活塞环等离子喷涂覆层

1、等离子喷涂涂层等离子喷涂的特点等离子喷涂是将金属粉未通过等离子弧焰流中心加热到熔化或半熔化状态 , 随着焰流以高速喷射并沉积到经预处理的工件表面上 , 从而形成一种具有特殊性能的涂层。 等离子弧具有高温 ( 弧中心温度高达 32000K)和高速 ( 焰流速度最高达 3050m/s, 粉末离子喷射时最高达 610m/s) 特点, 且等离子弧稳定 , 可控制。等离子涂层致密度高 ( 达 88%-99%),粘着强度高 (63-70MPa), 涂层平整光滑 , 且厚度可控制。 喷涂时使用了还原气体 ( 如 N2)和惰性气体 ( 如 Ar) 作为工作气体 , 使涂层杂质少 ; 喷涂时工作热变形小 , 无

2、组织变化 ; 涂层效率高 ( 粉末的沉积速率达 8kg/h). 既不需考虑平衡条件 , 也不需考虑各组分相互溶解的亲和力。涂层的设计活塞环的各种涂层及其成功期望率图 2 表示可采用的活塞环镀层种类和成功地应用于发动机的涂层选配图。 各种材料的配伍 , 可由图的横向和纵向列出的材料组合而成 . 可以用一种组分或几种组分的粉沫混合来制造涂层。元素、合金、化合物的粉未和合成粉沫都能做为组分。德国 GOETZE公司对如硅化物。 碳化物和氧化物与合适的金属合金组成的金属 - 陶瓷涂层给予最优先考虑。这些材料的配合 , 在图 2 中以填入的圆圈表示。氧化物和部分硼化物的成功期望率之所以低 , 是由于这些材

3、料在高温下易碎裂的缘故。对各种材料配合进行评定的方法只能得出大概的结果 , 所以 , 某些在评定中中等成功期望的涂层 , 而在实际工作中 , 有可能具有高的成功期望。活塞环涂层要有很长的工作寿命 , 必须满足以下要求 : l. 涂层磨损量 <Cr;2. 气缸套磨损量 <=Cr;3. 抗咬合性 >=M0;4. 抗破裂性 >=Cr.在研制过程中 , 人们一开始不可能弄清楚出现的问题是工艺方法问题还是材料问题 , 所以 , 涂层的研究与粉未材料的研制平行进行是非常必要的。涂层的预选图 2 已经列出了大量可供采用的涂层。影响涂层性能的多种喷镀工艺参数 , 使涂层数量进一步增加

4、. 由于成本和时间的原因 , 不可能在发动机上对所有的涂层都进行实机试验 , 所以 , 在金相检验和工艺试验的基础上需要进行预选工作 , 预选时考虑的涂层下列性质 :1. 对基体材料的附着力 ;2. 涂层的强度 ;3. 涂层的孔隙率 ;4. 空隙的最大尺寸 ;5. 各种相的显微硬度 ;6. 涂层的宏观硬度7. 各相组成的分布 ;8. 涂层的组织 ;9. 抗热裂性 .由于上述参数中 , 没有一个与发动机的磨损直接有关 , 因而 , 预选结果可能是错误的。在图 3 中用 MP43和 KP19的比较就说明了这一点。金相检查表明 , 在右面的 MP43涂层具有很细的组织 , 很小的孔隙和均匀分布的相组

5、织。MP43涂层较之 KPl9 具有更高的硬度 , 更高的抗张附着强度和更高的张开值( 张开值是指活塞环的两端受切向力张开至涂层损坏时的切口大小 ) 预期这种涂层有高的抗破裂性 , 但下面将会看到 , 工作试验与金相试验所得结果相反 , 发动机试验结果表明 ,MP43是 KP19涂层磨损率的两倍。因此 , 用工艺、金相试验来剔除所有不适用的涂层是不可能的 , 同时 , 有希望成功的涂层也可能在预选过程中被否定。研制中 , 当把涂层相似的活塞装入不同的发动机时 , 结果是有差异的。图 4 是喷涂 MKPl0 的活塞环 , 在不同的发动机上进行试验的结果。 MKPl0涂层是一种以钼、铬和碳为基础的

