汽车发动机缸体喷涂技术

《汽车发动机缸体喷涂技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车发动机缸体喷涂技术（31页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、沈阳工学院毕业论文摘 要实现汽车的节能减排，是整个汽车行业所面临的重大挑战。减轻汽车的重量是实现这一宏伟目标的一条有效途径。采用铝制发动机缸体，可以减轻汽车的重量，在其缸体内壁喷涂一层铁基涂层，可以增强铝制缸体的耐磨性。本文采用电弧喷涂技术制备了三种铁基涂层：H08Mn2Si、4Cr13、65Mn。通过金相显微镜和扫描电子显微镜分析了涂层组织特征。这三种涂层材料均具有典型的层状涂层结构特征。三种涂层中以等轴非等轴孔隙居多，缝隙装孔隙最少，且孔隙在空间中呈星形拓扑结构分布。涂层孔隙对于液体的渗透性良好，通过模拟实验证明涂层在润滑条件的磨损状态下，能够一直保持油液的渗入。利用MMU-5G型万能摩擦

2、磨损试验机分别在浸油润滑和干摩擦条件下，测试了涂层材料的摩擦系数，分析了涂层的耐磨性及磨损方式。试验结果表明：在所有磨损试验中，涂层磨损形式主要为磨粒磨损。在干磨条件下，灰铸铁试样的摩擦系数最少，其中的石墨起到的润滑的作用，而铁基涂层中的孔隙无法发挥其减磨作用，导致摩擦系数高于灰铸铁。在50N载荷浸油条件下，4Cr13涂层摩擦系数及耐磨性最好，孔隙起到了储油减磨的作用，三种涂层的摩擦性能均优于灰铸铁。在200N载荷浸油条件下，4Cr13涂层摩擦系数及耐磨性依然优于灰铸铁且在三种涂层中最好，H08Mn2Si涂层的摩擦系数比50N载荷浸油条件下降低幅度最大，说明涂层的摩擦性能要从本身耐磨性与其各种

3、减磨结构综合衡量。关键字：热喷涂; 耐磨性; 发动机缸体IAbstractTo realize the energy saving and emission reduction, is a major challenge facing the entire automotive industry. Reduce the weight of the car is an effective way to achieve this goal. Using aluminum engine block, can reduce the weight of the car, in the cylinder

4、wall coating a layer of Fe based coating, can enhance the wear resistance of aluminum cylinder. This paper uses three kinds of Fe based coating by arc spraying technology system: H08Mn2Si, 4Cr13, 65Mn. The analysis of the microstructure of the coating by metallographic microscope and scanning electr

5、on microscope. These three kinds of coating materials have the typical characteristics of layered coating structure. Three kinds of coating with equiaxed non equiaxed pores are arranged, slit pores at least, and the pore space in a star topology. The pores of the coatings for liquid permeability goo

6、d, wear condition through simulation experiments prove that coating on the lubrication condition, has been able to keep the oil infiltration. Universal friction and wear testing machine were soaked in oil lubrication and dry friction condition by using MMU-5G type, friction coefficient of the coatin

7、g material were tested, analyzed the wear resistance and wear mode of coatings. The test results show that: in all wear test, the wear mechanisms are mainly abrasive wear. In dry friction condition, and the Fe based coating in the pores and unable to play its role in reducing wear, the friction coef

8、ficient is higher than that of gray cast iron. In the loading of 50N oil immersed conditions, friction coefficient and wear resistance of 4Cr13 coating is the best, the pore to reduce abrasion of oil, the friction properties of three kinds of coatings are better than that of grey cast iron. In the l

9、oading of 200N oil immersed conditions, the friction coefficient and wear resistance of 4Cr13 coating is better than the gray cast iron and the three kinds of coatings in the best, the friction coefficient of H08Mn2Si coating than 50N under the condition of oil immersed load decrease, the friction p

10、roperties of the coating itself from the wear resistance and antifriction structure comprehensive measure.Keywords: thermal spraying; wear resistance; engine block目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1汽车发动机材料的发展11.2 热喷涂技术21.3 电弧喷涂技术21.3.1 电弧喷涂技术的原理及特点21.3.2热喷涂技术的优点31.3.3 热喷涂技术的缺点41.4发动机缸体喷涂技术5第2章 实验仪器、材料及方法62.1

11、 实验仪器62.2 涂层材料62.3 基体材料表面预处理72.4 喷涂工艺72.5实验步骤9第3章 涂层的组织分析123.1 4Cr13涂层的组织形貌及物相分析123.2 08Mn2Si的组织形貌及物相分析123.3 65Mn涂层的组织形貌及物相分析13第4章 涂层硬度及磨损试验154.1 涂层硬度154.2 涂层的磨损试验164.2.1 实验设备164.2.2 实验步骤174.2.3 载荷50N下干摩擦10min174.3.4 载荷50N浸油磨损2小时194.3.5 载荷200N浸油磨损2小时214.4 涂层横截面的观察234.5 小结23第5章 结论25参考文献26IV第1章 绪论1.1汽

12、车发动机材料的发展环境保护，能源消耗是如今的焦点问题。在汽车行业中，也因此面临重大的挑战。如何减少燃料消耗，同时降低有害气体排放，成为了各汽车厂商所要解决的难题。减轻汽车重量是汽车轻量化的重要途径。据研究表明，有六成的燃料消耗约用于汽车自身重量，所以汽车重量每减少一百公斤，百公里油耗便能减少0.4升左右。由于发动机是汽车上最重的零部件之一，所以减轻发动机的重量是汽车轻量化的重要环节。现在，铝合金已经广泛应用在工业自动化的各项领域。其中之一便是代替传统铸铁，作为发动机缸体的材料。这项技术推进了汽车轻量化的发展，有效地节约燃料。铝合金有着质量小，易加工等优点，降低发动机自重的同时又减小了油耗。据统

