阅读说明：本技术 用于内燃机气缸的涂层材料及其制备方法和内燃机气缸 (Coating material for internal combustion engine cylinder, preparation method thereof and internal combustion engine cylinder ) 是由 薛卫昌 赵晓兵 陈煌 刘洋 于 2019-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于内燃机气缸的涂层材料及其制备方法和内燃机气缸,用于内燃机气缸的涂层材料的组分及各组分质量百分比如下：钼或氧化铝：1%~40%；余量为铁基合金,总计100%。用此涂层材料形成的表面呈具有很好的耐腐蚀性能、极佳的硬度和特别在不同温度区域同时具有极佳的摩擦性质。(The invention discloses a coating material for an internal combustion engine cylinder, a preparation method thereof and the internal combustion engine cylinder, wherein the coating material for the internal combustion engine cylinder comprises the following components, by mass, 1% ~ 40% of molybdenum or aluminum oxide and the balance of iron-based alloy, wherein the mass percentage of the components is 100%.)

用于内燃机气缸的涂层材料及其制备方法和内燃机气缸

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机气缸的涂层材料及其制备方法和内燃机气缸。

背景技术

目前，随着人们节能减排意识的提高，汽车轻量化成为汽车行业关注能源问题的重要方法之一。使用铝合金发动机代替原有的铸铁发动机降低了整车的重量，减少了燃油的消耗和废气的排放，但是随之而来的问题是发动机气缸机械强度和耐磨性不够，不能够满足使用要求，使用热喷涂技术制备高强度、耐磨性优良的涂层可以解决这些问题。发动机气缸套的耐磨性能是衡量一台发动机运行可靠性和持久性的重要依据，降低活塞与缸体之间的摩擦系数，是实现发动机的可靠性与延长其使用寿命的关键因素。

作为用于气缸运行表面的可能材料，以前已知可使用钛酸铁(FeTiO₃)，也被称为钛铁矿。在公告号为UA74987C2的乌克兰专利中已提出通过热喷涂方法形成耐腐蚀涂层的钛铁矿喷涂材料。在申请号为WO2004/106711的国际申请专利中，申请人提出用钛铁矿部分地与其他金属陶瓷材料和/或氧化物组合作为超负荷发动机气缸运行表面涂层所用的喷涂材料。然而，这些涂层不是为高强波动温度负荷增加摩擦需要设计的，而主要是为了改善涂覆表面的硬度和耐腐蚀性设计的。在公告号为CN 102086499 B的中国专利中，申请人提出一种包含ZnO固体润滑剂的喷涂材料，但锌材料对人体和环境具有一定的危害性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种用于内燃机气缸的涂层材料，用此涂层材料形成的表面具有很好的耐腐蚀性能、极佳的硬度和特别在不同温度区域同时具有极佳的摩擦性质。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种用于内燃机气缸的涂层材料，它的组分及各组分质量百分比如下：

