汽车活塞环耐磨涂层的开发及其耐磨机理研究

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活塞环和缸套是内燃机中最重要的摩擦副,随着汽车工业的发展,这一摩擦副尤其是活塞环面临着严峻的磨损问题。近年来,热喷涂复合涂层在活塞环表面展现了良好的应用前景。本文从配方设计角度出发,选择含硼铸铁为对磨材料,采用环块摩擦磨损试验机和SRV高温摩擦磨损试验机,以涂层磨损量、对磨件磨损量、摩擦系数为指标,对活塞环用多种涂层体系进行了优化。在此基础上,结合涂层磨痕表面的微观形貌和成分分析,研究了涂层的摩擦磨损机理。采用环块磨损试验机对等离子喷涂机械混合Mo、Cr3C2-NiCr粉末的涂层进行分析,研究发现Mo含量不仅影响涂层的力学性能,并且对涂层的摩擦磨损性能也有重要影响,其中20wt.%(质量百分比)Mo含量的复合涂层具有最高的硬度模量比(H/E),综合性能优异。对TiO2-Cr2O3、Mo-NiCrBSiFe、Mo-Cr2O3等复合涂层进行了优化,发现TiO2、73TiO2-27Cr2O3涂层的摩擦系数较低,其原因可能在于TiO2在喷涂过程中生成的Magnéli相,能够降低涂层的摩擦系数。在此基础上,采用Design expert软件进行混料设计,设计了含有TiO2、Cr2O3、NiCrBSiFe、C-Ni的多组分陶瓷基复合涂层,利用SRV高温磨损试验机测试涂层的摩擦学性能,结果表明涂层组分与摩擦系数、对磨件的磨损量呈线性关系,与涂层磨损量呈特殊三次函数关系。对试验结果进行优化分析,预测出在TiO2=63.5wt.%,Cr2O3=20wt.%,NiCrBSiFe=5.7wt.%,C-Ni=10.8wt.%时,涂层的综合性能最优。磨损机理研究表明,在所研究条件下,等离子喷涂Mo-(NiCr-Cr3C2)复合涂层主要以磨粒磨损和轻微的黏着磨损为主。NiCr-Cr3C2含量较高的涂层,往往存在较多的剥落现象,磨粒磨损严重。对于多组分陶瓷基复合涂层,高温试验下主要为磨粒磨损。
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