一种镍基耐磨涂层、其制备方法及应用
【专利摘要】本发明公开了一种镍基耐磨涂层、其制备方法及应用。该镍基耐磨涂层包括按wt.%计算的如下组分：0＜WC?12wt.%Co相≤50%；其余部分包括Ni60AA相；其制备工艺包括：首先将WC?12wt.%Co粉末和Ni60AA粉末混合配置复合粉末，然后采用等离子体喷涂方法将所述复合粉末喷涂在基体表面。本发明通过等离子喷涂获得镍基复合涂层具有良好的耐磨防腐性能，尤其在贫油、油润滑条件下摩擦磨损性能显著优于灰铸铁材料，有望作为铝缸体镶嵌铸铁缸套的替代涂层应用于汽车发动机领域。
【专利说明】
一种镍基耐磨涂层、其制备方法及应用
技术领域
[0001] 本发明涉及铝合金的表面防护处理领域，特别是涉及一种镍基耐磨涂层、其制备 方法及应用。
【背景技术】
[0002] 铝合金材料因具有来源丰富、质量较轻、导热性能好等优点而被广泛应用于航空、 航天及汽车工业。例如，铝合金用于发动机制造可以大大减轻汽车的重量，以铝合金代替钢 铁材料的轻量化处理不仅有助于汽车动力性能的提高，还是实现汽车节能减排的重要途径 之一。但是，铝合金本身的低硬度导致材料的耐磨性较差，因此在运动部件中应用时需要进 行一定的表面防护处理。目前，铝合金发动机缸体采用镶嵌铸铁缸体的方式来改善铝合金 发动机的摩擦学性能（专利201410171511. X、201210014076. 0)，但是铸铁缸套与铝合金活 塞存在热膨胀系数等差异，因此在高温工况下导致配合间隙发生改变，从而增加能耗及降 低发动机输出功率。
[0003] 热喷涂技术广泛应用于材料的表面强化技术，包括铝合金表面强化，因此对铝合 金发动机缸体内壁进行表面喷涂耐磨涂层是一种替代铸铁缸套的有效手段。已报道结果表 明，宝马在一款赛车用全铝发动机中采用了热喷涂铁基涂层取代铸铁缸套。但是，铸铁涂层 在喷涂过程中铸铁很容易发生氧化，产生过多的氧化物非常不利于涂层的性能的提高，同 时该体系涂层材料硬度偏低。
【发明内容】
[0004] 本发明的主要目的在于提供一种镍基耐磨涂层、其制备方法及应用，以克服现有 技术中的不足。
[0005] 为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
[0006] 本发明实施例公开了一种镍基耐磨涂层，该镍基耐磨涂层包括按wt. %计算的如 下组分：
[0007] 0 < WC_12wt. % Co 相彡 50% ;
[0008] 其余部分包括Ni60AA相。
[0009] 优选的，该镍基耐磨涂层包括0 < WC-12wt. % Co相彡50%，余量为Ni60AA相。
[0010] 优选的，在上述的镍基耐磨涂层中，所述WC-12wt. % Co相的含量为40wt. %。
[0011] 本发明实施例还公开了所述镍基耐磨涂层于机械装置等之中的应用。
[0012] 例如，其中的一种应用方式为：
[0013] -种发动机气缸，包括铝合金缸体以及形成于所述铝合金缸体表面的所述镍基耐 磨涂层。
[0014] 相应地，本发明还公开了一种镍基耐磨涂层的制备方法，其包括：首先将 WC-12wt. % Co粉末和Ni60AA粉末混合配置复合粉末，其中WC-12wt. % Co粉末的重量比 大于0,且小于等于50%，然后采用等离子体喷涂方法将所述复合粉末喷涂在基体表面。当 然，本领域技术人员亦可想到采用其它等同或相近之喷涂方法。
[0015] 优选的，在上述的镍基耐磨涂层的制备方法中，所述WC_12wt. % Co粉末的粒 度-325+500目；所述附6(^4粉末的粒度为-140+325目。即1(：-12￥七％(：〇粉末粒径在325 目到500目，Ni60AA粉末的粒径在140目到325目范围内。
[0016] 优选的，在上述的镍基耐磨涂层的制备方法中，所述基体为错合金基体。所述的基 体还可以为活塞等铝合金工件。
[0017] 优选的，在上述的镍基耐磨涂层的制备方法中，可在喷涂前对所述铝合金基体表 面先进行喷砂粗糙化，所述的喷砂粗糙化处理的条件包括：喷砂压力为〇. 4~0. 8MPa，砂粒 的平均尺寸为60目。
[0018] 当然，铝合金基体表面的粗糙化还可以通过机械加工等手段实现。
