作為發(fā)動(dòng)機(jī)中一個(gè)重要的部件是最易受到損害的，減少或降低損害顯得非常必要。發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸缸套最常見的失效形式為磨損失效，主要包括磨料磨損、腐蝕磨損和黏著磨損。因此認(rèn)為無(wú)論何種形式的內(nèi)燃機(jī)，對(duì)其氣缸套的要求基本上是一致的，即氣缸套內(nèi)表面一定要滿足高的抗磨性能、與活塞環(huán)之間的低摩擦系數(shù)、耐腐蝕性、耐磨性以及足夠的抗拉強(qiáng)度等。

在本發(fā)明之前，人們采用不少辦法試圖提高其耐磨性等。其中，就有熱噴涂技術(shù)。熱噴涂技術(shù)是利用熱源將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，通過(guò)高速的氣流使其改變?cè)械臓顟B(tài)，熔化為液滴，噴射到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的材料表面，形成附著牢固的表面層。熱噴涂是氣缸套再制造工藝之一，熱噴涂可以在氣缸內(nèi)壁噴涂涂層以恢復(fù)氣缸套尺寸，涂層材料與涂層結(jié)構(gòu)可以在很大程度內(nèi)調(diào)控，涂層中的孔隙可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油功能。

陶瓷粉末加入涂層中能起到硬質(zhì)相的作用，提高涂層的耐磨性能。利用熱噴制備復(fù)合涂層是提升涂層性能的有效辦法，現(xiàn)有的噴涂方法大多數(shù)是簡(jiǎn)單的混合粉末，當(dāng)多種粉末密度相差較大時(shí)，噴涂過(guò)程中往往因混合粉末在熱噴涂焰流中加速度不同導(dǎo)致涂層分層現(xiàn)象，這也是制約復(fù)合涂層發(fā)展的重要因素之一，金屬與陶瓷粉末混合時(shí)尤為明顯。目前常用的解決方法是使用密度相差較小的非陶瓷粉末作為替代品，這種方法難以達(dá)到較好的耐磨效果；或者噴涂經(jīng)過(guò)加工的包覆粉末，這種方法由于需要噴涂前將金屬包覆在非金屬粉末表面，粉末制備成本較高。

CN101250698發(fā)明一種復(fù)合微粒鎳基合金制造或修復(fù)氣缸套的方法，用于對(duì)鐵道、船用及大功率柴油機(jī)氣缸套經(jīng)使用磨損后內(nèi)壁的修復(fù)。采用化學(xué)方式將合金溶液，涂覆在氣缸套內(nèi)表面，涂復(fù)工藝是：出加粒器的復(fù)合微粒鎳基合金溶液導(dǎo)入待加工之氣缸套內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，將溶液中的碳化硅微粒均勻地涂復(fù)在待加工之氣缸套內(nèi)表面，再導(dǎo)入冷凝器，使溶液失去活性，化學(xué)反應(yīng)停止，泵入配液槽配液，再送入加熱器，到達(dá)出口溫度82～83℃后導(dǎo)入加粒器，在加粒器內(nèi)加入碳化硅微粒配制成復(fù)合微粒鎳基合金溶液進(jìn)入以下的循環(huán)系統(tǒng)。雖然此技術(shù)能順利的在工件上制造修復(fù)涂層，但存在著環(huán)境污染太大的缺陷或問(wèn)題，此外，由于工藝過(guò)于復(fù)雜該技術(shù)修復(fù)成本過(guò)高，很難得到廣泛應(yīng)用。

CN103710660A涉及一種發(fā)動(dòng)機(jī)水冷氣缸套外壁及內(nèi)壁尺寸恢復(fù)與強(qiáng)化方法。該方法是采用內(nèi)孔等離子噴涂技術(shù)在氣缸套內(nèi)壁制備鎳基減磨、耐磨涂層，采用超音速等離子噴涂技術(shù)在氣缸套外壁制備鎳鋁復(fù)合涂層。噴涂材料只能使用成本高昂的Ni包Al粉末，材料耐磨性受限，也沒(méi)有涉及復(fù)合涂層的制備。

