65Mn耐磨涂層的制備及性能研究

摘 要：為了解決鋁制發(fā)動機(jī)缸體耐磨性差的問題，本文利用熱噴涂技術(shù)，在鋁制發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)壁制備一層鐵基耐磨涂層。進(jìn)而選擇噴涂絲材和適合的噴涂工藝，制備出65Mn耐磨涂層，并對涂層的硬度、厚度、微觀組織、物質(zhì)組成以及耐磨性進(jìn)行試驗和分析。結(jié)果表明，涂層硬度適中，涂層中存在大量氧化物和孔隙結(jié)構(gòu)，在濕摩擦條件下，涂層的摩擦系數(shù)均小于灰鑄鐵（HT）的摩擦系數(shù)，從而說明制備耐磨涂層是解決該問題的一條有效途徑。

關(guān)鍵詞：65Mn耐磨涂層；電弧熱噴涂；鋁制發(fā)動機(jī)缸體；輕量化

中圖分類號：TG 142 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

采用鋁制發(fā)動機(jī)缸體是實(shí)現(xiàn)機(jī)車領(lǐng)域輕量化的一條有效途徑[1]，但是鋁制發(fā)動機(jī)缸體內(nèi)壁極易出現(xiàn)磨損和損傷，如果不加以改進(jìn)，那么會降低發(fā)動機(jī)功率、增加燃油消耗和排放，還可能產(chǎn)生大量的金屬顆粒，加速其他關(guān)鍵零部件的損傷，甚至?xí)拱l(fā)動機(jī)報廢[2]。因此，在鋁制發(fā)動機(jī)缸體內(nèi)壁表面制備涂層，使其在缸體內(nèi)壁表面形成高硬度、高韌性和高耐腐蝕的保護(hù)層，能夠有效提升缸體的耐磨性，從而達(dá)到機(jī)車輕量化的目的[3]。國內(nèi)、外許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)在提高鋁制發(fā)動機(jī)缸體內(nèi)壁耐磨性方面已取得了一定進(jìn)展[4]。例如將鑄鐵缸套嵌入鋁制缸體內(nèi)，或者用新工藝制備出高耐磨的鋁合材料進(jìn)而制備缸體。但是前者很難解決間隙和熱膨脹不同的難題，后者投入太高，工藝復(fù)雜，二者均很難實(shí)現(xiàn)[5]。采用物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積或者電鍍等技術(shù)也可以制備涂層，但是存在涂層太薄或者與鋁制基體結(jié)合不強(qiáng)等問題。因此采用熱噴涂技術(shù)在缸體內(nèi)壁制備耐磨涂層具有良好前景。

1 涂層材料的選擇

常見的涂層材料包括陶瓷材料、金屬基復(fù)合材料和其他耐磨合金材料，根據(jù)不同的應(yīng)用需求可以進(jìn)行靈活選擇。涂層的制備也可以選擇電弧噴涂、火焰噴涂、等離子噴涂和爆炸噴涂等方法，采用熱噴涂技術(shù)可以制備出耐磨涂層，需要控制好噴涂工藝參數(shù)并選擇合適的材料，才能制備出具有高硬度、低摩擦系數(shù)和良好附著力的耐磨涂層。本文將成本便宜的鐵基合金為噴涂材料，并采用常見的電弧熱噴涂技術(shù)制備涂層。

本文針對鐵基材料，選擇直徑為2mm的65Mn金屬絲材，化學(xué)成分見表1。

采用XDP-6型電弧噴涂設(shè)備，噴涂前需要清理基體表面，利用射吸式噴砂機(jī)高速噴射石英砂顆粒，撞擊基體表面，以去除氧化物和雜質(zhì)，并產(chǎn)生均勻的粗糙表面。將FeAl作為過渡層，以保證涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，制備65Mn涂層的電壓為34V、電流為200A、空氣壓力 為0.5MPa，噴涂距離為180mm。