13、计，市面上的汽车近乎有六成以上使用了全铝发动机。但由于铝本身的特点，导致铝合金的磨损性能低下。对此有三种解决方案：一是在缸体内部嵌入厚度约1.5-3mm的铸铁缸套；二是研制高硅铝合金作为缸体的材料；三是通过热喷涂技术在缸体内壁喷涂一种磨损性能优越的涂层。第一种方法虽说解决了铝合金的不耐磨问题，但是由于重新嵌入了铸铁缸套，会再次增加自身的重量。同时，由于热传导性能差异，铸铁膨胀系数与铝制合金也不相同。第二种方法，高硅铝合金的确有着良好的磨损性能。但是高硅铝合金的制备技术在实践中还很难应用，并且制备成本大，应用受到局限。第三种方法由于是采用热喷涂技术，通过喷涂技术，可以改善铝制发动机缸体的耐磨性，

14、涂层厚度很薄，几乎不会增加发动机本身的重量，这也使铝合金发动机的重量明显低于铸铁发动机。而且在涂层材料的选用上十分灵活，可以达到预期的耐磨目标。另外，由于涂层厚度也可以根据实际情况设定，这也使得发动机在各零件的装配过程中，完全保证精度要求。1.2 热喷涂技术发展至今，由于喷涂技术制备的涂层有着良好的性能，已经被广泛应用，在钢类零部件的维修和防护上也起到至关重要的作用。在能源、冶金和汽车三大领域，热喷涂技术作为不可或缺的工艺手段。同时随着新型材料的发展，势必推进热喷涂技术的进化脚步。1.3 电弧喷涂技术电弧喷涂因其成本低、易于操作、喷涂质量良好等特点，已经广泛地实用。将碳钢、不锈钢等作为喷涂丝材

15、时，更可以起到负荷零件修复，钢结构防护等作用1.3.1 电弧喷涂技术的原理及特点电弧喷涂技术的原理非常简单，喷涂所用的两根丝材经由送丝机构连续地被导入至喷枪的喷嘴。丝材的尖端在送出导电嘴出处相互搭接，摆成一定角度，同时两根丝材会连接直流电源的正负极。在电源接通的情况下，丝材尖端发生放电产生电弧。高强度的电流下丝材很容易发生熔化，这时送丝机构会匀速转动，如果电弧燃烧稳定，则送丝装备会继续将丝材向前推送。喷枪的前端同时会配有输出高压空气的喷嘴，在空压机的作用下，压缩空气会源源不断地从高压气喷嘴喷出。熔融态的金属颗粒在气流的作用下产生雾化，迅速地被喷射至基材表面形成涂层。电弧喷涂的流程大致可分为三个

16、部分：丝材熔化及雾化阶段；熔融态金属颗粒的飞行阶段；颗粒喷射至基材并堆积凝固阶段。对比其他喷涂技术，电弧喷涂技术具有以下特点：(1) 涂层性能优异。在不提高基材本身温度、不适用贵重基体材料的条件下，可以制备结合强度高的涂层。相比火焰喷涂，电弧喷涂涂层的结合强度可以达到其两倍之多。(2) 效率高。电弧喷涂在一定时间内喷涂的金属量很多，且电流越大，喷涂效率也越大。比如，在300A的工作电流下，喷涂锌丝可以达到每小时30kg；喷涂不锈钢丝可以达到每小时15kg。比火焰喷涂提高二到六倍。(3) 能耗低。电弧喷涂能量消耗很低，电弧喷涂的能源有效利用率为百分之七十，等离子喷涂为百分之十二，火焰喷涂为百分之

17、十三，相比之下，其能源利用率最低。(4) 经济性。由于电弧喷涂的主要消耗能源是电能，且相比火焰喷涂所用的氧气和乙炔，其费用仅为火焰喷涂的十分之一，而且电弧喷涂设备简单，大约是等离子喷涂的三分之一以下。(5) 操作简单。由于电弧喷涂设备简单，且在电压、电流、空气压力按要求设定完成之后，一般不需再调节。同时电弧喷涂对喷涂距离要求也并不高，在一定范围内变动也可接受。即便是经过长时间的使用，设备可能出现受损的部件只有喷嘴和送丝机构，无论是维护还是翻新都较为便利。(6) 安全性高。因为其他的热喷涂方式可能会用到乙炔等易燃气体，相对于只使用电力与高压气体的电弧喷涂来说，危险系数高。1.3.2热喷涂技术的优

18、点(1) 涂层基体材料广泛。可制备涂层的基体除了金属材料，还有无机材料（玻璃、陶瓷、石膏等）和有机材料（包括木材、布、纸类）等。(2) 能够喷涂的材料范围广，制备的涂层种类多。有熔点且熔点远低于沸点或拟熔融态的材料均可用于喷涂，包括各种金属及合金、陶瓷、金属陶瓷、金属间化合物、非金属矿物、塑料等几乎所有固态材料。此外，还能制成具有特殊性能的不同材料构成的复合涂层或叠加涂层，因而能够制备各种各样的保护涂层和功能涂层。(3) 沉积效率较高，特别适合沉积厚膜涂层。与电镀、化学镀、离子镀、气相沉积等技术相比，热涂层的沉积效率、生产效率较高，且涂层厚度容易控制，可从几十微米到几毫米，甚至可达到20mm。

