（轮机工程专业论文）高能球磨法制备气缸套表面强化层的技术研究.pdf

t h er e s e a r c hr e l a t e dt os t r e n g t h e n e ds u r f a c eo fc y l i n d e r p r e p a r e db yh i g h e n e r g yb a l lm i l l i n gm e t h o d at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y f uj i n g g u o m a r i n ee n g i n e e r i n g t h e s i ss u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h ux i n h e m a y 2 0 1 1 位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明 本论文是在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 撰写成硕士学位论文 竺直能壁磨法剑备氢鱼套强丝屋的撞苤硒究 除论文中 已经注明引用的内容外 对论文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中 以明确方式标明 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 学位论文作者签名 必园 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留 使用研究生学 位论文的规定 即 大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 也可采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文 同意将本学位论文收录到 中国优秀博硕士 学位论文全文数据库 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社 中国学位论 文全文数据库 中国科学技术信息研究所 等数据库中 并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务 保密的论文在解密后遵守此规定 本学位论文属于 保密口在 年解密后适用本授权书 不保密 7 请在以上方框内打 论文作者签名 彳夺列因导师签名 嗍脚脾占月7 日 本文在了解气缸套表面强化的众多方法的基础上 通过球磨机制备微纳米粉的 途径探索出一种新型制备气缸套表面强化层的方法一一高能球磨法 通过摩擦磨损 试验表明这种方法能能够大大提高铸铁气缸套的耐磨性能 文章采用球磨法制备出蛇纹石和s i c 颗粒的微纳米球磨材料 通过球磨碰撞法 将微纳米材料挤渗在气缸套内表面 来达到表面强化的目的 首先依据b r i z r n e r 等建立的弹塑性接触理论 确定试验的基本参数范围 随后利用正交试验的方法 以球磨材料 球磨类型和球磨时间为正交因子制备出1 2 组气缸套 为了验证气缸 套的耐磨性能 通过摩擦磨损试验研究气缸套在不同润滑条件下的性能 对正交 因子进行优化 找出最佳工艺 最后通过扫描电镜能谱仪从理论上阐述试验硬挤 渗 软通道挤渗和耐磨机理 试验结果表明 在试验参数范围内 球磨材料为蛇纹石 球磨类型为湿磨 球 磨时间为1 0 h 时 制备的气缸套强化层具有最佳减磨效果 在压强为4 0 m p a 富 油 高速条件下 摩擦副的最终温度为6 5 摩擦系数为o 0 7 磨损量为6 8 m g 将结果与现有缸套材料的摩擦磨损试验进行对比分析 得出在富油条件下 其摩 擦系数降低3 5 磨损量降低至原来的1 3 而在贫油条件下 其摩擦系数降低1 5 磨损量降低至原来的l 2 并测得经强化后的气缸套的表面显微硬度提高了约4 8 关键词 气缸套 球磨试验 摩擦磨损 挤渗 t h i sp a p e re x p l o r e san c m e t h o d h i g h e n e r g yb a l lm i l l i n g t os t r e n g t h e nt h e s u r f a c eo ft h ec y l i n d e r w h i c hc a ng r e a t l yi m p r o v et h ew e a rr e s i s t a n c ea n ds e r v i c el i f eo f e a s ti r o nc y l i n d e rl i n e rb yp r e p a r i n gm i c r oa n dn a n op o w d e rb yb a l lm i l la f t e rl e a r n i n g m a n yo t h e rs u r f a c ee n h a n c i n gm e t h o d s i nt h i ss t u d y t h em i c r oa n dn a n op o w d e ro fs e r p e n t i n ea n ds i cp a r t i c