一种气缸套内壁再制造涂层的制备方法与流程

本发明涉及工程与材料科学，特别涉及一种气缸套内壁再制造涂层的制备方法。

背景技术：

气缸缸套作为发动机中一个重要的部件是最易受到损害的，减少或降低损害显得非常必要。发动机气缸缸套最常见的失效形式为磨损失效，主要包括磨料磨损、腐蚀磨损和黏着磨损。因此认为无论何种形式的内燃机，对其气缸套的要求基本上是一致的，即气缸套内表面一定要满足高的抗磨性能、与活塞环之间的低摩擦系数、耐腐蚀性、耐磨性以及足够的抗拉强度等。

在本发明之前，人们采用不少办法试图提高其耐磨性等。其中，就有热喷涂技术。热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速的气流使其改变原有的状态，熔化为液滴，喷射到经过预处理的材料表面，形成附着牢固的表面层。热喷涂是气缸套再制造工艺之一，热喷涂可以在气缸内壁喷涂涂层以恢复气缸套尺寸，涂层材料与涂层结构可以在很大程度内调控，涂层中的孔隙可以实现储油功能。

陶瓷粉末加入涂层中能起到硬质相的作用，提高涂层的耐磨性能。利用热喷制备复合涂层是提升涂层性能的有效办法，现有的喷涂方法大多数是简单的混合粉末，当多种粉末密度相差较大时，喷涂过程中往往因混合粉末在热喷涂焰流中加速度不同导致涂层分层现象，这也是制约复合涂层发展的重要因素之一，金属与陶瓷粉末混合时尤为明显。目前常用的解决方法是使用密度相差较小的非陶瓷粉末作为替代品，这种方法难以达到较好的耐磨效果；或者喷涂经过加工的包覆粉末，这种方法由于需要喷涂前将金属包覆在非金属粉末表面，粉末制备成本较高。

CN101250698发明一种复合微粒镍基合金制造或修复气缸套的方法，用于对铁道、船用及大功率柴油机气缸套经使用磨损后内壁的修复。采用化学方式将合金溶液，涂覆在气缸套内表面，涂复工艺是：出加粒器的复合微粒镍基合金溶液导入待加工之气缸套内进行化学反应，将溶液中的碳化硅微粒均匀地涂复在待加工之气缸套内表面，再导入冷凝器，使溶液失去活性，化学反应停止，泵入配液槽配液，再送入加热器，到达出口温度82～83℃后导入加粒器，在加粒器内加入碳化硅微粒配制成复合微粒镍基合金溶液进入以下的循环系统。虽然此技术能顺利的在工件上制造修复涂层，但存在着环境污染太大的缺陷或问题，此外，由于工艺过于复杂该技术修复成本过高，很难得到广泛应用。

CN103710660A涉及一种发动机水冷气缸套外壁及内壁尺寸恢复与强化方法。该方法是采用内孔等离子喷涂技术在气缸套内壁制备镍基减磨、耐磨涂层，采用超音速等离子喷涂技术在气缸套外壁制备镍铝复合涂层。喷涂材料只能使用成本高昂的Ni包Al粉末，材料耐磨性受限，也没有涉及复合涂层的制备。

CN103132009A是一种修复容纳在发动机缸体中的缸套的内表面的方法。从内表面去除材料，以产生厚度减小的区域，厚度减小的区域相对于气缸轴向地延伸，并且在未达到缸套的端部处停止，从而在厚度减小的区域和缸体的端部之间留有初始直径区。然后，例如通过锤刷来使厚度减小的区域的表面粗糙化。此专利局限于尺寸的修复，在材料选择和加工工艺上没有实现突破。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述缺陷，研制一种气缸套内壁再制造涂层的制备方法。

本发明的技术方案是：

一种气缸套内壁再制造涂层的制备方法，其主要技术特征在于如下步骤：

(1)以热喷涂方式，利用粉末材料对车辆气缸套内壁的基体进行再制造；

(2)基体的材料是碳钢、或不锈钢或其它金属材料；所用喷涂粉末材料为金属-非金属复合材料；

(3)喷涂粉末材料为复合粉末，粒径在10-100μm之间；

(4)复合粉末进入焰流后，经过熔化和加速的全部过程或部分过程，沉积到基体上；

(5)在气缸套内壁上喷涂形成复合涂层。

所述步骤(1)中热喷涂方法包括但不限于：大气等离子喷涂、超音速火焰喷涂、亚音速火焰喷涂和火焰喷涂。

所述步骤(2)复合材料包括采用两种或两种以上以下物质：NiCrBSi、FeCrBSi、FeCrC、Mo中的一种作为金属基材料，采用Al₂O₃、WC、WC-Co、Al₂O₃-TiO₂中的一种作为非金属材料。