CN103132009A是一種修復(fù)容納在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體中的缸套的內(nèi)表面的方法。從內(nèi)表面去除材料，以產(chǎn)生厚度減小的區(qū)域，厚度減小的區(qū)域相對(duì)于氣缸軸向地延伸，并且在未達(dá)到缸套的端部處停止，從而在厚度減小的區(qū)域和缸體的端部之間留有初始直徑區(qū)。然后，例如通過(guò)錘刷來(lái)使厚度減小的區(qū)域的表面粗糙化。此專利局限于尺寸的修復(fù)，在材料選擇和加工工藝上沒(méi)有實(shí)現(xiàn)突破。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述缺陷，研制一種氣缸套內(nèi)壁再制造涂層的制備方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種氣缸套內(nèi)壁再制造涂層的制備方法，其主要技術(shù)特征在于如下步驟：

(1)以熱噴涂方式，利用粉末材料對(duì)車輛氣缸套內(nèi)壁的基體進(jìn)行再制造；

(2)基體的材料是碳鋼、或不銹鋼或其它金屬材料；所用噴涂粉末材料為金屬-非金屬?gòu)?fù)合材料；

(3)噴涂粉末材料為復(fù)合粉末，粒徑在10-100μm之間；

(4)復(fù)合粉末進(jìn)入焰流后，經(jīng)過(guò)熔化和加速的全部過(guò)程或部分過(guò)程，沉積到基體上；

(5)在氣缸套內(nèi)壁上噴涂形成復(fù)合涂層。

所述步驟(1)中熱噴涂方法包括但不限于：大氣等離子噴涂、超音速火焰噴涂、亞音速火焰噴涂和火焰噴涂。

所述步驟(2)復(fù)合材料包括采用兩種或兩種以上以下物質(zhì)：NiCrBSi、FeCrBSi、FeCrC、Mo中的一種作為金屬基材料，采用Al₂O₃、WC、WC-Co、Al₂O₃-TiO₂中的一種作為非金屬材料。

所述步驟(4)當(dāng)復(fù)合粉末密度差較大時(shí)需要利用膠粘法將其粘合、處理。

所述步驟(5)中涂層厚度可以在200～500μm之間，若需要的涂層較厚，則可分多次實(shí)施噴涂。

所述步驟(5)中根據(jù)需要尺寸對(duì)噴涂修復(fù)后車輛氣缸套內(nèi)壁進(jìn)行車削、拋光。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果在于：

針對(duì)氣缸套內(nèi)壁高溫腐蝕磨損，外壁穴蝕的失效特點(diǎn)，本發(fā)明采用熱噴涂的方法在缸套內(nèi)壁再制造高性能復(fù)合涂層，恢復(fù)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。

噴涂過(guò)程中采用膠粘混粉法有效避免因復(fù)合粉末密度差異導(dǎo)致的涂層分層現(xiàn)象，有助于提高涂層的性能，因此相比常規(guī)噴涂方法，涂層使用壽命有較大提高。

本專利中膠粘方法適用于粉末密度相差較大的復(fù)合粉末，避免使用包覆粉末，因此可以有效節(jié)省材料成本。

相比于CN101250698介紹的修復(fù)方式，熱噴涂技術(shù)無(wú)論在成本還是可行性方面都有很大優(yōu)勢(shì)，無(wú)需復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，本專利采用混合粉末經(jīng)過(guò)加熱、融化、沉積等簡(jiǎn)單步驟達(dá)到優(yōu)于CN101250698中展示的修復(fù)效果，且操作工藝相對(duì)CN101250698簡(jiǎn)單可行，由于沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，對(duì)環(huán)境污染較小，能源利用率也有提高。本專利對(duì)材料選擇性好，不用針對(duì)不同材料制定不同工藝。