l e sa r e p r e p a r e db yt h eb a l l m i l l i n g a n dt h em i c r oa n dn a n om a t e r i a li si m p r e g n a t e do nt h e i n n e r s u r f a c eo ft h ec y l i n d e rl i n e rt oh a r d e nt h es u r f a c e f i r s t l y t h eb a s i cp a r a m e t e r sa r e d e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h ee l a s t i c p l a s t i cc o n t a c tt h e o r yp r o p o s e db yb r i z m c o n e x t 12 c y l i n d e rl i n e r so fd i f f e r e n tm a t e r i a l s d i f f e r e n tb a l l m i l l i n gt y p e sa n dd i f f e r e n t m i l l i n gt i m ea r ep r e p a r e df o rt h eo r t h o g o n a lf a c t o rb yo r t h o g o n a lt e s t i no r d e rt ot e s t t h ew e a rr e s i s t a n c eo ft h ec y l i n d e r t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec y l i n d e ru n d e rd i f f e r e n t l u b r i c a t i n gc o n d i t i o n si sa n a l y z e db yt h ef r i c t i o na n dw e a rt e s t a n dt h eo p t i m a ls o l u t i o n i sf o u n do u tb yo p t i m i z i n gt h eo r t h o g o n a lf a c t o r s f i n a l l y t h em e c h a n i s m so fh a r d i m p r e g n a t i o na n di m p r e g n a t i o nt h r o u g hs o f tc h a n n e la r ed e s c r i b e dt h e o r e t i c a l l yb y u s i n gs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y t h er e s u l t so ft h et e s ts h o wt h a t 谢m i nt h ep a r a m e t e r s s c o p e t h eo p t i m a l w e a r r e d u c i n gr e s u l to ft h es t r e n g t h e n e dl i n e rl a y e ri sa c h i e v e dw h e nt h em a t e r i a li st h e s e r p e n t i n e t h em i l l i n gt y p ei sw e t a n dt h em i l l i n gt i m ei s lo h v v r h e nt h ep r e s s u r ei s 4 0 m p a u n d e rw e l l l u b r i c a t e da n dh i g h s p e e dc o n d i t i o n t h ef i n a lt e m p e r a t u r eo ft h e f r i c t i o np a i ri s 6 5 t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti s 0 0 7a n dt h ew e a rl o s si s 6 8 m g c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lm a t e r i a l t h er e s u l tc a nb ed r a w nt h a tt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t c o u l db er e d u c e db y3 5 a n dt h ew e r rl o s sc o u l db er e d u c e dt o1 3o ft h eo r i g i n a l u n d e ro i l r i c hc o n d i t i o n w h i l e