所述步骤(4)当复合粉末密度差较大时需要利用胶粘法将其粘合、处理。

所述步骤(5)中涂层厚度可以在200～500μm之间，若需要的涂层较厚，则可分多次实施喷涂。

所述步骤(5)中根据需要尺寸对喷涂修复后车辆气缸套内壁进行车削、抛光。

本发明的优点和效果在于：

针对气缸套内壁高温腐蚀磨损，外壁穴蚀的失效特点，本发明采用热喷涂的方法在缸套内壁再制造高性能复合涂层，恢复车辆发动机使用寿命。

喷涂过程中采用胶粘混粉法有效避免因复合粉末密度差异导致的涂层分层现象，有助于提高涂层的性能，因此相比常规喷涂方法，涂层使用寿命有较大提高。

本专利中胶粘方法适用于粉末密度相差较大的复合粉末，避免使用包覆粉末，因此可以有效节省材料成本。

相比于CN101250698介绍的修复方式，热喷涂技术无论在成本还是可行性方面都有很大优势，无需复杂的化学反应，本专利采用混合粉末经过加热、融化、沉积等简单步骤达到优于CN101250698中展示的修复效果，且操作工艺相对CN101250698简单可行，由于没有化学反应过程，对环境污染较小，能源利用率也有提高。本专利对材料选择性好，不用针对不同材料制定不同工艺。

相比于CN103710660A中使用成本高昂的Ni包Al粉末，本专利利用胶粘法，顺利解决因密度相差导致的分层现象，保证涂层质量的同时大大降低生产成本。此方法也适用于其他类似情况热喷涂过程。

相比于CN103132009A中的Fe合金甚至Ni合金，由于添加硬质陶瓷粉末，在涂层中添加硬质颗粒，摩擦过程中起主要受力作用，耐磨性能进一步提高，某些氧化物陶瓷还可以形成转移膜，提高润滑性能。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1——本发明喷涂过程示意图。

图2——本发明NiCrBSi-Al₂O₃复合涂层的XRD图谱示意图。

图3——本发明等离子喷涂气缸套内壁复合涂层截面示意图。

图4——本发明火焰喷涂气缸套内壁复合涂层截面示意图。

图5——本发明等离子喷涂FeCrBSi-Al₂O₃得到的涂层示意图。

图中各标号表示对应的部件名称如下：

旋转台1、支架2、(内孔喷枪)喷嘴3、气缸套4、内孔喷枪5、焰流6、送粉管7。

具体实施方式

本发明的技术思路：

针对车辆发动机气缸套内壁因磨损或点蚀导致工件报废的问题，采用热喷涂方法在气缸套内壁获得复合涂层，再通过机加工使气缸套恢复初始内径，采用胶粘法解决喷涂过程中出现的涂层分层现象。实现气缸套的再制造，在提高气缸套内壁耐磨性的同时，保证涂层质量及结合性能。本发明能够降低气缸套在使用过程中不可避免的磨损失效，赋予气缸套二次寿命，延长发动机气缸套使用寿命。

下面结构说明书附图具体说明本发明。

如图1所示的结构：

(配伺服电机的)旋转台1固定于地面，转速可控(根据所需修复工件尺寸而定)，支架2设置在旋转台1上面，即支架2将旋转台1与待修复的气缸套4隔开，气缸套4立在支架2上，内孔喷枪5下部在气缸套4内，(内孔喷枪)喷嘴3在内孔喷枪5的下部上，自然也就在气缸套4内，内孔喷枪5上部另一端在气缸套4外，与送粉管7连通。

内孔喷枪5由六轴联动机械臂控制，上下匀速移动的过程中保证喷嘴3喷出的焰流6能够均匀涂覆于气缸套4内壁，送粉管(包括送粉器(图中未画出，省略))7连接内孔喷枪5，保证内孔喷枪5出粉均匀。

本发明的具体步骤包括：

(1)材料准备：复合粉末包括采用两种或两种以上以下物质：NiCrBSi、FeCrBSi、FeCrC、Mo中的一种作为金属基材料，采用Al₂O₃、WC、WC-Co、Al₂O₃-TiO₂中的一种作为非金属材料。喷涂前对复合粉末预处理包括混粉、胶粘、网筛、烘干等步骤，由于粉末粒径过小容易导致团聚堵管，粒径过大则融化状态较差，因此复合粉末粒径控制在10-100μm之间，。

(2)混粉过程：将需要喷涂的复合粉末经混料机混合2h，用PVA胶水与混合后粉末搅拌均匀，置于烘箱内烘至微粘合状态，用130目筛网筛至合适粒度，然后置于200℃烘箱内两小时使胶水彻底固化，此方式能有效粘结不同粉末，避免喷涂过程中因加速度不同导致的粉末沉积状态差异的分层现象，喷涂过程中胶水会在等离子高温下燃烧殆尽，不会因残留异物影响复合涂层性能。

(3)基体准备：喷涂基体采用成品气缸套，喷涂前对基体进行预处理包括机加工、清洗、干燥、喷砂等步骤，机加工主要作用是统一修复尺寸，便于喷涂程序的设定；清洗和干燥主要为了去除车辆气缸套内壁上的油污等杂质，以防喷涂过程中涂层材料与车辆气缸套内壁结合力差；喷砂步骤增加气缸套内壁粗糙度，同样有助于提高结合强度。