19、(4) 节约贵重材料，降低成本。在满足强度要求的前提下，制件基体可以用较普通的材料代替贵重材料，仅涂层使用优质材料。(5) 一般不受工件尺寸和施工场所的限制。即可喷涂大型重型工件，又可喷涂小件、薄壁件；即可在厂内施工，也可在现场施工。对大型构件的局部表面制备涂层，是既经济又方便的方法。(6) 对基题材料的热影响小。与扩散渗镀、气相沉积、高温合成、烧结等工艺相比，除喷熔外，热喷涂对基体的热影响最小，基体受热温度一般不超过200，从而使基材的组织结构和性能不发生变化，工件的变形可以忽略，因此热喷涂也可以称为一种“冷工艺”。(7) 调整涂层成分比较容易。通过调整涂层材料的种类、配比及涂敷工艺等，能够

20、比较容易地调整涂层成分和涂层性能。1.3.3 热喷涂技术的缺点(1) 热喷涂涂层耐高应力、冲击和载重能力较差。热喷涂涂层与基体的结合主要为物理和机械结合，结合强度较低，一般低于50MPa。但气体爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、超声速等离子喷涂及超高速等离子喷涂等先进工艺正使热喷涂涂层的结合强度达到相当大的提高，最高甚至可以达到200MPa。(2) 涂层的力学性能及耐蚀、抗氧化、绝缘等性能都比致密实体的同种材料要差。喷涂涂层含有不同程度的孔隙和夹杂，片层状涂层结构导致涂层的各向异性，降低了涂层的力学性能及耐蚀、抗氧化、绝缘等性能。孔隙的存在，虽然使热喷涂涂层在用于防腐蚀、绝缘、耐高温等工况时不利，但在

21、用于气敏元件（如氧探测器）、可磨耗密封、催化、生物功能等时，可获得意想不到的成功。孔隙还是很好的储油结构，使涂层具有更好的减摩润滑性能。(3) 热能利用率比较低，成本相对较高。热喷涂技术主体地位的等离子喷涂，其热能却只有1020被用于熔化涂层材料；而等离子喷涂陶瓷涂层材料的沉积率根据喷涂材料的不同，在3080之间变化，特别是喷涂小件时，涂层材料的沉积率低。这些都使得热喷涂涂层的成本相对较高。(4) 热喷涂粒子呈线性飞行的特征，难于在易遮蔽的凹腔、复杂型面、细长内孔、盲孔等部位喷涂合格涂层。1.4发动机缸体喷涂技术随着历史的推移，热喷涂技术得到了迅猛的发展和日新月异的变化。喷涂的方式可以有火焰喷

22、涂、电弧喷涂、等离子喷涂等；喷涂丝材可以从金属到陶瓷，甚至在喷涂过程中加入其它合金粉末等。热喷涂技术有着三大技术攻关方向，即喷涂温度、熔融颗粒飞行速度以及涂层的性能。在满足工艺参数的基础上，喷涂技术一直在围绕这三个核心内容向前推进。影响喷涂温度与颗粒飞行速度的是喷涂热源的种类。为了获得质量更好，性能更优异的涂层，可以在一定范围内提高喷温度，加快粒子的冲击速度。温度与速度的双重叠加作用，使热喷涂技术具有独特的特性，所以二者一直是各喷涂机构互相竞争与重视的要点。热喷涂技术可以使基材表面拥有特殊的性能。比如，时常受到摩擦损耗的工件表面可以制备耐磨或减磨涂层，有效的降低了损耗，同时又增强了工件之间的摩

23、擦运动；此外，某些零件需要在有腐蚀的条件下工作，这时便可以喷涂一层抗腐蚀涂层，大大的延长的零件的使用寿命。某些特殊的合金或纳米复合材料还同时具有抗磨抗腐蚀的双重特性。第2章 实验仪器、材料及方法2.1 实验仪器本次实验采用XDP型电弧喷涂机。如图2.1所示，为XDP-5型电弧喷涂设备与其系统组成。 图2.1 XDP-5型电弧喷涂设备电弧喷涂机分为喷枪、送丝机构、喷涂电源、喷涂控制箱、丝盘、空气压缩机、喷砂机等部分。送丝结构由直流电源、减速器、送丝齿轮组成，主要作用是将两根金属焊丝经由齿轮的转送输送至喷嘴。导电嘴连接至电源的正负两极，丝材在电流的作用下起弧，熔化。喷枪的雾化机构此时会输出高压气体

24、，熔融颗粒借由气流产生雾化，喷射至基材表面。在反复的撞击之后，在表面凝固形成涂层。喷枪具有的输出高压空气结构，可增加熔融粒子喷射速度，同时使其雾化。枪体由导电嘴、导电管、绝缘体、高压气流喷嘴等构成。一般的喷枪可喷涂2mm和3mm直径的丝材。2.2 涂层材料本次试验选择了高碳钢65Mn、低碳钢H08Mn2Si、不锈钢4Cr13作为铁基涂层，其丝材直径均为2mm。实验中各铁基材料的化学成分如表2.1所示。表2.1 各铁基材料的化学成分材料CSiMnCrNiAlMoVSP65Mn0.60-0.900.18-0.380.90-1.300.250.25-0.0350.03508Mn2Si0.100.55