t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tc o u l db er e d u c e db y15 a n d t h ew e a rl o s sc o u l db er e d u c e dt o1 2o ft h eo r i g i n a lu n d e rp o o r l u b r i c a t e dc o n d i t i o n t h em i c r o h a r d n e s so ft h el i n e rs u r f a c ei ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e da p p r o x i m a t e l yb y4 8 b ys t r e n g t h e n i n g k e yw o r d s c y l i n d e r b a l l m i l l i n gm e t h o d f r i c t i o na n dw e a r i m p r e g n a t i o n 目录 目录 第1 章绪论 1 1 1 前言 1 1 2 表面工程技术 l 1 3 气缸套表面强化的常用方法及国内外现状 2 1 3 1 电镀技术 2 1 3 2 激光淬火技术 3 1 3 3 等离子处理技术 4 1 3 4 热喷涂技术 5 1 3 5 挤渗s i c 颗粒工艺 6 1 4 本研究选题的依据与意义 6 1 5 本文的研究内容及采取的技术路线 7 第2 章高能球磨法试验设备及试验方法 8 2 1 高能球磨法试验设备及仪器介绍 8 2 1 1 行星式球磨机 8 2 1 2 金相显微镜 l o 2 1 3 线切割机 1 0 2 1 4 显微硬度计 一1 2 2 2 高能球磨法试验的正交设计 1 2 第3 章试验所用材料介绍及对试验中的运转速度优化分析 1 5 3 1 高能球磨法试验材料的选取 1 5 3 1 1 现在车用 船用气缸套的结构 1 5 3 1 2 柴油机气缸套常用的材质 1 6 3 2 蛇纹石与s i c 微纳米颗粒的性能及用途 1 8 3 2 1 蛇纹石微纳米颗粒的性能及用途 1 8 3 2 2s i c 微纳米颗粒的性能及用途 1 9 3 3 摩擦碰撞用球的能量分析 2 0 第4 章高能球磨法制备的气缸套硬化层性能测试分析 2 3 4 1 摩擦磨损试验设备介绍 2 3 4 1 1 摩擦磨损试验机 2 3 4 1 2 试验材料及方法 2 5 4 2 富油状态下的摩擦磨损试验及分析 2 7 4 2 1 球磨材料对气缸套表面强化的影响 2 7 目录 4 2 2 球摩时间对气缸套表面强化的影响 3 l 4 2 3 球磨类型对气缸套表面强化的影响 3 4 4 2 4 富油情况下的磨损试验分析 3 8 4 2 5 与原始的机械珩磨相比较 4 0 4 3 贫油状态下的摩擦磨损试验及分析 4 2 4 3 1 球磨材料对气缸套表面强化的影响 4 3 4 3 2 球磨时间对气缸套表面强化的影响 4 4 4 3 3 球磨类型对气缸套表面强化的影响 4 5 4 3 4 贫油情况下的磨损试验及分析 4 7 4 3 5 与机械珩磨相比较 4 9 4 4 不同试验方案所制备的气缸套对表面硬度的影响 5 0 4 5 结论 5 2 第5 章试验现象的机理分析 5 4 5 1 试样组织及成分分析 5 4 5 2 试验机理分析 5 8 结论与展望 6 1 参考文献 6 2 型筻谢 6 6 高能球磨法制备气缸套表面强化层的技术研究 第1 章绪论 1 1 前言 内燃机以其机动性能好 燃料经济性好 使用范围广等优点成为船舶的主要 动力 而缸套和活塞环都是内燃机中最重要的摩擦副 直接影响着内燃机的使用 寿命和性能 缸套是燃烧室部件的组成部分又与活塞环直接接触 其内壁受着高 温燃气的周期性加热作用 其外壁与冷却水直接接触 承受着气缸套高频振动导 致的穴蚀和电解质引起电化学腐蚀 l 在此种高温 高压 润滑不良以及有固体颗 粒和腐蚀介质等苛刻条件下 缸套易发生各种磨损 而内燃机的寿命和使用性能 在很大程度上取决于这对摩擦副的抗磨性能 因此 如何提高缸套表面的耐磨性 成为亟待解决的问题 1 2 表面工程技术 上个世纪八十年代初期兴起的一门工程学科 表面技术 是表面工程学科 的重要组成部分 表面技术是通过运用各种物理 化学或者机械工艺方法来改变基体的表面状 态 化学成分 组织结构 以此形成特殊的覆盖层或在基体表面嵌入特殊性质的 颗粒 使其基体表面具有不同于基体的某种特殊性能 从而达到特定的使用要求 比较常用的是通过各种表面涂层技术和表面改性技术来提高产品质量和维修质量 的工程 主要包括有热喷涂 电镀 化学镀 堆焊 物理及化学气相沉淀 等离 子及激光热处理等表面强化工艺 它能赋予零件表面抗疲劳 耐磨损 耐高温 抗氧化等多种性能 这层表面材料虽然面积小 厚度薄 占总材料的重要也很少 但却承担着零部件所起到的主要功能 2 1 另外 表面技术还可以改变零件表面的导 电性 绝缘性 导磁性 传热性等性能 是提高产品质量 节约能源 获得经济 效益的一种表面强化技术 在国家已经实施的 9 7 3 十五 十一五 和即将 实施的 十二五 节能环保规划中 将表面材料功能应用作为重大项目之一 并 列为国家节能环保的示范项目 