钼或氧化铝：1％～40％；

余量为铁基合金，总计100％。

进一步，所述铁基合金的化学成分及其质量百分比为：

Cr：8～13％；

B：0.5～4％；

Si：0.5～4％；

Mo：0～4％；

余量为铁，总计100％。

进一步，涂层材料的组分及各组分质量百分比如下：

钼：20％；

铁基合金：80％。

进一步，涂层材料的组分及各组分质量百分比如下：

氧化铝：15％；

铁基合金：85％。

本发明还提供了一种内燃机气缸，它具有涂层材料制成的喷涂涂层。

本发明还提供了一种用于内燃机气缸的涂层材料的制备方法，方法的步骤中含有：

将各质量百分比的组分混合后球磨或研磨。

进一步，涂层材料的组分及各组分质量百分比如下：

氧化铝：1％～40％；

余量为铁基合金，总计100％；

方法的步骤中含有：

将各质量百分比的铁基合金粉末和氧化铝粉末混合，得到混合粉末；

将混合粉末和球磨珠按质量比放入球磨罐中，在球磨罐中加适量无水乙醇将混合粉末搅拌至稠状；

然后进行球磨，球磨后将粉末烘干、研磨并过筛去除大颗粒，得到铁基合金和氧化铝的最终混合粉末。

进一步，混合粉末和球磨珠的质量比为1:1.5。

采用了上述技术方案后，本发明的喷涂材料用于气缸运行表面，喷涂材料可以制成粉末形式或喷涂丝材或药芯焊丝的形式，材料可优选用热喷涂方法或等离子喷涂方法，使用该新的喷涂材料产生热喷涂涂层，所述热喷涂涂层特别在不同温度区域同时具有极佳的摩擦性质，特别适用于内燃机汽缸的运行表面。用此喷涂材料形成的表面层具有足够的耐腐蚀性，具有极佳的硬度，并且喷涂层也很容易用珩磨等机械加工。

附图说明

图1为本发明的实施例一中的喷涂涂层的微观形貌图；

图2为本发明的实施例四中的喷涂涂层的微观形貌图。

具体实施方式

本发明提供了一种用于内燃机气缸的涂层材料及其制备方法和内燃机气缸，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都属于本发明保护的范围。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

一种用于内燃机气缸的涂层材料，它的组分及各组分质量百分比如下：

钼或氧化铝：1％～40％；

余量为铁基合金，总计100％。

进一步，所述铁基合金的化学成分及其质量百分比为：

Cr：8～13％；

B：0.5～4％；

Si：0.5～4％；

Mo：0～4％；

余量为铁，总计100％。

在本发明的一个较佳实施例中，涂层材料的组分及各组分质量百分比如下：

钼：20％；

铁基合金：80％。

在本发明的另一个较佳实施例中，涂层材料的组分及各组分质量百分比如下：

氧化铝：15％；

铁基合金：85％。

本发明还提供了一种内燃机气缸，它具有以上涂层材料制成的喷涂涂层。

本发明还提供了一种内燃机气缸的涂层材料的制备方法，方法的步骤中含有：

将各质量百分比的组分混合后球磨或研磨。

在本发明的一较佳实施例中，涂层材料的组分及各组分质量百分比如下：

氧化铝：1％～40％；

余量为铁基合金，总计100％；

用球磨法制备铁基合金和氧化铝混合粉末，由于氧化铝粉末流动性不好，且氧化铝粉末密度与铁基粉末密度相差较大，采用湿法球磨工艺制备混和粉末。

具体方法的步骤中含有：

将各质量百分比的铁基合金粉末和氧化铝粉末混合，得到混合粉末；

将混合粉末和球磨珠按质量比放入球磨罐中，在球磨罐中加适量无水乙醇将混合粉末搅拌至稠状；

然后使用行星式球磨机球磨2小时，球磨后将粉末烘干、研磨并过筛去除大颗粒，得到铁基合金和氧化铝的最终混合粉末。

进一步，混合粉末和球磨珠的质量比为1:1.5。

本发明的喷涂材料用于气缸运行表面，喷涂材料可以制成粉末形式或喷涂丝材或药芯焊丝的形式，材料可优选用热喷涂方法或等离子喷涂方法，使用该新的喷涂材料产生热喷涂涂层，所述热喷涂涂层特别在不同温度区域同时具有极佳的摩擦性质，特别适用于内燃机汽缸的运行表面。用此喷涂材料形成的表面层具有足够的耐腐蚀性，具有极佳的硬度，并且喷涂层也很容易用珩磨等机械加工。