2 試驗與結(jié)果分析

2.1 65Mn涂層微觀形貌與物相觀察分析

65Mn涂層的微觀組織形貌如圖1所示。觀察圖1可以發(fā)現(xiàn)，涂層組織比較致密，涂層內(nèi)部組織扁平化較好，連續(xù)化均勻化較好，扁平粒子邊界被氧化物以長條形包圍。但是也存在一些扁平化較差的組織，呈現(xiàn)橢圓形甚至圓形。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是噴涂電流過大，導(dǎo)致在一段時間內(nèi)熔化的噴涂絲材較多，由于溫度不均勻，有些噴涂顆粒受高溫影響體積膨脹，有些噴涂顆粒則溫度較低，導(dǎo)致2種顆粒到達(dá)基體表面的狀態(tài)不同，因此扁平化效果也不盡相同。此外，熔融細(xì)小粒子到達(dá)基體表面與冷卻凝固沉積時刻不同，因此不可避免地會出現(xiàn)少量孔隙，同時氣體不能及時排出，涂層也存在少量氣孔。但是從整體上看，制備的涂層微觀組織的粒子連續(xù)均勻分布，致密性良好，沉積層中出現(xiàn)的孔隙極少。

對65Mn涂層進(jìn)行X射線衍射圖譜分析，結(jié)果表明，氧化物主要為FeO、Fe3O4和Mn3O4，還有少數(shù)其他氧化物。

2.2 65Mn涂層側(cè)面觀察

65Mn涂層和灰鑄鐵橫截面形貌如圖2所示，在金相顯微鏡頭下可以看到，這2種涂層緊緊貼合基體表面，但是也存在由基體表面不平整導(dǎo)致的孔隙。經(jīng)測量，65Mn涂層平均厚度為414.5μm。

2.3 涂層硬度結(jié)果與分析

利用顯微硬度計對涂層和灰鑄鐵進(jìn)行顯微硬度測試。取9個不同的位置進(jìn)行測試，去掉一個最高值和一個最低值，剩下的7個值取平均值，灰鑄鐵的平均顯微硬度值為229，范圍跨度不大，主要集中在201～263。65Mn涂層的顯微硬度值為107～437，硬度跨越范圍較大，平均硬度值為328.9。

2.4 磨損試驗結(jié)果與分析

2.4.1 平銷浸油潤滑磨損試驗結(jié)果與分析

磨損試驗工作參數(shù)包括軸向力50N，時間2h，轉(zhuǎn)速0.5m/s，

滑行距離3600m。采用普通轎車發(fā)動機(jī)潤滑油進(jìn)行潤滑。

試驗結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，在浸油潤滑條件下進(jìn)行摩擦，65Mn涂層的摩擦系數(shù)明顯低于灰鑄鐵。從這個角度看，當(dāng)平銷浸油潤滑摩擦?xí)r，65Mn涂層的耐磨性高于灰鑄鐵。由于在浸油摩擦過程中，銷子的磨損量較少，因此沒有測量銷子的磨損量。由磨損失重的測量結(jié)果得知，65Mn涂層磨損失重為0.003g，灰鑄鐵的失重為0.0043g，因而65Mn涂層比灰鑄鐵耐磨。出現(xiàn)該結(jié)果的原因主要與涂層組織存在的孔隙有關(guān)。在浸油潤滑條件下，潤滑油停留在涂層孔隙內(nèi)，摩擦過程中油液在涂層表面生成潤滑膜，使摩擦系數(shù)大幅降低。由摩擦學(xué)原理也可以得到進(jìn)一步驗證。因為在全膜潤滑狀態(tài)下，涂層表面與平銷表面不直接接觸，因此不會出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，只有油膜失效后才會出現(xiàn)涂層磨損。涂層的失重主要與涂層粒子間的結(jié)合力有關(guān)，在摩擦力的作用下，粒子間的結(jié)合力越強(qiáng)，就越耐磨。

觀察2種試樣的磨痕形貌可以發(fā)現(xiàn)，65Mn涂層的磨痕連續(xù)、光滑，涂層表面出現(xiàn)磨損脫落的碎屑；灰鑄鐵磨痕較粗糙，并且流暢度低于65Mn涂層。