在此基础上 传统材料表面性能优化 改性的基 础研究也被列于国家自然科学基金 十二五一优先资助领域 成为国家重点科技 攻关项目 国家重点技术创新项目等 3 1 有专家分析认为 表面技术将同新型材料 第1 章绪论 技术 生物技术 自动化及传感技术等成为主导2 1 世纪发展的关键技术 4 而且 由于表面材料技术具有学科的综合性 环境的保护性 巨大的效益等特点 它广 泛用于新材料的开发 因此 在许多工业部门中得到了广泛的应用 气缸套的工作环境十分恶劣 内燃机的使用寿命与其缸套零件的磨损腐蚀密 切相关 世界各国一直在研究提高缸套使用寿命的新钢种 目前 我国部分表面 技术的设备 材料和工艺已达到国际先进水平 因此 引进表面技术对于缸套行 业的影响尤为重要 孓7 1 3 气缸套表面强化的常用方法及国内外现状 对于不同类型的内燃柴油机 其对气缸套内表面保油性 抗磨损性 抗燃气 腐蚀 低摩擦系数以及足够的机械强度的要求都是基本相同的 为了满足气缸套 内表面的要求 镀铬 离子氮化 等离子多元共渗 等离子淬火 激光淬火以及 热喷涂等各种表面技术已经成功应用于气缸套被表面的强化 也有很多种表面技 术是针对已磨损的气缸套 对其进行再制造 但往往要求所采用的表面技术必须 具备尺寸恢复和表面强化的双重功能 国内外研究表明 对铸铁材料而言 应形成两个或两个以上滑动面 即在铸 铁基体上形成大量块状高硬度质点作为第一滑动面 用于承担直接的接触磨损 而以基体组织或者次硬相作为第二滑动面 起到骨架支撑作用 并以基体组织和 石墨脱落后的空洞贮存润滑油 这样可大幅度提高耐磨性能 此即软基硬支撑原 理 因此 要提高气缸套的使用寿命 对气缸套的工作表面进行适当的强化或者 涂覆处理是必要的 达到改善摩擦副的初期磨合性能 改进工作表面的耐磨性能 提高摩擦副的使用寿命 8 1 0 1 3 1 电镀技术 在提高缸套质量方面 电镀铬技术的应用在国内外都比较广泛和成熟 现阶 段常用的方法有以下三种 国内大多数厂家采用的松孔镀铬 1 1 也 它是把已镀上铬层的气缸套在镀液中 进行短时间的反镀 在气缸套的表面获得点状空隙或者网状沟纹 最后再进行布 磨加工 由于镀层较厚 厚度约为0 0 4 0 1 m m 最大可达o 1 5 r a m 1 3 硬度较高 耐磨 形成的网状沟纹可用来贮存滑油 因而能保证摩擦副在工作过程中形成良 2 高能球磨法制备气缸套表面强化层的技术研究 好的油膜 减少表面磨损 李梅广和赵士钦等人在这方面有这突出的研究 但由 于该工艺所形成的贮油沟槽连续相通 l4 1 在前期摩擦磨损中可以起到较好的耐磨 作用 但设备应用后期或者在高负荷运转工况下 贮油性能差变差 与松孔镀铬 相比 日本泉公司的硬质镀铬镀层较薄 l5 1 厚度为0 0 5 0 0 8 m m 故其背部的残 余应力小 成本也较低 它是在镀烙层完成后使用机械法在镀层表面形成大小 深浅不等的凹槽 以改善初期磨合性和抗拉伤性 之后对表面进行抛光研磨 使 其形成独立的沟状储油槽 再一个就是英国c r o m a r d 专利镀铬技术 1 6 它主要应 用于钢质薄壁气缸套的加工 其特点是 气缸套内表面的点状贮油槽是在镀铬过 程中直接形成 螺旋状网纹则是由不规则的平台和凹坑组成的 我国辽宁锦山机 械厂 1 刀和烟台万斯特有限公司 1 8 不仅完全掌握了该技术 并且还在此基础上进一 步研制了自己独特的加工工艺方案 使各项指标均达到或超过了日本 英国等国 家的同类水平 然而镀铬也存在着不少的弊端 1 9 要求电流密度高 能耗大 且电解液的分 散能力极低 对于复杂的零件 需采用辅助阳极和防护阴极才能得到质量良好的 镀层 并且镀铬层的硬度会随着温度的升高而急剧降低 很难适应高温 高速的 状况 最主要的是在镀铬过程中会导致严重的环境污染 镀铬工艺使用的铬酸容 易能产生含铬的酸雾和废水 这两样物质回收 处理较难 污染较型2 0 1 因镀铬在高温条件下的耐腐蚀性 耐磨损性不够理想 所以国外对高温 高 负荷车用发动机多采用复合材料镀新技术 2 1 1 它是将渡液中的不同性能的金属离 子沉积到被镀基体上的新技术 前景比较广泛 复合镀可根据沉积固体粒子的特 性不同而使镀层分别具有耐磨 减磨 和自润滑等功能 主要有西班牙毕尔巴鄂 的a ic r a md u r o 公司开发的在薄壁钢质气缸套上采用镍一碳化硅复合镀层 以及日 本对活塞环及铝制气缸套表面的n i p 复合镀 1 3 2 激光淬火技术 激光淬火技术是对发动机气缸套内表面激光热处理的一种工艺 多为c 0 2 气 体激光器和y a g 固体激光器 2 2 1 利用激光对气缸套内表面进行扫描 根据不同的 运转方式可形成不同的内表面纹路 借此来提高气缸套表面的硬度和耐磨性 从 上世纪7 0 年代初期开始 激光表面相变硬化技术得到迅速发展 夏元良等人在激 3 第1 章绪论 光处理技术应用于大型缸套上有着独到的见解四 气缸套内表面经过激光硬化处 理后 缸套尺寸变化微乎其微 二次加工余量小 且在强度和表面硬度性能上有 着显著的提高 西安内燃机配件厂从建成中国第一条缸套激光热处理生产线到现 在已经形成了年生产1 2 0 万只气缸套的1 2 条生产线 1 9 9 7 年武汉华工激光设计院 采用高吸收率的新型吸光材料及喷涂技术代替常规的磷化处理淬火 开发出 切 诺基 发动机缸体激光淬火生产线 2 4 1 在提高表面硬度的同时延长发动机使用寿 