[0019] 优选的，在上述的镍基耐磨涂层的制备方法中，所述WC-12wt. % Co粉末和Ni60AA 粉末混合后通过球磨处理获得复合粉末，所述的球磨处理的工艺条件包括：球料比为 2:1~10:1、球磨时间为5~20h、球磨转速为100-200r/min。
[0020] 优选的，在上述的镍基耐磨涂层的制备方法中，所述的等离子喷涂的工艺条件包 括：工作电流彡650A ;电弧电压彡80V ;氩气压力0· 6~0· 85MPa ;氩气流量25~45L/min ; 氢气压力〇· 2~(λ 35MPa ;氢气流量L 2~2. 6L/min ;送粉速率50~130g/min ;喷涂距离 70~120mm;喷涂角度为60。~90。。
[0021] 本发明还提供了利用前述任一种方法形成的镍基耐磨涂层。
[0022] 与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：
[0023] (1)本发明碳化钨增强镍基复合喷涂粉末具有较好的抗高温氧化性，能避免喷涂 过程中被过度氧化，从而提高了喷涂后涂层内部结合的致密性，同时镍基粉末是自熔性粉 末，有助于提高涂层的性能，喷涂后涂层中孔隙大小适中、形状圆滑，有效减少了裂纹的产 生，因此能够很好地起到储油功能；
[0024] (2)本发明碳化钨增强镍基复合喷涂粉末中含有较高含量的碳化钨，可以大幅 提高涂层的硬度及耐磨损性能，例如Ni-Owt. % WC涂层的平均维氏硬度为870. 06HV，而 Ni-40wt. % WC涂层的平均维氏硬度1045. 9HV，Ni-0wt. % WC和Ni-40wt. % WC涂层在相同 条件下的平均磨损率分别为〇· 38714X 10 7/mm3N i ^0. 00705X 10 7/mm3N i S
[0025] (3)采用等离子喷涂工艺形成涂层，其较之超音速喷涂具有短火焰长度等特性，因 此非常适用于小尺寸的发动机缸体的内孔喷涂。
【附图说明】
[0026] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027] 图1是本发明实施例1中铝合金基体表面的NW4涂层的XRD图谱；
[0028] 图2a和图2b分别是本发明实施例1中NW4涂层的表面及截面SEM形貌图；
[0029] 图3a和图3b分别是本发明实施例1中等离子喷涂NW4涂层与灰铸铁在干摩擦、 贫油润滑及油润滑条件下的摩擦系数和磨损率数据图；
[0030] 图4a-图4d是本发明实施例1中等离子喷涂NW4涂层与灰铸铁的磨损形貌对比 图，其中：图4a是灰铸铁在贫油条件下的磨损形貌，图4b是NW4涂层在贫油条件下的磨损 形貌，图4c是灰铸铁在油润滑条件下磨损形貌，图4d是NW4涂层在油润滑条件下的磨损形 貌。
【具体实施方式】
[0031] 本发明通过下列实施例作进一步说明：根据下述实施例，可以更好地理解本发明。 然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料比、工艺条件及其结果仅用 于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
[0032] 在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅 示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大 的其他细节。
[0033] 实施例1 :
[0034] 本实施例中，铝合金基体为发动机气缸，在该气缸内壁表面为等离子喷涂涂层，按 重量百分比计，该涂层的组分及重量含量为：WC-12wt. % Co粉末40%和Ni60AA粉末60% (15. 4wt. % Cr, 3. 43wt. % B, 4. 65wt. % Si, 0· 78wt. % C, 3. 3wt. % Fe，余量为镍），命名为 NW4涂层。
[0035] 该涂层的制备方法如下：
[0036] (1)将铝合金基体表面进行喷砂粗化处理，选择喷砂压力为0. 6MPa，砂粒尺寸为 60目，然后将喷砂后样品在丙酮及乙醇中各超声波清洗20min ;
[0037] (2)按照重量百分比配方：WC-12wt. % Co粉末40 %和Ni60AA粉末60 % (15. 4wt. % Cr, 3. 43wt. % B, 4. 65wt. % Si, 0· 78wt. % C, 3. 3wt. % Fe，余量为银），碳化妈 粉末和镍基复合粉末和的粒度分别为-325+500目和-140+325目；
