活塞环表面等离子喷涂强化及耐磨性能的研究
刘稳善，张天明，惠记庄
柴油机
关键词：活塞环；等离子喷涂技术；耐磨性能
摘 要：采用等离子喷涂技术，在活塞环表面喷涂一层Mo+28%NiCrBSi复合材料，并对复合材料涂层的金相组织、硬度、抗咬死和耐磨性进行了实验研究。结果表明采用等离子喷涂工艺制备的Mo+28%NiCrBSi复合材料涂层具有良好抗咬死性及耐磨性，是目前理想的活塞环涂层。
1 前 言
活塞环与缸套这对摩擦副的工况严酷，易磨损，消耗了内燃机25%～50%的摩擦力。所以活塞环性能的好坏直接影响到内燃机使用的可靠性和经济性。而它的设计基本点定型，润滑状况又无法改善。所以，提高摩擦磨损性能的唯一途径是改变材质。摩擦磨损是属于表面现象，故不少学者认为表面处理是提高活塞环耐磨性能最为有效、最为经济的一种方法。
等离子喷涂技术以其等离子体火焰温度高，焰流速度快，喷涂时对工件的热影响小等众多优点，在耐磨损涂层方面得到广泛的应用。钼是一种金属活性不高的难熔金属（熔点2625℃），耐热性好，在常温下，化学性质稳定，同时在边界润滑条件下，钼涂层表现出极好的耐磨性，有着优异的耐粘着磨损以及良好的抗咬合性能；但在高载荷时，涂层的抗磨损不能满足要求。因此，为了兼顾抗咬合性和耐磨性的要求，研制开发出Mo+28%NiCrBSi等离子喷涂层。该涂层用于工程机械、汽车等零件的喷涂，如涡轮、齿轮、曲轴、活塞环等都收到了较好效果。并通过实验对Mo+28%NiCrBSi复合材料等离子喷涂层的性能进行了较系统的研究，测试其硬度、耐磨性能、抗咬合性能，并通过观察分析复合材料等离子喷涂层的微观组织，探讨了复合离子喷涂层的强化机制，认为等离子喷涂Mo+28%NiCrBSi是理想的活塞环和同步齿轮涂层。
2 试验方法及材料
2.1 材料
我们选用了安庆活塞环厂生产的的钒钛铸铁活塞 环 作 基 材 ， 在 上 面 等 离 子 喷 涂 一 层Mo+28%NiCrBSi 复合耐磨层，为了比较其耐磨性，抗咬死性能，用硬铬镀层活塞环作对比，配磨件一律采用硼铸铁缸套。
2.2 等离子喷涂工艺
a. 化学清洗：包括碱洗－水洗－酸洗－水洗－干燥，彻底清除表面油污；b. 表面粗化：选用840μm和160μm棕刚玉砂进行喷砂处理，这样可以除去基体表面的油污和氧化皮，使适合粘接的新鲜表面露出来，改进涂层与基体的结合强度；c. 等离子喷涂参数：采用国产GDP-80等离子喷涂机，喷涂前用等离子火焰对工件预热，基体温度为200℃为佳；喷涂功率30～60kW；喷涂距离70～140mm；喷涂气流轴线向喷涂面座保持60～120℃的角度，移动速度0.05～0.2m；工作面涂层厚度0.5～0.8mm。
2.3 喷涂层显微组织及硬度测定
用TTMT-3型显微硬度计测量不同温度下的涂层硬度。加载1N、时间30s、用国产TSM-2 型台式扫描电镜观察组织并拍照。
2.4 抗咬合试验及耐磨实验
磨损试验和抗咬试验在国产MM200型磨损机上进行，试样尺寸和试验规范如图1所示。
上试样为经等离子喷涂Mo+28%NiCrBSi 处理，或安庆活塞环厂的钒钛铸铁活塞环，对磨试样是经淬火、低温回火处理的GCr5 钢，硬度HRC60-61。磨损试验正压力245N，采用20号机油滴油（每分钟30～40 滴润滑），上试样固定，对磨试样转速为400r/min，摩擦速度0.52m/s。用感量为0.1mg的光电分析天平间断测量出不同摩损时间的失重，最后作出磨损时间－失重量磨损特性曲线。咬合试验正压力为750N，对磨试样转速为400r/min，自动记录摩擦时间——摩擦力矩线，以摩擦力矩开始明显增大，即开始出现咬合时的摩擦时间长短来对比咬合性能。