25、-0.851.80-2.200.250.30-0.0350.0354Cr130.20-0.350.60.812-14-0.0300.0352.3 基体材料表面预处理（1）待喷涂表面的清洗待喷涂工件的表面经常会有油污、氧化层等影响喷涂结合强度的杂物。为了避免其对涂层性能的损害，可用丙酮或煤油对表面精洗。如果表面严重者有铁锈之类的污染物，可用烧碱清洗，或是喷砂等方法处理。（2）待喷涂表面的粗化处理常用的粗化处理有喷砂、喷丸等，使基体表面获得一定的清洁度和粗糙度，改进基体表面的性能，增加与涂层之间的结合强度。2.4 喷涂工艺喷涂工艺参数直接影响涂层的性能，所以若想制备质量过关的涂层，需要制定合理的工

26、艺参数。（1）喷涂电流喷涂电流一般受送丝速度影响，喷涂电流会随着送丝速度加快而递增。但是若送丝速度不稳定，会引发电流波动，影响涂层质量。而送丝速度又受很多因素影响，比如丝盘的重量，丝材的曲直度，丝材上有无锈迹，内部阻力等等。所以适当增加送丝速度，不但可以增加喷涂电流，还会增加工作效率，更会提高涂层的质量。当工作电流增大时，会使熔融态粒子撞击工件表面的频率增加，使颗粒的内能与动能增加。利于金属颗粒之间的结合，改善涂层的硬度及耐磨性。与喷涂电压一样，不同材料的丝材也有着不同的最佳工作电流，成为临界电流。当工作电流低于其值时，电弧也无法稳定燃烧。因此，在适当的范围内，为了获得质量更好的涂层，尽量选用

27、较大的电流值。（2）喷涂电压为了制备性能良好的涂层，稳定燃烧的电弧是必不可少的因素，而决定电弧是否稳定因素便是喷涂电压。丝材尖部的间距会影响喷涂电压，所以电压越大，丝材在燃烧时的间距也会增加。丝材燃烧的稳定与否和喷涂电压密切相关，若电压低于某一值，电弧会极不稳定，甚至熄灭。而未熔化粒子会随着高压孔隙喷涂至工件表面，导致涂层孔隙率增大，严重影响涂层与基体之间的结合强度。此外，电弧的时断时续会引发喷涂电流的浮动加大，降低设备的实用寿命；相反，若是电压值过高，会增大涂层的氧化程度。为了获得稳定的电弧，在喷涂前需要设定合理的电压值，由于喷涂材料本身的性质不同，其最佳的电压值也会不同。所以，只要能够保证

28、丝材间稳定的燃烧，电压值尽量调小，不仅可以减少涂层的氧化程度，还可以降低能源消耗，最终制备高硬度高耐磨性的涂层。（3）雾化空气压力 金属丝材在熔化之后需要通过空气压力将其喷射至表面，完成喷涂。所以雾化空气压力越大，熔滴的氧化程度、喷射速度也越大，其对基体表面的撞击力也会越大。在制备涂层时一定要结合材料本身的熔点高低来决定空气压力大小。例如低熔点的材料就不必用过大的空气压力。否则会加快熔融态粒子的冷却速度，导致颗粒在未喷涂至基体时就提前凝固，从而在撞击基体表面后会反弹回来。相对的，在喷涂高熔点的材料时，则需要加大空气压力。不同材料的最佳雾化空气压力不同，要结合需求选择合适的雾化空气压力，不宜过高

29、过低。如果空气压力过低，会延长熔融态颗粒在空气中滞留的时间，颗粒在空气中飞行时间越长，其结晶凝固的速度也就越快，当喷射至基材表面时，动能过小。最终导致涂层组织稀疏，颗粒粗大，孔隙和氧化物增多。如果雾化空气压力过大，喷涂热源会受到干扰，涂层质量反而降低。此外某些涂层在较大空气压力下，会产生马氏体转变，会使涂层基体增大，补偿其喷涂后的收缩应力，降低变形。可以防止涂层开裂、脱落等现象。（4）喷涂距离喷涂距离是喷涂工艺中重要的一项，最终涂层的质量好坏与否与其有着密切关系。喷涂距离过大，相当于延长了熔滴在空气中的时间，更易被氧化。且熔滴分散，得到的涂层组织稀疏，孔隙与氧化物含量过高。距离过小又会使基体温

30、度升高，先喷射到涂层的颗粒还未充分凝固就被新的颗粒覆盖，导致涂层不均匀变形。在过大的热应力下，涂层很容易出现开裂、脱落等现象。在最佳的喷涂距离下，熔滴会获得合理的飞行速度与冲击力，在基材表面充分变形，提高结合强度，孔隙和氧化物含量降低。所以，一定要将喷涂距离控制在合理的范围内，以保证涂层质量。一般情况下，喷涂距离在一百五至二百毫米较好。（5）喷枪移动速度和喷涂角度在喷涂过程中，涂层与基材表面会因为金属熔滴的撞击而告知温度升高，如果热量在局部过度集中，会使热应力变大，使涂层脱离基材，出现开裂等现象。为了避免此现象，在保证电压、电流、空气压力及喷涂距离的同时，还需要以合理的速度反复移动喷枪，令涂层

31、较好的散热，以便获得良好质量的涂层。同时为了保证熔滴对基材表面有效的冲击，喷枪要与基材表面呈90角喷涂。此时颗粒的动能几乎全部转化为变形能，提高结合强度。2.5实验步骤本次实验采用的工艺参数如表2.2所示。表2.2 电弧喷涂工艺参数材料空气压力 MPa喷涂距离 mm电压V电流A4Cr130.51503420065Mn0.51503420008Mn2Si0.515032180一般来说,内孔涂层喷涂比普通平面喷涂除了喷涂设备体积的限制之外。喷涂过程中,由于涂层厚度均匀性不易控制,会导致应力分布也不均匀,容易造成涂层开裂。同时,随着涂层厚度的增加也会加剧涂层的开裂倾向。如图 2.5 所示,将进行过预