[0038] (3)选用球磨机制备热喷涂用镍基复合粉末，选择球料比为5:1、球磨时间为10h、 球磨转速为150r/min。
[0039] (4)将混合后的镍基复合粉末放入等离子喷涂设备的送粉器中，将铝合金基体样 品安装到旋转的工装上，调节送粉速率为77. 44g/min，工件旋转速度为0. 314m/s，喷枪扫 描速度为〇. 〇〇64m/s，调整喷涂距离为100mm，喷涂角度为90° ;
[0040] (5)设置喷涂工艺参数为：工作电流450A ;工作电压55V ;氩气压力0· 82MPa ;氩气 流量32L/min ;氢气压力0. 31MPa ;氢气流量lL/min，开始喷涂制得Ni-WC复合涂层。
[0041] 表1是本发明实施例1中等离子喷涂NW4涂层的力学性能；可以看出NW4涂层的 力学性能明显优于灰铸铁。
[0042] 图1是本发明实施例1制得的NW4涂层的XRD组分分析结果。可以看出，该涂层 由镍基体相与WC增强相所组成。
[0043] 图2a和图2b分别是本发明实施例1制得的NW4涂层的表面及截面SEM形貌。可 以看出，该涂层内部结合致密，涂层中空隙大小适中、形状圆滑，有效减少了裂纹的产生，因 此能够很好地起到储油功能。
[0044] 对上述制得的NW4涂层进行摩擦实验。实验环境分别为大气环境、油环境以及贫 油环境。实验过程为：将基体表面的NW4涂层进行抛光后固定在UMT-3多功能摩擦磨损试 验机上，设定载荷为20N，频率为5Hz，摩擦时间为30min，摩擦介质为发动机润滑油，运动形 式为往复式运动。为了对比起见，对灰铸铁块体进行完全相同的摩擦实验，该基体与本实施 例中的基体完全相同。经过摩擦实验后测得涂层的磨损率如图3所示，从中可以看出，与灰 铸铁块体相比，本实施例中的NW4涂层在大气环境、油环境以及贫油环境中的磨损率均远 低于灰铸铁，表现出优异的耐摩擦性能。
[0045] 图4为灰铸铁与NW4涂层磨损表面形貌，结果表明NW4涂层的耐磨性能较灰铸铁 显者提尚。
[0046] 实施例2 :
[0047] 本实施例中，铝合金基体为发动机气缸，在该气缸内壁表面为等离子喷涂涂层， 按重量百分比计，该涂层的组分及含量为：WC-12wt. % Co粉末20%和Ni60AA粉末80% (15. 4wt. % Cr，3. 43wt. % B，4. 65wt. % Si, 0· 78wt. % C，3. 3wt. % Fe，余量为银）。
[0048] 该涂层的制备方法如下：
[0049] (1)将铝合金基体表面进行喷砂粗糙化处理，选择喷砂压力为0· 6MPa，砂粒尺寸 为60目，然后将喷砂后样品在丙酮及乙醇中各超声波清洗20min ;
[0050] (2)按照重量百分比配方：WC-12wt. % Co粉末20 %和Ni60AA粉末80 % (15. 4wt. % Cr, 3. 43wt. % B, 4. 65wt. % Si, 0· 78wt. % C, 3. 3wt. % Fe，余量为银），碳化妈 粉末和镍基复合粉末和的粒度分别为-325+500目和-140+325目；
[0051] (3)选用球磨机制备热喷涂用镍基复合粉末，选择球料比为5:1、球磨时间为10h、 球磨转速为150r/min。
[0052] (4)将碳化钨增强镍基复合粉末放入等离子喷涂设备的送粉器中，将基体安装到 旋转工装上，调节搅拌器电压至送粉速率为99. 66g/min，调节工件旋转速度为0. 314m/s， 喷枪扫描速度为〇. 〇〇64m/s，调整喷涂距离为70mm，喷涂角度为90° ;
[0053] (5)设置喷涂工艺参数为：工作电流465A ;工作电压55V ;氩气压力0· 82MPa ;氩气 流量31. 62L/min ;氢气压力0. 31MPa ;氢气流量1. 03L/min，开始喷涂制得Ni-WC复合涂层。
[0054] 本发明实施例2中等离子喷涂NW4涂层的力学性能参表1所示；可以看出NW4涂 层的力学性能明显优于灰铸铁。
[0055] 实施例3 :