(4)涂层制备：利用送粉管将复合粉末送入采用喷枪，经过加温、熔化和加速的全部过程或部分过程，沉积到基体上。

(5)过程控制：计算出喷涂沉积效率，根据气缸套工件所需尺寸，利用机械臂和伺服电机配合控制喷涂粒子束运动轨迹，通过精确的计算能将尺寸误差控制在10μm之内，方便接下来的车削、抛光等机加工作业。

实施例1：

将20g粒径20μm左右Al₂O₃粉末与180g粒径40-50μm的NiCrBSi粉末均匀混合，以胶粘法粘接后放入送粉器管7，控制送粉量为30g/min送入等离子焰流中，沉积在气缸套内壁形成复合涂层，送粉量过多或过少会导致送粉过程中的未熔或过氧化情况发生，直接影响喷涂质量以及涂层厚度。喷涂参数设定为H₂流量7L/min，Ar流量40L/min，电流500A，电压56V。为保证涂层均匀以及厚度可控，喷枪移动速度定为200mm/s，每次向下移动3mm，连续喷涂6次。用X射线衍射仪观察相结构。如图2所示，涂层存在γ-Ni、α-Al₂O₃、γ-Al₂O₃等相，Al₂O₃以增强相的形式存在于所得涂层中有效增强涂层耐磨性能，涂层厚度150μm左右，符合制备气缸套内壁修复尺寸要求。

实施例2：

将40g粒径20μm左右Al₂O₃粉末与160g粒径40-50μm的NiCrBSi粉末均匀混合，由于Al₂O₃密度较NiCrBSi等合金粉末小，Al₂O₃质量比控制在10％-30％防止含量过多导致所得涂层自熔性较变差，降低涂层质量，以胶粘法粘接后送入喷涂装置，控制送粉量为35g/min送入等离子焰流中，沉积在气缸套内壁形成复合涂层。H₂流量5L/min，Ar流量40L/min，电流500A，电压56V。喷枪移动速度为200mm/s，每次向下移动3mm，由于送粉量较大，适当降低喷涂次数以控制所得涂层厚度，连续喷涂5次。用菜卡显微镜观察涂层截面形貌。如图3所示，涂层结合良好，孔隙率5％左右，Al₂O₃分散均匀，涂层厚度在120μm左右，即沉积速率在20-30μm/次，适合制备气缸套内壁涂层。

实施例3：

FeCrBSi相比于NiCrBSi材料成本更低，更适于工业大规模生产，将FeCrBSi与Al₂O₃以8∶2质量比例均匀混合，胶粘后送入到火焰喷枪焰流中，沉积在基体上形成金属陶瓷复合涂层。喷枪所用气体为氧气和乙炔，其燃烧温度能达到3000℃，完全满足FeCrBSi及Al₂O₃材料熔化温度，喷枪移动速度为150mm/s，每次向下移动2mm，连续喷涂15次。用菜卡显微镜观察截面形貌，如图4所示，涂层厚度150μm左右，分散均匀，层基结合情况良好，满足高强度耐磨测试。

实施例4：

将粒径40-50μm的FeCrBSi粉末与粒径20μm左右Al₂O₃粉末分别以19∶1、18∶2、16∶4、14∶6质量比均匀混合，对比4种不同成分比实验以寻找综合性能最优的涂层产品，以胶粘法粘接后送入喷涂装置，控制送粉量为30g/min送入等离子焰流中，沉积在304不锈钢表面形成复合涂层。H₂流量5L/min，Ar流量40L/min，电流500A，电压56V。喷枪移动速度为200mm/s，每次向下移动3mm，连续喷涂5次。所得复合涂层试样如图5所示，显示质量比为16∶4这一参数的涂层表面粗糙度适中，无缺陷，适合缸套加工。

实施例5：

将20g粒径20μm左右TiO₂粉末与180g粒径40-50μm的NiCrBSi粉末均匀混合，TiO₂粉末被熟知用于无机颜料，但是在涂层中作为添加相同样能起到一定的弥散强化作用，以胶粘法粘接后送入喷涂装置，控制送粉量为30g/min送入等离子焰流中，沉积在气缸套切片形成复合涂层。H₂流量5L/min，Ar流量42L/min，电流550A，电压60V。喷枪移动速度为200mm/s，每次向下移动3mm，连续喷涂6次。用扫描电镜FE-SEM观察涂层截面，等离子喷涂复合涂层表面融化良好，粒子充分扁平化，结合度高，且有一定的储油孔隙，适合缸套加工。

本发明克服了传统等离子喷涂工艺中金属-陶瓷，金属-金属等复合粉末喷涂时易分层的难题，通过将复合粉末经胶粘处理方法，将密度相差较大的粉末均匀喷涂于基体，同时沉积效率得到保证，结合率良好，耐磨性能优秀，在车辆气缸套再制造方面有很好的应用前景。尤其适合制备厚度要求在100μm～300μm后的非致密耐磨涂层。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。