命1 3 倍 但激光淬火存在维修费用和气缸套成本 高投资回收期过长等问题 1 3 3 等离子处理技术 等离子处理技术分为等离子淬火和等离子多元共渗 等离子淬火与激光淬火 方法相同 但因其总能量较多 所以处理的气缸套硬度带比激光处理的要宽 耐 磨性更高 特别适合处理要求变形较小 耐磨性能好的零部件 等离子处理不同 于其他技术 而是通过电脑程序控制 在气缸套内表面形成连续的 不等间距的 螺旋线型轨迹对气缸套进行淬火硬化 并且可根据气缸套磨损量的不同在不同部 位采取不同的螺距 分情况对待 我国在等离子领域的研究起步较晚 但发展却 极其迅速 2 5 国内外的主要现状有美国通用汽车有限公司在发动机曲轴表面使用 等离子处理技术并使曲轴的寿命成倍的提高 我国山东科技大学在这方面已经取 得较好的成果 其设备已完成产品定型 并投放市场 等离子多元共渗则是将s i n c 等元素直接均匀的渗到金属表面层 之后用 高能等离子束在常压下快速扫描涂敷渗剂的气缸套内表面 实现多元共渗 2 6 其 中辉光离子氮化和离子软氮化具有这较高的发展前途 主要用来提高发动机零部 件如 进排气阀 曲轴轴颈 凸轮轴 缸套 活塞环等的耐磨 耐疲劳和耐腐蚀 性能 郝巧玲 2 7 等设计出气缸套常压等离子束快速扫描合金化专用机床 实验将 供碳剂 石墨 供硼剂 b 4 c 和脱水硼砂 活化剂 k b f 4 还原剂 稀土硅合 金粉末 按 定比例混合均匀 用稀释剂 机油 调成糊状 即配制成渗剂对气 缸套内表面进行等离子多元共渗处理 只用再用等离子炬沿导轨对缸套内表面进 行合金化 完成等离子扫描多元共渗合金化过程 经研究表明 此种方法获得的 总硬化层深度大于1 5 0 u m 硬化层显微硬度可达9 2 7 h v 缸套内表面的磨损也较 均匀 避免出现磨损后的上喇叭口形状 同时 还提高了发动机气室的密封性能 4 高能球磨法制备气缸套表面强化层的技术研究 运行噪声 但其耐磨性能提高幅度较小 大约只有2 6 t 2 8 1 技术 热喷涂是利用热源将喷涂材料加热到溶化或者半溶化状态 借助于焰流或者外 力将成滴的溶化材料雾化或推动溶滴形成喷涂的粒子束 以一定的速度喷射到经 过处理的基体表面 形成某种功能的涂层 2 9 1 由于热喷涂工艺可以在普通的基体 材料表面获得具有特殊物理 化学性能的涂层 在表面防护和装饰领域有着较高 的应用 已成为材料表面科学领域中的一个十分活跃的独立学科 现如今世界各国普遍受到资源 能源短缺的压力 节能减排已成为世界各国 共同关心的话题 新型材料也逐渐应用于工业领域的各个方面 热喷涂作为一门 表面强化技术 由于采用了特殊涂层而降低对零部件其他部分材质的要求 相对 于整体的提高材料基体性能 其总成本有所下降 因此 热喷涂技术既可以用于 新产品的制造以提供预防性的保护 也可以用来恢复因表面损坏而报废的零件 器 它已成为一门具有重大技术经济效益的应用技术 3 0 而在航运领域 我们一般对大型船舶气缸套内表面进行再制造时采用热喷涂技 术 3 1 1 目前 国内外常采用的涂层材料有 马氏体不锈钢 镍基合金 金属陶瓷 等 马氏体不锈钢颗粒具有淬硬性 颗粒间结合强度高 能使涂层具有较高的硬 度 表现出良好的耐腐性能 常用作磨损较严重及中等腐蚀条件下的工作零件的 j 表面强化 镍基合金在高温时硬度较低 但其摩擦系数低 耐磨耐腐蚀性能良好 同时镍基合金市场价格较低 经济性能好 金属陶瓷有金属材料所缺少的耐高温 耐腐蚀 耐磨损等特殊优良性能 但抗冲击性 抗拉性等机械性能相对较差 在喷涂涂层形成过程中 基体材料和工作层之间由于材质的改变往往不能形成 良好的结合 为了增加基体和工作层之间的结合强度 同时防止涂层的脱落现象 特在气缸套内表面设计一层过渡层 过渡层能同时与基体 涂层结合良好的 材 料的热膨胀系数与工件和表面涂层材料相近的 起到调和的作用 5 第1 章绪论 表1 1 常用的过渡涂层材料及其工作温度 t a b 1 1t h e t e m p e r a t u r ea n dm a t e r i a l so fc o m m o n t r a n s i t i o n a lc o a t i n g 其中 铝包镍复合粉末 9 5 n i 5 a i 和镍包铝复合粉末 8 0 n i 2 0 a 1 是最常用的 打底层材料 相对于上两种结合材料 n i c r 合金相有着更好的抗高温氧化性能 多适用于1 2 0 0 一1 3 0 0 c 高温的涂层 3 2 3 5 1 3 5 挤渗s ic 颗粒工艺 铸铁气缸套挤渗碳化硅 是在气缸套的内表面用机械方法挤渗一层不连续分布 的碳化硅颗粒 以改善其耐磨性的一种表面强化工艺 3 8 1 此种工艺类似于研磨 加工 所不同的是研磨加工时 碳化硅微颗粒固定在研磨头的磨条上 而气缸套 挤渗碳化硅时 则是将研磨条换成挤渗用的铸铁条 碳化硅微颗粒悬浮在中间介 质 润滑油中 呈自由状态 当挤渗头做旋转与往复运动时 在气缸套与挤渗 头之间运动的碳化硅微颗粒 在挤压力和剪切力的联合作用下进入气缸套表面 挤渗压力则有研磨剂的液压系统控制 然后予以抛光 挤渗过程完成 结果表明 经挤渗过的气缸套具有较好的耐磨性能 并且柴油机运转的过程中的运动方式更 是有利于碳化硅微粒的再挤渗 但其缺点是试验所用的都是数目较大的颗粒 直 径在l o g m 左右 颗粒在气缸套表面有产生脱落的可能性 