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

一种用于内燃机气缸的涂层材料，它的组分及各组分质量百分比如下：

钼：20％；

铁基合金：80％。

其中，所述铁基合金的化学成分及其质量百分比为：

Cr：8％；

B：0.5％；

Si：0.5％；

余量为铁，总计100％。

铁基合金和钼的复合材料采用直接的机械混合方法，按质量比称量铁基粉末和钼粉，并放入研磨罐中混合2小时。

将以上制备得到的涂层材料采用热喷涂方法或等离子喷涂方法涂覆于内燃机气缸运动表面，形成的喷涂涂层的微观形貌图见图1。

实施例二

本实施例的用于内燃机气缸的涂层材料以及其制备方法基本与实施例一相同，不同是：在本实施例的用于内燃机气缸的涂层材料中，钼：30％；铁基合金：70％。

将以上制备得到的涂层材料采用热喷涂方法或等离子喷涂方法涂覆于内燃机气缸运动表面，形成喷涂涂层。

实施例三

本实施例的用于内燃机气缸的涂层材料以及其制备方法基本与实施例一相同，不同是：在本实施例的用于内燃机气缸的涂层材料中，钼：40％；铁基合金：60％。

将以上制备得到的涂层材料采用热喷涂方法或等离子喷涂方法涂覆于内燃机气缸运动表面，形成喷涂涂层。

实施例四

一种用于内燃机气缸的涂层材料，它的组分及各组分质量百分比如下：

氧化铝：15％；

铁基合金：85％。

其中，所述铁基合金的化学成分及其质量百分比为：

Cr：13％；

B：4％；

Si：4％；

Mo：4％；

余量为铁，总计100％。

用球磨法制备铁基合金和氧化铝混合粉末，由于氧化铝粉末流动性不好，且氧化铝粉末密度与铁基粉末密度相差较大，采用湿法球磨工艺制备混和粉末。

具体方法的步骤中含有：

用球磨法制备铁基合金和氧化铝混合粉末，首先按质量比称量铁基合金粉末和氧化铝粉末并混合，然后将混和粉末和球磨珠按1:1.5的质量比放入球磨罐中，向球磨罐中加适量无水乙醇将粉末搅拌至稠状，最后使用行星式球磨机球磨2小时后将粉末烘干、研磨并过筛去除大颗粒，得到铁基合金和氧化铝的最终混合粉末。