相比于CN103710660A中使用成本高昂的Ni包Al粉末，本專利利用膠粘法，順利解決因密度相差導(dǎo)致的分層現(xiàn)象，保證涂層質(zhì)量的同時(shí)大大降低生產(chǎn)成本。此方法也適用于其他類似情況熱噴涂過(guò)程。

相比于CN103132009A中的Fe合金甚至Ni合金，由于添加硬質(zhì)陶瓷粉末，在涂層中添加硬質(zhì)顆粒，摩擦過(guò)程中起主要受力作用，耐磨性能進(jìn)一步提高，某些氧化物陶瓷還可以形成轉(zhuǎn)移膜，提高潤(rùn)滑性能。

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

附圖說(shuō)明

圖1——本發(fā)明噴涂過(guò)程示意圖。

圖2——本發(fā)明NiCrBSi-Al₂O₃復(fù)合涂層的XRD圖譜示意圖。

圖3——本發(fā)明等離子噴涂氣缸套內(nèi)壁復(fù)合涂層截面示意圖。

圖4——本發(fā)明火焰噴涂氣缸套內(nèi)壁復(fù)合涂層截面示意圖。

圖5——本發(fā)明等離子噴涂FeCrBSi-Al₂O₃得到的涂層示意圖。

圖中各標(biāo)號(hào)表示對(duì)應(yīng)的部件名稱如下：

旋轉(zhuǎn)臺(tái)1、支架2、(內(nèi)孔噴槍)噴嘴3、氣缸套4、內(nèi)孔噴槍5、焰流6、送粉管7。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的技術(shù)思路：

針對(duì)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套內(nèi)壁因磨損或點(diǎn)蝕導(dǎo)致工件報(bào)廢的問(wèn)題，采用熱噴涂方法在氣缸套內(nèi)壁獲得復(fù)合涂層，再通過(guò)機(jī)加工使氣缸套恢復(fù)初始內(nèi)徑，采用膠粘法解決噴涂過(guò)程中出現(xiàn)的涂層分層現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)氣缸套的再制造，在提高氣缸套內(nèi)壁耐磨性的同時(shí)，保證涂層質(zhì)量及結(jié)合性能。本發(fā)明能夠降低氣缸套在使用過(guò)程中不可避免的磨損失效，賦予氣缸套二次壽命，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套使用壽命。

下面結(jié)構(gòu)說(shuō)明書附圖具體說(shuō)明本發(fā)明。

如圖1所示的結(jié)構(gòu)：

(配伺服電機(jī)的)旋轉(zhuǎn)臺(tái)1固定于地面，轉(zhuǎn)速可控(根據(jù)所需修復(fù)工件尺寸而定)，支架2設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)1上面，即支架2將旋轉(zhuǎn)臺(tái)1與待修復(fù)的氣缸套4隔開，氣缸套4立在支架2上，內(nèi)孔噴槍5下部在氣缸套4內(nèi)，(內(nèi)孔噴槍)噴嘴3在內(nèi)孔噴槍5的下部上，自然也就在氣缸套4內(nèi)，內(nèi)孔噴槍5上部另一端在氣缸套4外，與送粉管7連通。

內(nèi)孔噴槍5由六軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械臂控制，上下勻速移動(dòng)的過(guò)程中保證噴嘴3噴出的焰流6能夠均勻涂覆于氣缸套4內(nèi)壁，送粉管(包括送粉器(圖中未畫出，省略))7連接內(nèi)孔噴槍5，保證內(nèi)孔噴槍5出粉均勻。

本發(fā)明的具體步驟包括：

(1)材料準(zhǔn)備：復(fù)合粉末包括采用兩種或兩種以上以下物質(zhì)：NiCrBSi、FeCrBSi、FeCrC、Mo中的一種作為金屬基材料，采用Al₂O₃、WC、WC-Co、Al₂O₃-TiO₂中的一種作為非金屬材料。噴涂前對(duì)復(fù)合粉末預(yù)處理包括混粉、膠粘、網(wǎng)篩、烘干等步驟，由于粉末粒徑過(guò)小容易導(dǎo)致團(tuán)聚堵管，粒徑過(guò)大則融化狀態(tài)較差，因此復(fù)合粉末粒徑控制在10-100μm之間，。