容易对气缸套形成拉伤 严重时可造成气缸套的损坏 1 4 本研究选题的依据与意义 以上众多研究方法中大多为化学工艺范畴 这些这些方式方法虽然对气缸套的 耐磨 抗腐蚀都有着极大的提高 但是它们要么对环境有较大的污染 要么需要 投资的费用过高 都有一定的不可取性 而在物理工艺中只有挤渗碳化硅这一种 工艺 本课题研究的目标是在当前众多气缸套表面硬化技术基础上 探索出一种 新型的气缸套表面强化方法 即 利用高能球磨法 使一些微纳米颗粒挤渗到缸 套表面 制备气缸套表面硬化层 探索内燃机气缸套表面强化的新方法 6 高能球磨法制备气缸套表面强化层的技术研究 1 5 本文的研究内容及采取的技术路线 本文研究主要的内容包括以下几个方面 1 阐述本文提出的背景 意义 国内外表面技术发展现状及其在气缸套上 的应用 2 研究已制备的蛇纹石 碳化硅等微纳米颗粒在球磨机的作用下与气缸套 内表面相互作用的结果及作用机理 3 通过设计正交试验 找出球磨时间 球磨类型及球磨介质对气缸套内表 面强化的影响的规律 4 对球磨强化处理后的气缸套表面层的性能 成分进行检测分析 在金相显 微镜下观察其金相组织 并通过摩擦磨损试验对其硬度 耐磨 抗腐蚀性能合硬 度梯度等进行研究分析 为确定最合适的气缸套内表面强化方案提供依据 5 总结 讨论试验结果 确定最佳的球磨方案 7 鑫 第2 章高能球磨法试验设备及试验方法 第2 章高能球磨法试验设备及试验方法 2 1 高能球磨法试验设备及仪器介绍 2 1 1 行星式球磨机 本试验中所使用的设备为行星式球磨机 如图2 1 所示 图2 1 行星式球磨机 f i g 2 1t h ep l a n e t a r yb a l lm i l lm a c h i n e 行星式球磨机是在一个大盘上装有四只球磨罐 大盘由电动机带动 于此同 同时大盘上的固定齿轮通过过渡齿轮带动行星齿轮转动 行星齿轮的中心轴跟球 磨罐连接在一起 当大盘旋转时 公转 带动球磨罐绕自己的中心转轴旋转 自 转 从而形成行星运动 大盘旋转 公转 与球罐自转的传动比为1 2 公转一 转 自转两转 罐内磨球和磨料在自转与公转两个离心力作用下相互碰撞 粉碎 研磨 混合试验样品 本试验中所用的碳化硅微纳米颗粒和蛇纹石微纳米颗粒是 采用行星式球磨机制备的 齿轮行星图系如图2 2 所示 图2 2 齿轮行星图系 f i g 2 2f i g u r eg e a rp l a n e t a r ys y s t e m 本试验是用气缸套代替行星式球磨机中的球磨罐 并根据气缸套的尺寸制备 了密封夹具 如图2 3 所示 图2 3 气缸套密封夹具 f i g 2 3c y l i n d e rs e a lf i x t u r e 在试验过程中 可以对行星式球磨机的运转方式及运转速度加以调节 调速 方式为变频调速 分辨率为l h z 也可以变速调节 精度为l 转 公转 大盘 速 度范围为0 2 6 5 转 分 1 0 自转 球磨罐 速度范围为0 5 3 0 转 分 1 0 运转方式有以下五种 9 第2 章高能球磨法试验设备及试验方法 1 单向运行 不定时停机 2 单向运行 定时停机 3 正 反向交替运行 定时停机 4 单向间隔运行 定时停机 5 正 反向交替间隔运行 定时停机 由于在碰撞挤渗过程中 会产生大量的热 为了不使球磨罐的温度过高 本 试验采用单向间隔运行 定时停机这种这运转方式 为了提高碰撞挤渗的效率 气缸套可装入大小不同的碰撞挤渗球 大球主要 是用来砸碎粗磨料 小球则用于磨细及挤渗 本试验中考虑到缸套有一定的疲劳 强度 再者试验所用材料已为微纳米颗粒 碰撞挤渗用球为痧1 0 的钢球 2 1 2 金相显微镜 一一 图2 4 金相显微镜 f i g 2 4m e t a l l u r g i c a lm i c r o s c o p e 本实验使用的是o l y m p u s 小型倒置金相显微镜g x 4 1 如图2 4 所示 其特 点有 采用了无穷远校正光学系统 配有1 0 0 w 的纤维光源 在视场数2 2 m m 内都 能清晰观察到图像 并且配备1 0 x 2 0 x 双目镜筒和1 0 x 2 0 x 4 0 x 1 0 0 x 四种 物镜 采用金相图像测量软件c o m p a n y 可直接将金相图像保存在电脑上 以 便更好分析 2 1 3 线切割机 线切割主要用于加工各种形状复杂和精密细小的工件 例如凸模 各种微细 l o 高能球磨法制备气缸套表面强化层的技术研究 空槽及任意曲线等 具有加工余量小 加工精度高 生产周期短 制造成本低等 突出优点 已在生产中获得广泛应用 目前国内外的电火花线切割机床已占电加 工机床总数的6 0 以上 图2 5 线切割机 f i g 2 5c u t t i n gm a c h i n e 圈6 l 数控线切利加工原理 l 脉冲电源2 控制装置3 工作液箱4 走丝机柯又6 何服电机 7 工件 3 9 一坐标工作台l o 喷嘴l l 电板丝导向嚣1 2 电源进电控 图2 6 线切割原理图 f i g 2 6t h ep r i n c i p l eo fc u t t i n gm a c h i n e 本实验使用的是上海上专线切割机电设备有限公司生产的数控式线切割机 如 图2 5 所示 具有一下特点 1 无论工件硬度如何 只要是导电或半导电的材料都能进行加工 2 