将以上制备得到的涂层材料采用热喷涂方法或等离子喷涂方法涂覆于内燃机气缸运动表面，形成的喷涂涂层的微观形貌图见图2。

实施例五

本实施例的用于内燃机气缸的涂层材料，它的组分及各组分质量百分比如下：

氧化铝：25％；

铁基合金：75％。

进一步，所述铁基合金的化学成分及其质量百分比为：

Cr：10％；

B：2％；

Si：2％；

Mo：2％；

余量为铁，总计100％。

本实施例的涂层材料的制备方法与实施例四相同。

将以上制备得到的涂层材料采用热喷涂方法或等离子喷涂方法涂覆于内燃机气缸运动表面，形成喷涂涂层。

实施例六

本实施例的用于内燃机气缸的涂层材料，它的组分及各组分质量百分比如下：

氧化铝：35％；

铁基合金：65％。

进一步，所述铁基合金的化学成分及其质量百分比为：

Cr：10％；

B：2％；

Si：2％；

Mo：2％；

余量为铁，总计100％。

本实施例的涂层材料的制备方法与实施例四相同。

将以上制备得到的涂层材料采用热喷涂方法或等离子喷涂方法涂覆于内燃机气缸运动表面，形成喷涂涂层。

对比例一

本对比例全部采用铁基合金作为涂层材料的组分喷涂于内燃机气缸表面，得到喷涂涂层。

对比例二

本对比例的用于内燃机气缸的涂层材料以及其制备方法基本与实施例一相同，不同是：在本对比例的用于内燃机气缸的涂层材料中，钼：50％；铁基合金：50％。

将以上制备得到的涂层材料采用热喷涂方法或等离子喷涂方法涂覆于内燃机气缸运动表面，形成喷涂涂层。

对比例三

本对比例的用于内燃机气缸的涂层材料以及其制备方法基本与实施例四相同，不同是：在本对比例的用于内燃机气缸的涂层材料中，氧化铝：45％；铁基合金：55％。

将以上制备得到的涂层材料采用热喷涂方法或等离子喷涂方法涂覆于内燃机气缸运动表面，形成喷涂涂层。

对实施例一至实施例六以及对比例一至对比例三分别得到的喷涂涂层进行气孔率测试，其结果如表一：

表一：孔隙率对照表

由表一可以看出，铁基合金涂层的孔隙率很小，是因为铁基合金中掺入了适量的硼、硅元素，硼、硅元素可与铁、镍形成低熔点共晶，使它们的熔点显著降低，扩大合金固液相温度区间，合金在熔融过程中具有良好的流动性和对基体表面良好的润湿性，得到的涂层孔隙率相对较低。Al₂O₃和Mo会适当提高涂层的气孔率，涂层中的孔洞虽然在频繁的摩擦行为中，容易造成涂层开裂或脱落，然而涂层中孔隙对于改善涂层的摩擦磨损性能也能起到很好的作用。因为在摩擦过程中，涂层中的孔隙可以起到储存润滑油的作用，对于降低涂层的摩擦系数非常有利。同时孔隙还可以暂存摩擦过程中产生的磨屑，避免由于磨屑造成的磨粒磨损的二次划伤，提高涂层的耐摩擦磨损性能。但当钼或氧化铝的含量超过40％时，气孔含量超过8％，气孔率太高容易造成涂层的脱落。

对实施例一至实施例六以及对比例一至对比例三分别得到的喷涂涂层进行硬度测试，其结果如表二：

表二：喷涂涂层显微硬度对照表

由表二可知，金属钼和氧化铝陶瓷作为硬质相掺杂到铁基合金中效果明显。向铁基合金粉末中掺杂20％金属Mo后，涂层硬度增加30.5％，涂层硬度达到788.08HV；向铁基合金粉末中掺杂15％Al₂O₃陶瓷粉末使涂层硬度提高12.1％，涂层硬度为677.11HV；其余详细数据看表二。

对实施例一至实施例六以及对比例一至对比例三分别得到的喷涂涂层进行结合强度测试，其结果如表三：

表三：喷涂涂层的结合强度对照表

由表三可知，向铁基合金中掺杂高熔点金属钼和氧化铝陶瓷可降低涂层在制备时产生的热应力，提高涂层结合强度。Fe+20％Mo涂层相比于Fe涂层结合强度增大了44.3％，Fe+15％Al₂O₃涂层相比于Fe涂层结合强度增大了49.1％。加入含量不大于40％的Mo或Al₂O₃后涂层的结合强度都超过30MPa，基本能满足应用于发动机气缸内壁的要求。Mo和Al₂O₃的含量大于40％后，涂层结合强度降低，主要是因为涂层的气孔率较高，结合力下降。

对实施例一至实施例六以及对比例一至对比例三分别得到的喷涂涂层进行磨损性能测试，其结果如表四：

表四：各涂层的磨损量与磨损率对照表

由表四可知各涂层的磨损量和磨损率，耐磨性是材料的硬度、韧性、互溶性、耐热性、耐蚀性等的综合性质。在分析涂层的显微硬度时知道，在Fe合金中掺杂20％金属Mo时，涂层的显微硬度分别增大了30.5％，与此对应的是进行摩擦磨损试验时，涂层的磨损率从5.64×10^-3mg·m^-1降低到4.78×10^-3mg·m^-1。在Fe基合金中掺杂15％Al₂O₃陶瓷后，涂层的显微硬度增大了12.1％，摩擦系数降低了64.8％，涂层的显微硬度增大，摩擦系数降低，致使其磨损率降低到1.46×10^-3mg·m^-1。Mo或Al₂O₃的含量超过40％后，涂层磨损率有所升高，主要是因为其气孔较多、结合强度较低造成。

综上所述，本实施例一至实施例六制备得到的喷涂涂层具有很好的耐腐蚀性能、极佳的硬度和特别在不同温度区域同时具有极佳的摩擦性质。

以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。