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原文传递气缸内壁耐磨涂层的制备及其摩擦学性能研究

论文题名：	气缸内壁耐磨涂层的制备及其摩擦学性能研究
关键词：	汽车发动机;气缸内壁;耐磨涂层;大气等离子喷涂;热处理;摩擦学性能
摘要：	发动机的燃烧室一般由气缸缸套、气缸盖、活塞和活塞环共同构成，其中气缸套与活塞环是在不稳定的负荷、速度、热工况下工作，是发动机中运行环境最为苛刻的零部件之一。缸套内壁的磨损失效严重影响机车的动力性能和使用寿命，频繁更换气缸套势必会造成极大的浪费。等离子喷涂具有高效、节材和环保的特点，是一种有效的材料表面强化技术。采用等离子喷涂技术在气缸套内壁制备耐磨涂层以延长缸套的使用寿命具有重要研究价值。　　本文在充分调研国内外关于热喷涂商用车发动机气缸内壁热喷涂材料及涂层的基础上，结合缸套的失效机理和缸套内壁的服役性能要求，采用大气等离子喷涂方式在基体上制备了316L不锈钢、FeCrBSi和NiCrBSi三种合金涂层。考虑到发动机缸套在实际服役过程中内壁的温度为300～700℃，对得到的三种涂层分别进行300～700℃的热处理。着重分析热处理温度和气氛对涂层结构和性能的影响。通过光学显微镜、X射线衍射仪分析涂层的金相组织和相成分，并对涂层的孔隙率、显微硬度和摩擦学性能进行研究，采用扫描电镜观察磨痕表面，分析磨损机制。　　实验结果和研究分析表明，大气等离子喷涂的三种涂层组织均由扁平状粒子组成，层状粒子间存在未熔颗粒、氧化层和孔隙等缺陷。其中NiCrBSi涂层结构最为致密，孔隙率约为3.5％，FeCrBSi涂层结构最为疏松，孔隙率是NiCrBSi涂层的2倍左右。316L不锈钢涂层扁平颗粒界面处氧化现象最严重，涂层由γ-Fe、(Fe，Ni)和Cr等物相组成。FeCrBSi涂层成分主要是α(Fe，Cr)固溶体相，NiCrBSi涂层中主要包含γ-Ni固溶体相和FeNi3金属间化合物相。喷涂态FeCrBSi和NiCrBSi涂层的耐磨性明显优于316L不锈钢涂层。　　经过常规热处理之后，三种涂层组织界面间均发生不同程度的氧化现象。对于316L不锈钢涂层来说，生成的氧化物硬质相有助于提高涂层的硬度，随着热处理温度升高，扁平颗粒间的孔隙缩小，微裂纹发生熔合，涂层结构更加致密。对于FeCrBSi和NiCrBSi涂层来说，热处理后涂层中氧化层与层状组织之间没有发生熔合，但随着热处理温度的升高，涂层发生再结晶，析出硼化物和碳化物等硬质相，对涂层的硬度和耐磨性起到积极作用。在有N2保护条件下进行热处理，FeCrBSi涂层界面间氧化现象得到大幅缓解，涂层组织得到优化，而316L不锈钢涂层和NiCrBSi涂层结构并未发生明显变化。　　热处理温度和气氛对三种涂层摩擦系数的影响可以忽略，但对磨损率有重要影响。在常规热处理条件下，316L不锈钢涂层的耐磨性能在700℃条件下最佳，磨损率为(1.149±0.26)×10-4mm3/N·m，对比喷涂态涂层降低14％，磨损机制为疲劳磨损和磨粒磨损为主;FeCrBSi涂层的耐磨性能同样在700℃时达到最佳，为（0.481±0.023）×10-5mm3/N·m，对比喷涂态涂层其磨损率降低了44％，摩擦失效形式为热疲劳剥落并伴随磨粒磨损;NiCrBSi涂层在600℃热处理后耐磨性最好，磨损率为（0.597±0.06）×10-5mm3/N·m，对比喷涂态涂层降低了40％，磨损机制为粘着和磨粒磨损。相较于常规热处理，在N2保护热处理条件下316L不锈钢涂层和NiCrBSi涂层的性能变化不大，而FeCrBSi涂层的磨损率整体降低14～48％，展现出优异的耐磨性能，有望成为发动机气缸内壁强化涂层。
作者：	刘黎明
专业：	机械制造及其自动化
导师：	张超
授予学位：	硕士
授予学位单位：	扬州大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文