切缝可窄达仅0 0 0 5 m m 只对工件材料沿轮廓进行 套料 加工 材 料利用率高 能有效节约贵重材料 第2 章高能球磨法试验设备及试验方法 3 移动的长电极丝连续不断地通过切割区 单位长度电极丝的损耗量较小 加工精度高 4 一般采用水基工作液 可避免发生火灾 安全可靠 可实现昼夜无人值 守连续加工 2 1 4 显微硬度计 图2 7 显微硬度计 f i g 2 7m i c r o h a r d n e s st e s t e r 本文采用的是m h 6 型显微硬度计 如图2 7 所示 它是采用国际九十年代新 技术研究 开发出的新一代系列显微硬度计 在操作面板上采用按键式面板 测 量精度高 自动打压痕 也可配接电脑 其特点是 高分辨率显微镜 x 1 0 0 和 x 4 0 0 成像系统可清晰高亮度显示出压痕及样品的金相组织和粗密的机械结构 重复性的自动塔台提供快速简洁的操作 直接按启动键 s t a r t 便可自动完成物镜 一压头一加载一保载一卸载一物镜的过程 能准确测量材料的维氏 h v 奴氏 h k 硬度 加载机构自动加载和卸载 加载力有1 0 n 2 5 n 5 0 n 1 0 0 n 2 0 0 n 3 0 0 n 5 0 0 n 1 0 0 0 n 八种选择 2 2 高能球磨法试验的正交设计 由于本次试验是探索出气缸套表面硬化的一种新方法 所以对试验材料及配 料的选择方面也处于摸索阶段 影响其缸套表面硬化的因素比较多 具体说来有 球磨时间 球磨介质 表面改性添加剂 球磨速度及球料比等 如果采用全面试 1 2 高能球磨法制备气缸套表面强化层的技术研究 多 可操作性低 而正交试验方法 o r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o d 又能收到良好的效果 是研究 处理多因子试验的一种科学 有效的方法 3 9 1 而为了提高试验效率 首先进行了探索性试验 并根据试验结果减少制约因 素量 控制因素范围 由于试验采用高能球磨法 当球磨机的转速过快时 高能 球的动能也相对增加 如果过快 会使气缸套产生疲劳破坏 这就要考虑高能球 与气缸套内壁之间的斜碰撞问题 找到产生疲劳破坏的临界点 在一定的转速下 运转 其次确定运转时间的范围 因为在高能球磨法制备的过程中 高能球与气 缸套内壁会出现切向的滑动换向 粘滞而带来的摩擦力 如果时间过长 会造成 气缸套内壁的磨损 起到相反的效果 由探索性试验可知 运转时间定5 1 5 h 之 间 球料比则是通过之前的纳米粉制备工艺所获得 确定为固定值 按质量1 1 0 添加 此时球与材料能更好的全面接触 进而能与本实验中的气缸套内壁全面接 触 在湿磨时 加水的重量为微粉的4 倍左右 此时球磨罐内的材料粘稠度合适 这些数据由前期高能球磨法制备纳米粉所得 最后在此基础上再进行正交试验 确定各因素的最佳数值 本实验采取三因素三水平的正交设计表l 1 2 3 3 一共需做1 2 组实验 表2 1 列出了正交试验的1 2 组详细数据 第2 章高能球磨法试验设备及试验方法 表2 1 正交试验的1 2 组具体实验 t a b 2 112s p e c i f i ct e s t so fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t 试验序号 实验因素 球磨介质表面性能添加剂 运转时间 h 1 干磨擦s i c 纳米粉 5 2 干磨擦 s i c 纳米粉 1 0 3 干磨擦s i c 纳米粉 1 5 4 干磨擦 蛇纹石纳米粉 5 5 干磨擦蛇纹石纳米粉 1 0 6 干磨擦 蛇纹石纳米粉 1 5 7 湿磨擦 加蒸馏水 s i c 纳米粉 5 8 湿磨擦 加蒸馏水 s i c 纳米粉 1 0 9 湿磨擦 加蒸馏水 s i c 纳米粉 1 5 1 0 湿磨擦 加蒸馏水 蛇纹石纳米粉 一 5 1 1 湿磨擦 加蒸馏水 蛇纹石纳米粉 1 0 1 2 湿磨擦 加蒸馏水 蛇纹石纳米粉 1 5 1 4 高能球磨法制备气缸套表面强化层的技术研究 验所用材料介绍及对试验中的运转速度优化分析 3 1 高能球磨法试验材料的选取 3 1 1 现在车用 船用气缸套的结构 柴油机气缸套是一种圆筒形部件 引导活塞组往复运动并承受着侧压力 安 装在机体的汽缸孔内 其顶部被汽缸盖压紧和密封 其在安装紧固力和高温 高 压燃烧气体的作用下 将产生变形和相当大的机械应力与热应力 并且还遭受腐 蚀 活塞组在气缸套内的高速往复运动 将引起强烈的摩擦和磨损 筒状活塞式 柴油机的湿式气缸套 还要受到活塞组的撞击 产生变形和高频振动 引起穴蚀 和损坏 柴油机的气缸套一般有干式和湿式之分 干式气缸套如图3 1 a 所示 其外表面不与冷却水直接接触 气缸体内布置有冷却水腔 具有整体式气缸体的 优点 强度和刚度都较高 因此气缸套可以做成一个耐磨性能良好的薄壁套筒 壁厚一般为1 3 5 m m 但加工比较复杂 内外表面都需要进行精加工 散热效果 差 适用于小型柴油机 湿式气缸套如图3 1 b 所示 气缸套只与气缸体内控 的支撑部分相配合 在气缸套和气缸体之间形成冷却水腔 其外壁与冷却水直接 接触 冷却效果好 湿式气缸套散热效果好 同时还具有制造和更换简单 利于 机体的铸造和清砂等优点 是应用最广泛的一种形式 但必须有可靠的冷却水密 封措施 根据现有的试验条件 本试验采用的为干式气缸套 