6、金属 - 陶瓷涂层 , 这种镀层已用于各种中速柴油机活塞环上。在 C和 D发动机中 , 活塞环涂层只显示很轻微的磨损, 与之相对应的气缸套磨损也是相当轻微的。在其他发动机中 , 特别是高速柴油机 (A、G、H), 与之对应的气缸套的磨损较大。 尽管 MKP10涂层的磨损率低 , 比较令人满意 , 但还必须考虑到各种使用情况下气缸套可能产生的高磨损率。这个例子说明 , 一个滑动的活寒环同气缸套系所具有的良好功能 , 不仅取决于活塞环的表面涂层 , 而且 , 还取决于气缸套的材料、发动机的设计和在发动机内各部件摩擦关系。发动机试验结果预选等离子涂层试验 , 均在一台 4 缸、排量 2.2L 的柴油

7、机上进行。用于试验的气缸套材料是标准铸铁或含碳量高的铸铁 , 要进行 l00 小时热冷交变耐久试验。按照这种试验要求 , 在较短的时间内各种涂层同气缸套孔系产生不同的磨损量。图 5 用直方图说明镀层和气缸套的磨损量 , 硬铬涂层和火焰喷钼层结果作为参考值。显然, 对于这两种镀层 , 尽管没有测量出气缸套的磨损量 , 但镀层的磨损量却是相当高的。 MKP10涂层的磨损量尽管很低 , 但气缸套的磨损却相当高 , 替代涂层 MP22和 KP19这两种涂层虽然气缸套的磨损大大减小 , 但不可能达到象火焰喷钼和硬铬镀层那么低的值。因而 , 减少气缸套的磨损是以后研制工作的主要任务。研制工作表明 , 要减

8、少气缸套的磨损量就得增加涂层的磨损量 （如 MP53、MP24和 MP43）,反之也是这样（如 KP10和 MKP23）。MKP39的气缸套的磨损量与喷钼和硬铬镀层气缸套的磨损量相等 , 环涂层的磨损量也较小。图 6 是这种涂层的显微组织和工艺特性数据 , 这种多相镀层是一种以钼和碳为基础的金属 - 陶瓷化合物。在放大 500 倍的涂层照片中 , 暗质点是富钼相 , 硬度大约为 600HV(0.05), 亮质点是陶瓷组成物 , 这种组分的硬度高达 1300HV(0.05), 使涂层具有很高的耐磨性。 涂层相当致密 , 抗张附着强度约为 35N/mm2,这对等离子喷涂层来讲是很高的。 MKP39

9、高的张开值表明金属 - 陶瓷涂层的延展性也是很高的。图 5 所示的 KP45和 MKP30的磨损量十分相似 , 即涂层磨损量很小 , 而且 , 气缸套的磨损量也不太高。 KP45属氧化物 - 陶瓷类 , 很脆 , 延伸率格外低。氧化物涂层通常对冲击是敏感的 , 由于其延伸率低 , 因而 , 温度升高时易于破裂。MKP30是一种金属 - 陶瓷涂层 , 在延伸率方面它能表现出更大的优越性 , 但其耐磨性较差。这种涂层的显微组织和工艺特性参数见图7。MKP30的主要元素是铬和碳 , 与 MKp35相比较 , 它的组织粗且多孔。在放大500 倍的照片中, 亮质点是富铬相 , 暗质点是陶瓷组分 , 亮相

10、的硬度为 300HV(0.05), 暗质点的硬度是 900HV(0.05), 这就使得涂层硬度很低 , 为 310HV2。因此 , 对于金属 - 陶瓷而言 , 这种涂层的延展性是很高的 , 这可由抗热裂性推断出来。从一系列试验结果可以得出三个可靠的结论 : 1.100%金属的涂层 , 磨损量太高；2.100%陶瓷的涂层 , 涂层磨损轻微 , 但气缸套的磨损量有升高的趋势。不过 , 涂层的损坏是由于过脆和抗破裂性很低所致；3. 通过金属和陶瓷材料的良好结合 , 涂层和气缸套都能保持很低的磨损量 , 从而达到活塞环工作寿命较长的目标。MKP39满足了对涂层和汽缸套磨损量提出的要求 ,MKP30在限