(2)混粉過(guò)程：將需要噴涂的復(fù)合粉末經(jīng)混料機(jī)混合2h，用PVA膠水與混合后粉末攪拌均勻，置于烘箱內(nèi)烘至微粘合狀態(tài)，用130目篩網(wǎng)篩至合適粒度，然后置于200℃烘箱內(nèi)兩小時(shí)使膠水徹底固化，此方式能有效粘結(jié)不同粉末，避免噴涂過(guò)程中因加速度不同導(dǎo)致的粉末沉積狀態(tài)差異的分層現(xiàn)象，噴涂過(guò)程中膠水會(huì)在等離子高溫下燃燒殆盡，不會(huì)因殘留異物影響復(fù)合涂層性能。

(3)基體準(zhǔn)備：噴涂基體采用成品氣缸套，噴涂前對(duì)基體進(jìn)行預(yù)處理包括機(jī)加工、清洗、干燥、噴砂等步驟，機(jī)加工主要作用是統(tǒng)一修復(fù)尺寸，便于噴涂程序的設(shè)定；清洗和干燥主要為了去除車輛氣缸套內(nèi)壁上的油污等雜質(zhì)，以防噴涂過(guò)程中涂層材料與車輛氣缸套內(nèi)壁結(jié)合力差；噴砂步驟增加氣缸套內(nèi)壁粗糙度，同樣有助于提高結(jié)合強(qiáng)度。

(4)涂層制備：利用送粉管將復(fù)合粉末送入采用噴槍，經(jīng)過(guò)加溫、熔化和加速的全部過(guò)程或部分過(guò)程，沉積到基體上。

(5)過(guò)程控制：計(jì)算出噴涂沉積效率，根據(jù)氣缸套工件所需尺寸，利用機(jī)械臂和伺服電機(jī)配合控制噴涂粒子束運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)精確的計(jì)算能將尺寸誤差控制在10μm之內(nèi)，方便接下來(lái)的車削、拋光等機(jī)加工作業(yè)。

實(shí)施例1：

將20g粒徑20μm左右Al₂O₃粉末與180g粒徑40-50μm的NiCrBSi粉末均勻混合，以膠粘法粘接后放入送粉器管7，控制送粉量為30g/min送入等離子焰流中，沉積在氣缸套內(nèi)壁形成復(fù)合涂層，送粉量過(guò)多或過(guò)少會(huì)導(dǎo)致送粉過(guò)程中的未熔或過(guò)氧化情況發(fā)生，直接影響噴涂質(zhì)量以及涂層厚度。噴涂參數(shù)設(shè)定為H₂流量7L/min，Ar流量40L/min，電流500A，電壓56V。為保證涂層均勻以及厚度可控，噴槍移動(dòng)速度定為200mm/s，每次向下移動(dòng)3mm，連續(xù)噴涂6次。用X射線衍射儀觀察相結(jié)構(gòu)。如圖2所示，涂層存在γ-Ni、α-Al₂O₃、γ-Al₂O₃等相，Al₂O₃以增強(qiáng)相的形式存在于所得涂層中有效增強(qiáng)涂層耐磨性能，涂層厚度150μm左右，符合制備氣缸套內(nèi)壁修復(fù)尺寸要求。