外径矽8 5 r a m 内径 西8 0 m m a 干式气缸套 b 湿式气缸套 卜机体 2 气缸套 3 一水套 4 一密封圈 图3 1 气缸套结构示意图 f i g 3 1t h ei m a g eo f c y l i n d e rl i n e r 第3 章试验所用材料介绍及对高能球磨法中的运转速度优化分析 3 1 2 柴油机气缸套常用的材质 目前 车 船用柴油机气缸套的基体材质多为耐磨铸铁 我们常向铸铁中添 加一定的添加剂来改变铸铁的性能 这些添加剂成分决定了铸铁中石墨的形态和 碳化物的结构 以此来影响铸铁的机械和物理性能 因此 为了提高铸铁耐磨 耐腐蚀性能 常向铸铁中添加v b p 等特殊的化学元素生产出钒钛铸铁 硼铸 铁和高磷铸铁等多种形态的铸铁 这些特殊的化学元素会在铸铁的基体上形成硼 复合物 磷共晶和钒钛硬质相等硬质点 正是这些硬质点镶嵌在铸铁基体上 作 为耐磨组织 大大提高了铸铁的机械强度和耐磨性能 其特点具体如下 1 高磷铸铁气缸套 高磷铸铁气缸套的主要化学成分如表3 1 所示 表3 1 高磷铸铁的主要成分质量分数 t a b 3 1m a i nc o m p o n e n to f t h eh i g hp h o s p h o r u si r o n 由上表可以看出 磷的含量相对于普通铸铁较高 并且一定量的磷元素可以 促进碳的石墨化 进而改善铸铁的润滑性能 磷在铸铁中一般以f e 3 p f e 3 c 和a f e 的三元磷共晶的形式存在 因此高磷铸铁的组织特征是基体为细片状珠光体和少 量的磷共晶 磷共晶作为坚硬的框架在基体上均匀分布或者断续的网状分布着 基体中的石墨则在摩擦磨损时表现出良好的润滑条件 减少磨损 提高了其耐磨 性能 高磷铸铁一般用普通生铁加磷铁或者价格低廉的高磷生铁熔炼 其生产成本 较低 但由于磷能减低铸铁的导热性 增大了铸铁内部的热应力 同时磷共晶和 基体的线膨胀系数不同 内应力加大 脆性增加 导致基体容易破坏 目前高磷 铸铁主要在大缸径柴油机及船用柴油机上 2 硼铸铁气缸套 硼铸铁气缸套的化学成分如表3 2 所示 1 6 高能球磨法制备气缸套表面强化层的技术研究 表3 2 硼铸铁的主要成分质量分数 t a b 3 2m a i nc o m p o n e n to f p e n ge a s ti r o n 硼铸铁的组织特征是基体为细片状珠光体和 定数量的硼化合物 这些化合物 不是晶体 而是单相化合物 含硼量低时 硼碳化合物少 化合物的尺寸也小 大多呈单块分散分布 其显微硬度低 但随着硼含量的增加 硼碳化合物也相应 增多 尺寸变大 逐渐呈均匀分布 其显微硬度也越来越高 在通常情况下 我 们在硼铸铁中加入0 2 0 3 的磷 在铸造过程中将会形成均匀分布的硼碳化合物 和磷共晶组成的硼复合物 这样硼碳化合物就取代了原来磷共晶上的铁素体粒子 使得硼复合物有很高的显微硬度 郝巧玲 徐滨士等有试验得出鹏铸铁在含硼量 0 0 4 0 0 8 时能保持良好铸造性能 强度较高 同时生产成本较低 再加上基体 矗 中存在的石墨 使硼铸铁具有较高的耐磨性 现在鹏铸铁已经开始逐步取代高磷 铸铁 3 钒钛铸铁气缸套 钒钛铸铁气缸套的化学成分如表3 3 所示 表3 3 钒钛铸铁的主要成分质量分数 t a b 3 3m a i nc o m p o n e n to f v a n a d i u ma n dt i t a n i u mc a s ti r o n 在钒钛铸铁中 钒和碳的亲合力很强 是强烈形成碳化物的元素 但钒是强 烈阻碍石墨化的元素 能促进珠光体的形成 钛可以净化铁水 提高铸铁的机械 性能和改善铁水的流动性 钛和碳 氧 氮都可形成结合力强 熔点搞的化合物 总之 钒和钛不仅可以强化基体 还可以形成高硬度的钒和钛的碳氮化合物微粒 均匀分布在基体之中 成为耐磨性最高的铸铁之一 但由于使用成本较高 回收 率低 国内极少厂家生产该种气缸套 4 l 4 6 1 本文试验所用的气缸套为桑塔纳2 0 0 0 车用气缸套 从备件厂购得 其材质为 1 7 第3 章试验所用材料介绍及对高能球磨法中的运转速度优化分析 普通的高磷铸铁 其外径妒8 5 m m 内径 8 0 m m 高1 4 4 r a m 而在本次试验中 为了节约材料 特将缸套用线切割机一分为二 并在试验前对切割后的气缸套进 行了表面清油清污处理 如图3 2 所示 图3 2 试验用气缸套图 f i g 3 2t h ei m a g eo fe x p e r i m e n tc y l i n d e rl i n e r 3 2 蛇纹石与s i c 微纳米颗粒的性能及用途 3 2 1 蛇纹石微纳米颗粒的性能及用途 蛇纹石 如图3 3 所示 是一种变质岩 它是超基性岩经中低温交替作用或中 低区域变质作用 使岩石中的橄榄石河辉石发生蛇纹岩化作用而形成的 它的主 要矿物组成为 镁 铁 硅酸盐等 天然蛇纹石还常含有铝 镍 钴等元素 其 化学式为 m 9 3 s i 2 0 s o h 4 其中含m 9 0 43 6 s i 0 24 3 3 h 2 01 3 1 有时混 入少量的n i o f e o f e 2 0 3 等成分 摩斯硬度为2 3 5 密度为2 4 4 2 8 9 c m 3 1 8 面强化层的技术研究 图3 3 蛇纹石照片 f i g 3 3t h