32、处理的铝套固定在可以自动旋转的花盘上;再将内孔喷涂装置的正负极与电源接通,实验选用 XDP-5 型电弧喷涂设备的电源,最后将压缩气体导管与内孔喷涂连接好。花盘开始旋转后,操作人员手持内孔喷涂装置沿铝套内壁表面进行相对运动开始喷涂操作。 图2.2 铝筒与旋转花盘固定喷涂过程中会出现电弧不稳定,有喷涂飞溅产生,这些问题会影响涂层质量。这都是设计和装置加工时需要额外重视的因素。但总体上,利用本装置制作出的内孔涂层效果还是不错的。图 2.3、图2.4 分别为喷涂操作过程中的图片和内孔涂层外观形貌。图2.3内孔喷涂操作图2.4图层外观形貌本实验得到的内孔喷涂涂层表面比较粗糙,需要将表面打磨成光面,这样才

33、能满足发动机汽缸的工作要求。涂层的厚度一般为 0.2mm0.5mm。第3章 涂层的组织分析3.1 4Cr13涂层的组织形貌及物相分析如图3.1所示，涂层较为致密，呈典型的层状结构。 扁平粒子变形充分，且粒子之间夹杂着氧化物，形状呈带状结构，如薄膜一样包围在粒子周围。同时涂层中还存在有少量的球形粒子，及未熔颗粒，粒子之间的孔隙清晰可见。由于这种材料中含有大量铬元素，喷涂过程中快速冷却形成了马氏体，增大了涂层的硬度，成为涂层的主要组织。a) 500 b)1000图3.1 4Cr13涂层的SEM照片由于喷涂过程中熔滴不断地在基体上堆叠，以及粒子的分散性，不可避免地在涂层中形成了孔隙。同时凝固也会产生

34、扁平粒子和氧化物体积的放大和收缩，导致粒子与粒子的边界有条状的孔隙包围。熔滴在喷涂过程中与空气反应还会生成氧化物，弥散在组织中。 3.2 H08Mn2Si的组织形貌及物相分析从图3.2中可以看到08Mn2Si涂层中灰色的带状为氧化物，分布在粒子边界，黑色区域为孔洞。从图中可以清楚地看到粒子边界和孔隙，氧化物分布在粒子的边界，呈现出长长的带状。从侧面观察多数为扁平片状，少数以椭圆状包裹在未熔粒子周围。孔隙大多分布在粒子与粒子的边界和氧化物脱落的地方，粒子内部的孔隙多数为近似圆形，同时氧化物包裹在孔隙周围。涂层中存在一些边界裂缝。a）500 b）1500图3.2 H08Mn2Si涂层的SEM照片在

35、涂层中发现了铁基氧化物，在铁基氧化物中，FeO相为面心立方密堆积结构，这种结构具有较低的剪切强度，在磨损时可以起到减磨的效果。因此，涂层中形成FeO氧化物可以有效的降低材料的摩擦系数，有助于增加材料的减摩性能。3.3 65Mn涂层的组织形貌及物相分析图3.3是放大500倍和1000倍的65Mn涂层的组织形貌，65Mn涂层组织比较致密，粒子扁平化状态基本上良好。但也有少量的喷涂粒子呈圆形或椭圆形，这可能是由于喷涂电流选择较大，单位时间内熔化的丝材较多，喷涂粒子颗粒变大，部分粒子温度偏低所造成的。但从整体上看，其组织的致密性良好，沉积层中孔隙很少，说明这种现象对组织的性能不会造成明显的影响。将沉积

36、层组织放大到1000倍后，可以看到沉积层中65Mn钢发生了预期的低温二次转变；同时组织中含有少量的白色相，呈颗粒状镶嵌在扁平化粒子的边界处，在扁平化粒子之间，还有一定量的片层状的组织存在，说明粒子在飞行过程中，表面还是存在较强烈的氧化作用。由图中可见，组织中含有一定量呈竹叶状的孪晶马氏体组织，但大部分二次结晶组织呈羽毛状，呈现出上贝氏体组织的形貌。a）500 b）1500图3.3 65Mn涂层的SEM照片第4章 涂层硬度及磨损试验4.1 涂层硬度涂层的耐磨性主要取决于涂层本身的硬度，与其实用性能息息相关，是衡量涂层质量的重要指标之一。影响涂层的硬度的因素有很多，比如喷涂材料的不同、组织上不同位

37、置的硬度差异、相结构等等。因为孔隙与氧化物的存在，使得涂层的组织并不均匀连续，导致涂层的硬度也并非均匀，可能不同位置的差别很大。所以涂层的显微硬度与的组织结构有很大的关系，通常上讲，喷涂形成的涂层组织越致密，则显微硬度越高，反之则越低。据研究表明，涂层有着比原始材料更高的硬度，这是由于喷涂材料的每一次熔化再凝固，都相当于是金属颗粒进行了一次热处理。涂层的相结构对涂层硬度也会产生一些影响，涂层相结构和原喷涂材料的相结构一般是不同的。在喷涂过程中，有些活泼金属元素材料会在飞行过程中发生氧化，熔融态粒子经常会与氧反应产生对应的氧化物。有些氧化物则会作为硬质相分布在涂层中，它们的存在对涂层硬度的提高有