11、值内也能满足要求。 除磨损特性外 , 涂层的抗咬合性也有重要意义。从 OM616型发动机的热咬合试验中 , 用火焰喷钼层和硬铬层对比试验 , 其结果是 : 镀铬环出现了轻微的咬合痕迹 , 而 MKP30,MKP39和钼涂层则完全没有 .所以 , 不能用这种方法检验 MKP30,MKP39和钼涂层之间的差别 , 但考虑涂层的化学成分 , 则 MKP30 能和铬组合在一起 , 而 MKP39能和钼组合 . 在此试验中 ,MKP39因高的含钼量而达到抗咬合的要求, 但 MKP30和铬的组合是否也能象 MKP39和钼组合一样 , 这还没有搞清楚。 试验表明 , 这种涂层比硬铬要好得多。 MKP10涂层

12、并未包括在这种试验中 , 但根据对其他发动机广泛研究、观察的结果, 这种涂层可以排列在 MKP30和火焰喷钼或 MKP39之间。技术文献 KZO(KZO是 G0ETZE公司出版的技术文献的编号 , 本文的编号为 K22)就如何判断喷涂层破裂倾向可能采用的方法提出了报告。在喷涂操作中 , 涂层是由氧化物质点构成的 , 这些质点带着不同的热能和动能到达涂层表面 , 因此 , 他们相互之间的内聚力 , 也就是涂层的强度 , 不象固体金属那样高。由于涂层强度低和涂层各相膨胀系数的差别, 这些都加剧了涂层破裂趋势，从这一观点出发 , 想使硬铬具有抗破裂的可靠性, 就不能用耐磨的等离子喷涂层。用优化涂层成

13、分或标准设备的工作参数的方法 , 只能轻微改善等离子喷涂层的抗破裂的问题。由此可见 , 等离子喷涂层在类似的发动机负荷下 , 具有足够的抗破裂性。不同发动机的评价图表如前所述 , 同一镀层用于不同的发动机 , 所产生的结果也不同。所以 , 有必要研究一种与各种试验发动机的某些已知特性有关的 , 更能精确的评价涂层的成功期望值的方法。 表 1-4 表示了这种评价方法 . 并通过计算实例加以说明。表 1 给出了抗咬合性 . 汽缸套磨损量 . 涂层的磨损量和抗破裂性判据的评定值。抗咬合性的评定值范围为 0-5, 它取决于涂层含钼量的比例。最高抗咬合性与纯钼涂层相对应 , 其评定值为 0; 含钼量低于

14、 10%的涂层 , 其评定值为 5. 气缸套和涂层的磨损量 , 根据发动机试验结果确定 , 测量不出的磨损量被定为 0; 其余的磨损量根据表 1 的级别分为 1-5 级。以理想涂层 MKP10为基准 , 进行热裂特性试验所得数据来评定各种涂层的抗破裂性 , 用这种方法的评定值为 l-5 级 , 低的数字表示为高的抗破裂性。表 2 给出了各种镀层对每个判据的评定值。对于采用这些镀层的发动机的评定 , 与镀层的评定值相对应 , 表 3 给出了两种不同发功机的评定值 , 该值是与发动机的其他试验数据进行对比所得的。在特定发动机 L 中镀层的成功期望率值是由镀层和发动机每次判据评定值的乘积之和计算的

15、, 计算值越低 , 表示成功期望值越高。表 4 列出了 l 号和 2 号发动机各种镀层的成功期望值 , 表 4 下方是 l 号发动机和涂层MKP30的成功期望值的详细计算示例。 1 号发动机里有最高的期望值 , 而 MKP39涂层在 2 号发动机里结果最佳。喷涂工艺活塞环的制备为了保证结合强度 , 方便加工 , 将活塞环制成如图 1 所示的形状 ( 待喷环的外圆尺寸大于成品环 , 为喷后留出磨削加工余量 ) 。在车床上用专用圆孤型“R - 排刀 " 切削 , 将活塞环成组装夹在专用套筒内 ( 图 2) 。清洗在有机溶剂中清洗去除油污。烘干干燥箱内 l50 保温 1h。装夹每筒压装活塞环数50 片左右 ( 图 2) 。再清洗进一步去除油污。非喷部位保护对压板等进行遮蔽。表面喷砂粗化砂粒 8-l6 目/cm, 使用石英砂 , 压缩空气压力 0.45-0.60MPa 。喷前预热将活塞环预热至100- 150。喷涂按下列各参数进行喷涂 , 直至所要求的涂层厚度 : 起弧气 (Ar) 流量 0.8m3