實(shí)施例2：

將40g粒徑20μm左右Al₂O₃粉末與160g粒徑40-50μm的NiCrBSi粉末均勻混合，由于Al₂O₃密度較NiCrBSi等合金粉末小，Al₂O₃質(zhì)量比控制在10％-30％防止含量過(guò)多導(dǎo)致所得涂層自熔性較變差，降低涂層質(zhì)量，以膠粘法粘接后送入噴涂裝置，控制送粉量為35g/min送入等離子焰流中，沉積在氣缸套內(nèi)壁形成復(fù)合涂層。H₂流量5L/min，Ar流量40L/min，電流500A，電壓56V。噴槍移動(dòng)速度為200mm/s，每次向下移動(dòng)3mm，由于送粉量較大，適當(dāng)降低噴涂次數(shù)以控制所得涂層厚度，連續(xù)噴涂5次。用菜卡顯微鏡觀察涂層截面形貌。如圖3所示，涂層結(jié)合良好，孔隙率5％左右，Al₂O₃分散均勻，涂層厚度在120μm左右，即沉積速率在20-30μm/次，適合制備氣缸套內(nèi)壁涂層。

實(shí)施例3：

FeCrBSi相比于NiCrBSi材料成本更低，更適于工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)，將FeCrBSi與Al₂O₃以8∶2質(zhì)量比例均勻混合，膠粘后送入到火焰噴槍焰流中，沉積在基體上形成金屬陶瓷復(fù)合涂層。噴槍所用氣體為氧氣和乙炔，其燃燒溫度能達(dá)到3000℃，完全滿足FeCrBSi及Al₂O₃材料熔化溫度，噴槍移動(dòng)速度為150mm/s，每次向下移動(dòng)2mm，連續(xù)噴涂15次。用菜卡顯微鏡觀察截面形貌，如圖4所示，涂層厚度150μm左右，分散均勻，層基結(jié)合情況良好，滿足高強(qiáng)度耐磨測(cè)試。

實(shí)施例4：

將粒徑40-50μm的FeCrBSi粉末與粒徑20μm左右Al₂O₃粉末分別以19∶1、18∶2、16∶4、14∶6質(zhì)量比均勻混合，對(duì)比4種不同成分比實(shí)驗(yàn)以尋找綜合性能最優(yōu)的涂層產(chǎn)品，以膠粘法粘接后送入噴涂裝置，控制送粉量為30g/min送入等離子焰流中，沉積在304不銹鋼表面形成復(fù)合涂層。H₂流量5L/min，Ar流量40L/min，電流500A，電壓56V。噴槍移動(dòng)速度為200mm/s，每次向下移動(dòng)3mm，連續(xù)噴涂5次。所得復(fù)合涂層試樣如圖5所示，顯示質(zhì)量比為16∶4這一參數(shù)的涂層表面粗糙度適中，無(wú)缺陷，適合缸套加工。

實(shí)施例5：

將20g粒徑20μm左右TiO₂粉末與180g粒徑40-50μm的NiCrBSi粉末均勻混合，TiO₂粉末被熟知用于無(wú)機(jī)顏料，但是在涂層中作為添加相同樣能起到一定的彌散強(qiáng)化作用，以膠粘法粘接后送入噴涂裝置，控制送粉量為30g/min送入等離子焰流中，沉積在氣缸套切片形成復(fù)合涂層。H₂流量5L/min，Ar流量42L/min，電流550A，電壓60V。噴槍移動(dòng)速度為200mm/s，每次向下移動(dòng)3mm，連續(xù)噴涂6次。用掃描電鏡FE-SEM觀察涂層截面，等離子噴涂復(fù)合涂層表面融化良好，粒子充分扁平化，結(jié)合度高，且有一定的儲(chǔ)油孔隙，適合缸套加工。

本發(fā)明克服了傳統(tǒng)等離子噴涂工藝中金屬-陶瓷，金屬-金屬等復(fù)合粉末噴涂時(shí)易分層的難題，通過(guò)將復(fù)合粉末經(jīng)膠粘處理方法，將密度相差較大的粉末均勻噴涂于基體，同時(shí)沉積效率得到保證，結(jié)合率良好，耐磨性能優(yōu)秀，在車輛氣缸套再制造方面有很好的應(yīng)用前景。尤其適合制備厚度要求在100μm～300μm后的非致密耐磨涂層。

當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。