[0056] 本实施例中，铝合金基体为发动机气缸，在该气缸内壁表面为等离子喷涂涂层， 按重量百分比计，该涂层的组分及含量为：WC-12wt. % Co粉末0%和Ni60AA粉末100% (15. 4wt. % Cr，3. 43wt. % B，4. 65wt. % Si, 0· 78wt. % C，3. 3wt. % Fe，余量为银）。
[0057] 该涂层的制备方法如下：
[0058] (1)将铝合金基体表面进行喷砂粗糙化处理，选择喷砂压力为0· 6MPa，砂粒尺寸 为60目，然后将喷砂后样品在丙酮及乙醇中各超声波清洗20min ;
[0059] (2)按照重量百分比配方：WC-12wt. % Co粉末10 %和Ni60AA粉末90 % (15. 4wt. % Cr, 3. 43wt. % B, 4. 65wt. % Si, 0· 78wt. % C, 3. 3wt. % Fe，余量为银），碳化妈 粉末和镍基复合粉末和的粒度分别为-325+500目和-140+325目；
[0060] (3)选用球磨机制备热喷涂用镍基复合粉末，选择球料比为5:1、球磨时间为10h、 球磨转速为150r/min。
[0061] (4)将碳化钨增强镍基复合粉末放入等离子喷涂设备的送粉器中，将基体安装到 旋转工装上，调节搅拌器电压至送粉速率为99. 66g/min，调节工件旋转速度为0. 314m/s， 喷枪扫描速度为〇. 〇〇64m/s，调整喷涂距离为70mm，喷涂角度为90° ;
[0062] (5)设置喷涂工艺参数为：工作电流465A ;工作电压55V ;氩气压力0· 82MPa ;氩气 流量31. 62L/min ;氢气压力0. 31MPa ;氢气流量1. 03L/min，开始喷涂制得Ni-WC复合涂层。
[0063] 本发明实施例3中等离子喷涂NW4涂层的力学性能参表1所示；可以看出NW4涂 层的力学性能明显优于灰铸铁。
[0064] 实施例4 :
[0065] 本实施例中，铝合金基体为发动机气缸，在该气缸内壁表面为等离子喷涂涂层， 按重量百分比计，该涂层的组分及含量为：1(：-12被.％(：〇粉末1%和附6(^4粉末99% (15. 4wt. % Cr，3. 43wt. % B，4. 65wt. % Si, 0· 78wt. % C，3. 3wt. % Fe，余量为银）。
[0066] 该涂层的制备方法如下：
[0067] (1)将铝合金基体表面进行喷砂粗糙化处理，选择喷砂压力为0. 6MPa，砂粒尺寸 为60目，然后将喷砂后样品在丙酮及乙醇中各超声波清洗20min ;
[0068] (2)按照重量百分比配方：WC-12wt. % Co粉末1%和Ni60AA粉末99% (15. 4wt. % Cr, 3. 43wt. % B, 4. 65wt. % Si, 0· 78wt. % C, 3. 3wt. % Fe，余量为银），碳化妈粉末和银基复 合粉末和的粒度分别为-325+500目和-140+325目；
[0069] (3)选用球磨机制备热喷涂用镍基复合粉末，选择球料比为5:1、球磨时间为10h、 球磨转速为150r/min。
[0070] (4)将碳化钨增强镍基复合粉末放入等离子喷涂设备的送粉器中，将基体安装到 旋转工装上，调节搅拌器电压至送粉速率为99. 66g/min，调节工件旋转速度为0. 314m/s， 喷枪扫描速度为〇. 〇〇64m/s，调整喷涂距离为70mm，喷涂角度为90° ;
[0071] (5)设置喷涂工艺参数为：工作电流465A ;工作电压55V ;氩气压力0· 82MPa ;氩气 流量31. 62L/min ;氢气压力0. 31MPa ;氢气流量1. 03L/min，开始喷涂制得Ni-WC复合涂层。
[0072] 本发明实施例4中等离子喷涂NW4涂层的力学性能参表1所示；可以看出NW4涂 层的力学性能明显优于灰铸铁。
[0073] 实施例5 :
[0074] 本实施例中，铝合金基体为发动机气缸，在该气缸内壁表面为等离子喷涂涂层， 按重量百分比计，该涂层的组分及含量为：WC-12wt. % Co粉末48%和Ni60AA粉末52% (15. 4wt. % Cr，3. 43wt. % B，4. 65wt. % Si, 0· 78wt. % C，3. 3wt. % Fe，余量为银）。
[0075] 该涂层的制备方法如下：
[0076] (1)将铝合金基体表面进行喷砂粗糙化处理，选择喷砂压力为0· 6MPa，砂粒尺寸 为60目，然后将喷砂后样品在丙酮及乙醇中各超声波清洗20min ;