38、着一定程度的影响。当然，此种作用也是有限的，如果涂层中的氧化物过多，孔隙率也会随之上升。涂层组织也会越发稀疏，粒子之间，粒子与基体之间的结合度变差，直接导致硬度的下降。本次试验中试样的涂层较薄，涂层厚度会对表面的宏观硬度有所影响。有些情况下，由于工程需要，会对喷涂后的涂层表面进行机械加工，这样的加工硬化同样会提高其硬度。本次试验采用的设备为HVS-1000型数显显微硬度计，在每个试样的横截面测量十次，最后各数据加和取平均值作为最终结果。由于灰铸铁试样中存在石墨组织，所以测量时需绕过石墨组织，减少无意义样本。试验时可以着重对涂层的基体和氧化物边界测量。但氧化物一般呈带状，且较薄，而探针尺寸较大，

39、测量时难免会受到干扰。试样的硬度数据如表3.1所示。加载为100g、保压时间10s。平均显微硬度从高到低分别为： 4Cr13、08Mn2Si、65Mn。能够发现，含碳量越多的涂层硬度越大。4Cr13涂层的硬度范围是126396HV0.1，08Mn2Si涂层的硬度范围是209255HV0.1，65Mn涂层的硬度范围是110434HV0.1，。低碳钢的08Mn2Si涂层本身较软，但氧化物较硬；与之相对的，高碳钢65Mn与不锈钢4Cr13，则是基体与边界硬度较大，又由于孔隙和氧化物存在于其边界，所以硬度分布呈现不规则状态。表4.1 涂层及灰铸铁截面显微硬度材料硬度值平均08Mn2Si22424225

40、5223236233209213241236231.265Mn423343346434330174327110417385329.94Cr13231317294126334300368332182396288.94.2 涂层的磨损试验4.2.1 实验设备发动机的主要失效形式为磨损失效。而发动机在正常状态下工作磨损量是很小的，当发生异常磨损时，磨损量可达正常磨损的几十倍甚至几百倍。异常磨损大多数是在气缸与活塞环摩擦副润滑不良的情况下发生干摩擦和摩擦副之间存在杂质颗粒时的磨粒磨损为主。本实验测试了各种涂层在无润滑条件与有润滑条件下与摩擦副发生的磨损情况。实验采用 MMU-5G 材料端面高温摩擦磨损

41、试验机。具体如图 4.1 所示：图4.1 MMU-5G磨损试验机MMU-5G 材料端面高温摩擦磨损试验机，主要用于在高温状态下以滑动摩擦的形式对端面、销盘等试样进行磨损性能的评定。可在改变负荷、速度、时间、摩擦配偶材料、表面粗糙度、硬度、试验环境温度等各种参数情况下进行试验。该试验机具有摩擦副扩展空间，可采用端面与销盘两种形式。可实时采集试验数据并可绘制相应的试验曲线，可任意存储、调阅、打印输出试验数据或曲线。4.2.2 实验步骤打开试验机，试验机开机通电半小时以上才能进行试验。将准备好的试样拿丙酮清洗油污，在用精密天平测量销试样的重量。操作方法是：用两手轻轻按住试环两边，两手交替向下轻轻按动

42、，凭手感判断是否平整。然后转 90 度方向再次检查。如不平整，检查试样加工精度及清理副盘内脏物。开始试验。在测控软件主页面上，输入试验力、转速、时间等参数。更改参数时，单击各个区域设定值后面的文本框即可弹出参数输入对话框。试验时间选择“分”。转数设定值为 0 时，表示试验不受转数限制，只根据试验时间来来判定停机。打开油泵开，预热 10 分钟左右，装上挡屑盘。单击右下角启动加载键，正常情况下活塞会自动上升，在活塞上升过程中对试验力清零，当上下试样接触时试验力会显示一小力值。然后打开冷却水源电源，确保冷却水源正常工作。连接摩擦力接头，单击摩擦力距单元的清零键，对摩擦力矩进行清零。选择摩擦形式，单击

43、主轴转数与转速单元启动键启动电机，开始试验。试验达到时设定试验时间时，设定值右边警示灯变为红色，设备自动停机。单击红色警示灯下方复位按钮，弹出数据保存对话框。试验结束后，单击试验力单元卸载键，试验力将自动卸载到限位值。进行下一次实验室重复以上操作。每种涂层测量三次。最后称其磨损后销的质量。4.2.3 载荷50N下干摩擦10min（1）摩擦系数及失重四种试样的磨损结果如表4.2所示，由于在此种条件下容易出现粘着磨损，因此试样与销的失重均需要测量。从表中可以看出，干磨的条件下，本身硬度越高，耐磨性越好的涂层越体现出优势， 在试盘的失重对比上，4Cr13与65Mn涂层均要低于灰铸铁，而08Mn2Si

44、涂层失重最高。从摩擦系数结果上分析，灰铸铁与08Mn2Si几乎一样，4Cr13与65Mn比灰铸铁高，表明在干磨状态下，仅仅靠涂层中氧化物所带来的的减磨程度不如灰铸铁中的石墨。表4.2 干磨损试验结果材料08Mn2Si4Cr1365MnHT摩擦系数0.5160.5500.6460.481盘失重25.06.66.910.5销失重16.510.45.94.3（2）试样磨痕的观察各试样的磨损后的磨痕形貌经金相显微镜拍摄后如图4.2、图4.3所示，可以发现，08Mn2Si涂层的表面发生了磨粒磨损，可能是由于涂层中氧化物的分离使得表面出现了擦伤，加重了其磨损。此外，在磨损试验中，发现08Mn2Si的涂层表

