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        65Mn耐磨涂層的制備及性能研究

        2025-01-21 00:00:00時(shí)向前李增榮許芳源蘇小朋
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2025年1期

        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(yàn)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(bào)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(yàn)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(shí)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(shí)刻不同,因此不可避免地會出現(xiàn)少量孔隙,同時(shí)氣體不能及時(shí)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(jì)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(yàn)結(jié)果與分析

        2.4.1 平銷浸油潤滑磨損試驗(yàn)結(jié)果與分析

        磨損試驗(yàn)工作參數(shù)包括軸向力50N,時(shí)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(yàn)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(yàn)證。因?yàn)樵谌櫥瑺顟B(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(yàn)結(jié)果及分析

        平銷干摩擦磨損試驗(yàn)的參數(shù)包括摩擦?xí)r間10min、軸向力50N。此時(shí)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(yàn)結(jié)果如圖4所示。比較平銷油液潤滑試驗(yàn),在平銷干磨損試驗(yàn)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(shí)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(shí),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?,部分孔隙是單獨(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(jì)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(jì)算。本次試驗(yàn)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(jì)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。

        參考文獻(xiàn)

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