2.4.2 平銷干磨損試驗結(jié)果及分析

平銷干摩擦磨損試驗的參數(shù)包括摩擦?xí)r間10min、軸向力50N。此時涂層可能會出現(xiàn)黏著磨損，因此涂層及其對磨件的失重均應(yīng)考慮在內(nèi)。試驗結(jié)果如圖4所示。比較平銷油液潤滑試驗，在平銷干磨損試驗條件下，65Mn涂層的摩擦系數(shù)明顯變高，約為0.7，灰鑄鐵的摩擦系數(shù)約為0.5，65Mn涂層的摩擦系數(shù)比灰鑄鐵的摩擦系數(shù)高約0.2。測量磨損失重可知，65Mn涂層的失重為0.0059g，對磨銷釘?shù)氖е貫?.0056g；灰鑄鐵的失重為0.0095g，對磨銷釘?shù)氖е貫?.0023g。此時65Mn涂層的失重低于灰鑄鐵，但是其對磨銷釘?shù)氖е貐s比灰鑄鐵對磨銷釘?shù)氖е卮?，說明在干磨條件下，65Mn涂層的耐磨性比灰鑄鐵好。

觀察2種材料磨損表面的顯微形貌可以看出65Mn涂層出現(xiàn)擦傷，原因是氧化物脫落，并停留在涂層表面。

2.5 65Mn涂層的孔隙

在浸油磨損過程中，涂層孔隙的存在提高了涂層含油量，當(dāng)摩擦進(jìn)入珩磨溝槽時，孔隙內(nèi)的潤滑油具有潤滑作用，顯著降低了摩擦系數(shù)，因此起到了減磨作用?？梢酝ㄟ^ImageJ軟件來分析涂層中的孔隙結(jié)構(gòu)，利用該軟件處理低倍的涂層孔隙形貌圖片，可以得出孔隙的輪廓，如圖5、圖6所示?？梢钥闯觯糠挚紫妒菃为?dú)存在的，形狀比較接近圓形，利用軟件觀察可以發(fā)現(xiàn)許多氧化物分布在孔隙周圍，這些氧化物是噴涂過程中熔滴粒子被侵入的空氣氧化所致，呈帶狀分布。

為了進(jìn)一步研究涂層中的孔隙率，利用公式（1）計算出涂層的孔隙率。

（1）

式中：I為孔隙率數(shù)值；A1為被測涂層表面上孔隙的面積和；A2為涂層表面。

為了使所得孔隙率數(shù)值更可信，可以選擇多張涂層照片進(jìn)行軟件分析和計算。本次試驗選擇5張65Mn涂層照片，并取平均值，65Mn涂層的平均孔隙率為9.1，還可以利用該方法計算出氧化物的占比。這些數(shù)值對后續(xù)研究潤滑油在摩擦磨損過程中的減磨作用和65Mn涂層的摩擦學(xué)原理具有重要意義。

3 結(jié)論

本文采用電弧熱噴涂工藝，將FeAl作為過渡層，在噴涂電壓34V、電流200A、空氣壓力0.5MPa和噴涂距離180mm的條件下，在鋁制發(fā)動機(jī)缸體內(nèi)壁成功制備出了65Mn涂層。該65Mn涂層組織粒子扁平程度高，呈現(xiàn)出完美扁平的層狀結(jié)構(gòu)，氧化物連續(xù)均勻散布在涂層組織間。受氧化物分布情況、粒子堆疊程度和孔隙數(shù)量、分布等因素影響，涂層硬度范圍跨越較大，但是均高于灰鑄鐵的平均硬度。

在平銷浸油潤滑條件下，65Mn涂層的耐磨性能均高于灰鑄鐵。主要原因是浸入涂層孔隙結(jié)構(gòu)中的潤滑油在摩擦過程中可以形成潤滑膜，顯著降低了摩擦系數(shù)，進(jìn)而使65Mn涂層表現(xiàn)出良好的耐磨性。

在平銷干磨的條件下，65Mn涂層的耐摩性能也高于灰鑄鐵，說明將65Mn涂層作為鋁制發(fā)動機(jī)缸體內(nèi)壁的減摩涂層是可行的。

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