45、面出现了黑色石墨粉末，同时伴有白色氧化物颗粒从表面分离，这是由于涂层内部的FeO与销中的石墨经过磨损后发生了脱落。在减磨效用的分析上，涂层中的孔隙以及机械加工后产生的开孔，可以保留石墨和细微磨粒，降低涂层的磨粒磨损。同时涂层表面粘着的一层石墨也可以起到有效的减磨作用。a) 08Mn2Si b) 4Cr13c) 65Mn 图4.2磨痕金相照片a) 08Mn2Si b) 4Cr13 c) 65Mn 图4.3磨痕金相照片4.3.4 载荷50N浸油磨损2小时（1）摩擦系数及失重四种试样的磨损结果如表4.3所示，三种铁基涂层的摩擦系数均低于灰铸铁，且4Cr13的摩擦系数最低，失重也最小，体现了良好的摩擦

46、性能。在此种条件下，组织越是致密，粒子间结合越是紧凑的涂层越是能保证氧化物的结合强度，从而体现更好的摩擦性能。对比干摩擦的试验结果，不难看出，在油液润滑的情况下，铁基涂层的摩擦性能开始体现出优势。孔隙的存在对于储油和减小摩擦系数起到了明显的作用。表4.3 载荷50N时的磨损试验结果材料08Mn2Si4Cr1365MnHT摩擦系数0.0430.0260.0310.059失重/mg4.13.08.26.1（2）试样磨痕的观察图4.4、图4.5为各试样磨痕的金相显微照片，磨损方式均为磨粒磨损，其中涂层最为致密的4Cr13磨损最轻，08Mn2Si最为严重，说明涂层粒子之间的结合度与孔隙及氧化物的数量成

47、反比。从图3.4的摩擦系数-时间曲线图来看，所有试样的摩擦系数均为略下降或稳定趋势。结合金相照片可以发现，磨痕中夹杂大量孔隙与沟槽，在油液润滑的条件下，孔隙对于储存油液有很大帮助，经过试验的进行油液缓慢浸入到孔隙与沟槽中，形成的油膜还可以减小摩擦副的直接接触面积，起到了降低摩擦系数的作用。 a) 08Mn2Si b) 4Cr13c)65Mn图4.4磨痕金相照片a) 08Mn2Si b) 4Cr13c) 65Mn图4.5 金相磨痕观察4.3.5 载荷200N浸油磨损2小时（1）摩擦系数及失重四种试样的磨损结果如表4.4所示。从图中的数据可以发现，在高载荷的情况下，三种图层的摩擦系数反而要低于50

48、N磨损实验下的结果，而且孔隙率最高的08Mn2Si涂层的摩擦系数降低的幅度最高，说明在降低磨损的因素中，孔隙的存在使得涂层更易储存住油液，对改善摩擦性能起到是至关重要的作用。但是在三种铁基涂层中，仍然是4Cr13摩擦系数最低。说明在衡量涂层的摩擦性能问题上，孔隙的储油效果和材料本身的耐磨性要整体考量。从失重上分析，失重的多少依然与涂层材料本身的硬度息息相关，硬度较低的08Mn2Si涂层失重很大、不及硬度较高的4Cr13与65Mn涂层。从耐磨角度出发，4Cr13涂层最为优秀。表4.4 载荷200N时的磨损试验结果材料08Mn2Si4Cr1365MnHT摩擦系数0.0110.0090.0150.0

49、15失重/mg6.01.83.04.3（2）试样磨痕的观察各磨损试样在SEM下的磨损照片如图4.6所示。从图中可以发现，涂层中的孔隙在加工后会在表面形成开孔，同时由于机械加工本身的切削应力，也会留下类似的微坑结构。由于各涂层表面的磨痕均匀连续，磨损后带来的沟槽也明显减少，这使得涂层的减磨机制发生了变化，涂层中孔隙储油效及氧化物的存在，此时对降低涂层摩擦系数起到了重要的作用。a) 08Mn2Si b) 4Cr13c) 65Mn 图4.6磨痕照片观察4.4 涂层横截面的观察本次试验的三种涂层及灰铸铁试样的横截面如图4.7所示，从基体与涂层的边界情况可以看到结合良好，无开裂现象。由于磨损试验的需要，

50、需要对涂层上表面的粗糙度有一定要求，所以喷涂后的涂层要经过磨床加工。加工的涂层厚度如表4.5所示。表4.5 涂层厚度涂层材料4Cr1308Mn2Si65Mn涂层厚度m206.34261.26410.25a) 08Mn2Si b) 4Cr13 c) 65Mn图 4.7 磨痕侧面金相图片4.5 小结通过以上的磨损实验数据发现，在50N轴向力、干磨损的条件下，涂层耐磨性的高低主要由材料本身的硬度决定，且涂层组织越致密、耐磨性越好。同时孔隙的存在起到了保留石墨的效果，一定程度上减小了摩擦系数。在载荷50N，浸油磨损的条件下，磨损方式属于边界润滑。孔隙与氧化物的形态、数量及分布直接影响摩擦系数。在氧化物

51、或粒子脱离之前，既磨损方式未达到磨粒磨损时，孔隙的储油效应也会适当的起到减磨作用，且涂层中的氧化物也会起到支撑作用，增强涂层的耐磨性。在载荷200N，浸油磨损的条件下，三种铁基涂层的摩擦性能均表现良好。在试验的开始阶段，由于磨损造成犁沟对储存油液有着重要的作用。但随着实验时间的推移，这些沟槽逐渐减少甚至消失，这时孔隙与氧化物的存在渐渐开始起主要减磨作用，减磨是二者的同时作用。第5章 结论采用XDP型电弧喷涂器，在适当的喷涂工艺参数下，成功制备三种铁基涂层材料。且分别在油液润滑及干摩擦条件下测试了涂层的摩擦性能。经过各项数据对比及金相照片分析。得出以下结论：（1）涂层组织均为扁平粒子堆叠在基体上