[0077] (2)按照重量百分比配方：WC-12wt. % Co粉末48 %和Ni60AA粉末52 % (15. 4wt. % Cr, 3. 43wt. % B, 4. 65wt. % Si, 0· 78wt. % C, 3. 3wt. % Fe，余量为银），碳化妈 粉末和镍基复合粉末和的粒度分别为-325+500目和-140+325目；
[0078] (3)选用球磨机制备热喷涂用镍基复合粉末，选择球料比为5:1、球磨时间为10h、 球磨转速为150r/min。
[0079] (4)将碳化钨增强镍基复合粉末放入等离子喷涂设备的送粉器中，将基体安装到 旋转工装上，调节搅拌器电压至送粉速率为99. 66g/min，调节工件旋转速度为0. 314m/s， 喷枪扫描速度为0. 0064m/s，调整喷涂距离为70mm，喷涂角度为90° ;
[0080] (5)设置喷涂工艺参数为：工作电流465A ;工作电压55V ;氩气压力0· 82MPa ;氩气 流量31. 62L/min ;氢气压力0. 31MPa ;氢气流量1. 03L/min，开始喷涂制得Ni-WC复合涂层。
[0081] 本发明实施例5中等离子喷涂NW4涂层的力学性能参表1所示；可以看出NW4涂 层的力学性能明显优于灰铸铁。
[0082] 表 1:
[0083]
[0084] 最后还需要说明的是，术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在涵盖非排他 性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且 还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的 要素。
【主权项】
1. 一种镍基耐磨涂层，其特征在于包括按wt. %计算的如下组分： 0. WC-12 wt. % Co 相彡 50% ; 其余部分包括Ni60AA相。2. 根据权利要求1所述的镍基耐磨涂层，其特征在于包含重量百分比为40%的WC-12 wt. % Co 相。3. -种装置，其特征在于包含权利要求1-2中任一项所述的涂层。4. 一种发动机气缸，包括错合金缸体，其特征在于所述错合金缸体表面形成有权利要 求1-2中任一项所述的涂层。5. 如权利要求1-2中任一项所述镍基耐磨涂层的制备方法，其特征在于包括：首先将 WC-12 wt. % Co粉末和Ni60AA粉末均匀混合配置复合粉末，然后采用等离子体喷涂方法将 所述复合粉末喷涂在基体表面。6. 根据权利要求5所述的镍基耐磨涂层的制备方法，其特征在于所述WC-12 wt. % Co 粉末的粒度为-325+500目，所述Ni60AA粉末的粒度为-140 +325目。7. 根据权利要求5所述的镍基耐磨涂层的制备方法，其特征在于所述基体包括铝合 金基体。8. 根据权利要求7所述的镍基耐磨涂层的制备方法，其特征在于还包括：在喷涂之前 对所述铝合金基体表面先进行喷砂粗糙化，所述的喷砂粗糙化处理的条件包括：喷砂压力 为0. 4~0. 8MPa，砂粒的平均尺寸为60目。9. 根据权利要求5所述的镍基耐磨涂层的制备方法，其特征在于包括：将所述WC-12 wt. % Co粉末和Ni60AA粉末混合后通过球磨处理获得复合粉末，所述球磨处理的条件包 括：球料比为2:1~10:1、球磨时间为5~20h、球磨转速为100-200r/min。10. 根据权利要求5所述的镍基耐磨涂层的制备方法，其特征在于所述等离子喷涂 的工艺条件包括：工作电流彡650A ;电弧电压彡80V ;氩气压力0. 6~0. 85MPa ;氩气流量 25~45L/min ;氢气压力0· 2~0· 35MPa ;氢气流量1. 2~2. 6L/min ;送粉速率50~130g/ min ;喷涂距离70~120mm ;喷涂角度为60°~90° 〇
【文档编号】C23C4/06GK105986216SQ201510070219
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月10日
【发明人】曾志翔, 王祥, 刘二勇, 朱禄发, 乌学东, 曹慧军
【申请人】中国科学院宁波材料技术与工程研究所