3 试验结果及分析
3.1 喷涂层的显微组织
从图2 可看出涂层的显微组织比较均匀一致，与基体结合很好，无结合缺陷，涂层中有少量孔隙，从图3 X 射线图得知，喷涂层中的组织主要是由Y-Ni与a-Fe组成，还会有少量的Cr2O3与NiCr2O4。白色组织为Y-Ni与a-Fe，黑色为孔隙，灰色（乳白色) 的为合金粉在喷涂过程中生成的少量氧化物Cr2O3与NiCr2O4。扩散后喷涂层组织与原喷涂层组织变化不大。从照片中可以得出涂层与基体之间无明显的扩散层，原因是粉末中含 N i 比较多，工件在很高的温度(800℃)下，强度都不会发生太大变化，说明这种涂层具有较高的稳定性。
3.2 喷涂层的硬度
由图4 可知，喷涂层在200℃以下，无明显变化，当热处理温度接近400℃，硬度上升迅速，喷涂层的硬度随着热处理温度升高而增加；800℃以上略有下降。由图5 可知喷涂层在400℃以下热处理，10min 内硬度迅速上升至HV0.01/1100 左右，3h后硬度值保持平稳。在较高温度下热处理，随着时间的延长其硬度值都不会发生变化，说明喷涂层具有较高的热稳定性，这种较好的耐高温性是硬铬镀层无法比拟的，这对于润滑条件差、环境恶劣、容易过热、易腐蚀的动配合件有其独到之处，这正是内燃机活塞环所要求的。
3.3 喷涂层的抗咬合性能及耐磨性
从图6可以看出，经Mo+28%NiCrBSi喷涂处理后的试样比经硬铬镀层处理后的试样，达到最大摩擦力矩的时间长，因此抗咬合性能好。
由实验可知，摩擦系数开始达到稳定状态的时间钒钛铸铁为180min，Mo+28%NiCrBSi等离子喷涂层为90min，硬铬镀层为150min。稳定状态下的摩擦系数，钒钛铸铁为0.110，Mo+28%NiCrBSi 等离子喷涂层为0.089，硬铬镀层为0.101。
由图7可知Mo+28%NiCrBSi等离子喷涂层耐磨性大大高于硬铬镀层，钒钛铸铁耐磨性明显低于硬铬镀层。主要原因是，钼是一种金属活性不高的难熔金属，耐热性好，在常温下化学性质稳定。同时在边界润滑条件下，钼涂层表现出极好的耐磨性，有优异的耐粘着磨损性能。采用等离子喷涂钼时，钼处于氢气的保护气氛下，氧化程度大大降低，仅在沉积后表面有部分氧化，有利于多次喷涂，而且等离子功率大，火焰集中，钼粉处于熔化状态，涂层结合孔隙率低，涂层质量优异稳定。喷钼涂层在有润滑性的条件下有良好的抗咬死性，并可以承受瞬时的摩擦高温。涂层中的NiCrBSi合金硬度高，有优良的耐磨粒磨损性能，因而改变了涂层高载荷下的耐磨损性能；同时喷涂层固有的孔隙有储存润滑油的效果，当处于临界润滑状态时，因摩擦高温使孔隙中的润滑油膨胀，并沿孔隙外溢，起到了良好的润滑调节作用，因而耐磨性好。Mo+28%NiCrBSi涂层是目前理想的活塞环涂层。
4 结 论
a. 灰铸铁活塞环经等离子喷涂强化，涂上一层Mo+28%NiCrBSi复合材料，在相同工况下摩擦系数从原来的0.110降低到0.089。从而降低内燃机摩擦功的消耗，有利于提高内燃机的效率和节省能源；
b. Mo+28%NiCrBSi涂层具有优良的耐热性和抗咬合性能。稳定阶段的磨损量仅为硬铬镀层的1/3，而且随着载荷的变化，不像硬铬镀层起伏波动，在摩擦温度800℃以下有着稳定磨损时间长，不发生粘着磨损的特点；
c. Mo+28%NiCrBSi 复合合金涂层，可以大大延长活塞环的使用寿命，从而增加了内燃机的可靠性和经济性。同时，这种喷涂工艺简单，操作方便，成品率高，无污染，可以用作为内燃机活塞环表面强化的一种手段。
参考文献略
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