52、，粒子之间夹杂着带状氧化物；还存在一些未熔颗粒、孔隙和裂缝。孔隙多与带状氧化物一起，分布在粒子的边界，只有少量近似圆形的孔隙分布在粒子内部。其中4Cr13与65Mn涂层中还存在着有马氏体组织，这对涂层的耐磨性能有很大帮助。X射线衍射分析结果表明：三种涂层中均存在FeO氧化物。 （2）三种涂层中08Mn2Si涂层的孔隙率最高，4Cr13涂层的孔隙率最低。从涂层截面角度观察，所有涂层中的等轴与非等轴孔隙比例最大，缝隙状孔隙最少。从涂层表面角度观察，多为大孔径孔隙在缝隙状孔隙下互相连通。从空间角度上推测，因为涂层是由扁平粒子互相堆叠而成，所以会呈现类似拓扑结构。但由于熔滴在液相状态下会对孔隙有一定的

53、补足，因此孔隙之间不会出现大范围的连通。利用渗透剂模拟油液的渗透试样表明了孔隙对液体的渗透效果良好，说明缸体内壁的涂层在工作时，涂层中的孔隙会持续起到储油作用。（3）硬度较大的涂层，对应的耐磨性能也越好。摩擦系数方面，三种涂层均高于灰铸铁，说明此时涂层中氧化物对于减磨所起到的作用要小于灰铸铁中的石墨。（4）在轴向力50N和200N、浸油润滑条件下，所有试样的均为流体摩擦;主要的磨损方式为磨粒磨损。对比各项数据可以发现，4Cr13涂层不但摩擦系数最小，且失重最少。由于4Cr13涂层本身的高硬度，加之孔隙结构与氧化物的存在，使其无论在干、湿摩擦或高、低载荷下的摩擦性能，均表现良好。参考文献1蔡其刚

54、.铝合金在汽车车体上的应用现状及发展趋势探讨，化工与材料，2009(1)：2829.2李艳萍，张治民，李保成.铝合金在汽车工业中的应用与展望，铝加工，2007(1)：2324.3钱人一.轿车发动机机体的轻量化技术，汽车工艺与材料，2006(6)：14.4孙廷富，李进军，郭珉等.高硅铝合金缸套的研制，兵器材料科学与工程，2010，33(1)：6063.5梁红玉.微纳米晶高Si铝合金材料制备工艺及组织形成机理研究：（硕士学位论文）.上海上海大学，2006.6孙廷富，郭珉，辛海鹰等.高硅铝合金缸套材料摩擦磨损性能研究，车辆与动力技术，2007(2)：1418.7黎樵燊，朱又春.金属表面热喷涂技术.北

55、京：化学工业出版社, 2009. 813.8小林译.在铝制发动机缸体喷涂铸铁，产品与技术，1997：1011.9李晨希，何世海，刘政军等.金属材料及其成形性能.北京：化学工业出版社，2007. 128133.10郦振声, 杨明安, 钱翰城等.现代表面工程技术.北京：机械工业出版社, 2007. 207215.11樊自拴, 孙冬柏, 俞宏英等.等离子喷涂制备铁基非晶-纳米复合涂层，北京科技大学学报, 2005(5): 582585.12华绍春，王汉功，汪刘应等.热喷涂技术的研究进展，金属热处理，2008，33(5)：8287.13武建军，曹晓明，温鸣.现代金属热喷涂技术.北京：化工工业出版社，2

56、007. 1925.14钱强，刘克勇，俞韶华.热喷涂技术在国内外的应用(2)，焊接，1999(5)：69.15钱强，刘克勇，俞韶华.热喷涂技术在国内外的应用(1)，焊接，1999(4)：47.16董允，张廷森, 林晓娉.现代表面工程技术.北京：机械工业出版社, 1999. 109110.17饶琼，周香林，张济山等.超音速喷涂技术及其应用，热加工工艺，2004(10)：4952.18钱苗根, 姚寿山，张少宗.现代表面技术.北京：机械工业出版社, 1999. 128130.19何洪泉，王峰, 张玉兰.热喷涂系列综述之一:等离子喷涂，山东陶瓷, 2005(6): 1417.20杜小红.电弧喷涂技术在

57、中国的发展和应用，表面技术, 2000(5): 2123.21秦颢.电弧喷涂丝材在我国的新进展，焊接,2001 (12)：57.22徐滨士.再制造工程基础及其应用.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005. 122154.23徐滨士, 马世宁.优质高效电弧喷涂技术的应用和发展，表面工程, 1996，33(4): 714.24王艳燕.电弧喷涂马氏体不锈钢涂层的组织与性能研究：（硕士学位论文）.沈阳：沈阳工业大学，2009.25张小辉，刘正电弧喷涂参数优化及涂层磨损性能试验研究，沈阳航空工业学院学报，2008，25(3)：2326.26袁子良.电弧喷涂工艺及喷涂涂层的性能研究：（硕士学位论文）.武汉：武汉大学，2004.27刘宪军，徐滨士，马世宁等.2mm丝材电弧喷涂系统的工艺参数和涂层性能研究，表面工程，1997(2)：2834.28伞金福，杜智，毕志夫.电弧喷涂不锈钢工艺对涂层组织及碳烧损量的影响，材料保护，1998，31(10)：36.29许思勇，李晖云，张永俐.电弧喷涂技术的发展及应用，云南冶金，2002，31(3)：15.30孙一唐.金相实验室.北京：冶金工业出版社，1960. 605615.26