65Mn耐磨涂層的制備及性能研究

摘 要：為了解決鋁制發動機缸體耐磨性差的問題，本文利用熱噴涂技術，在鋁制發動機氣缸內壁制備一層鐵基耐磨涂層。進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、物質組成以及耐磨性進行試驗和分析。結果表明，涂層硬度適中，涂層中存在大量氧化物和孔隙結構，在濕摩擦條件下，涂層的摩擦系數均小于灰鑄鐵（HT）的摩擦系數，從而說明制備耐磨涂層是解決該問題的一條有效途徑。

關鍵詞：65Mn耐磨涂層；電弧熱噴涂；鋁制發動機缸體；輕量化

中圖分類號：TG 142 " " 文獻標志碼：A

采用鋁制發動機缸體是實現機車領域輕量化的一條有效途徑[1]，但是鋁制發動機缸體內壁極易出現磨損和損傷，如果不加以改進，那么會降低發動機功率、增加燃油消耗和排放，還可能產生大量的金屬顆粒，加速其他關鍵零部件的損傷，甚至會使發動機報廢[2]。因此，在鋁制發動機缸體內壁表面制備涂層，使其在缸體內壁表面形成高硬度、高韌性和高耐腐蝕的保護層，能夠有效提升缸體的耐磨性，從而達到機車輕量化的目的[3]。國內、外許多研究機構和企業在提高鋁制發動機缸體內壁耐磨性方面已取得了一定進展[4]。例如將鑄鐵缸套嵌入鋁制缸體內，或者用新工藝制備出高耐磨的鋁合材料進而制備缸體。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，工藝復雜，二者均很難實現[5]。采用物理氣相沉積、化學氣相沉積或者電鍍等技術也可以制備涂層，但是存在涂層太薄或者與鋁制基體結合不強等問題。因此采用熱噴涂技術在缸體內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、金屬基復合材料和其他耐磨合金材料，根據不同的應用需求可以進行靈活選擇。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，采用熱噴涂技術可以制備出耐磨涂層，需要控制好噴涂工藝參數并選擇合適的材料，才能制備出具有高硬度、低摩擦系數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，化學成分見表1。

采用XDP-6型電弧噴涂設備，噴涂前需要清理基體表面，利用射吸式噴砂機高速噴射石英砂顆粒，撞擊基體表面，以去除氧化物和雜質，并產生均勻的粗糙表面。將FeAl作為過渡層，以保證涂層與基體的結合強度，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 試驗與結果分析

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可以發現，涂層組織比較致密，涂層內部組織扁平化較好，連續化均勻化較好，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，呈現橢圓形甚至圓形。出現該現象的原因可能是噴涂電流過大，導致在一段時間內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，導致2種顆粒到達基體表面的狀態不同，因此扁平化效果也不盡相同。此外，熔融細小粒子到達基體表面與冷卻凝固沉積時刻不同，因此不可避免地會出現少量孔隙，同時氣體不能及時排出，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均勻分布，致密性良好，沉積層中出現的孔隙極少。

對65Mn涂層進行X射線衍射圖譜分析，結果表明，氧化物主要為FeO、Fe3O4和Mn3O4，還有少數其他氧化物。

2.2 65Mn涂層側面觀察

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致的孔隙。經測量，65Mn涂層平均厚度為414.5μm。

2.3 涂層硬度結果與分析

利用顯微硬度計對涂層和灰鑄鐵進行顯微硬度測試。取9個不同的位置進行測試，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 磨損試驗結果與分析

2.4.1 平銷浸油潤滑磨損試驗結果與分析

磨損試驗工作參數包括軸向力50N，時間2h，轉速0.5m/s，

滑行距離3600m。采用普通轎車發動機潤滑油進行潤滑。

試驗結果如圖3所示。結果表明，在浸油潤滑條件下進行摩擦，65Mn涂層的摩擦系數明顯低于灰鑄鐵。從這個角度看，當平銷浸油潤滑摩擦時，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。出現該結果的原因主要與涂層組織存在的孔隙有關。在浸油潤滑條件下，潤滑油停留在涂層孔隙內，摩擦過程中油液在涂層表面生成潤滑膜，使摩擦系數大幅降低。由摩擦學原理也可以得到進一步驗證。因為在全膜潤滑狀態下，涂層表面與平銷表面不直接接觸，因此不會出現磨損現象，只有油膜失效后才會出現涂層磨損。涂層的失重主要與涂層粒子間的結合力有關，在摩擦力的作用下，粒子間的結合力越強，就越耐磨。

觀察2種試樣的磨痕形貌可以發現，65Mn涂層的磨痕連續、光滑，涂層表面出現磨損脫落的碎屑；灰鑄鐵磨痕較粗糙，并且流暢度低于65Mn涂層。

2.4.2 平銷干磨損試驗結果及分析

平銷干摩擦磨損試驗的參數包括摩擦時間10min、軸向力50N。此時涂層可能會出現黏著磨損，因此涂層及其對磨件的失重均應考慮在內。試驗結果如圖4所示。比較平銷油液潤滑試驗，在平銷干磨損試驗條件下，65Mn涂層的摩擦系數明顯變高，約為0.7，灰鑄鐵的摩擦系數約為0.5，65Mn涂層的摩擦系數比灰鑄鐵的摩擦系數高約0.2。測量磨損失重可知，65Mn涂層的失重為0.0059g，對磨銷釘的失重為0.0056g；灰鑄鐵的失重為0.0095g，對磨銷釘的失重為0.0023g。此時65Mn涂層的失重低于灰鑄鐵，但是其對磨銷釘的失重卻比灰鑄鐵對磨銷釘的失重大，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，當摩擦進入珩磨溝槽時，孔隙內的潤滑油具有潤滑作用，顯著降低了摩擦系數，因此起到了減磨作用。可以通過ImageJ軟件來分析涂層中的孔隙結構，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。可以看出，部分孔隙是單獨存在的，形狀比較接近圓形，利用軟件觀察可以發現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。

為了進一步研究涂層中的孔隙率，利用公式（1）計算出涂層的孔隙率。

（1）

式中：I為孔隙率數值；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值更可信，可以選擇多張涂層照片進行軟件分析和計算。本次試驗選擇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算出氧化物的占比。這些數值對后續研究潤滑油在摩擦磨損過程中的減磨作用和65Mn涂層的摩擦學原理具有重要意義。

3 結論

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，在鋁制發動機缸體內壁成功制備出了65Mn涂層。該65Mn涂層組織粒子扁平程度高，呈現出完美扁平的層狀結構，氧化物連續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構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，進而使65Mn涂層表現出良好的耐磨性。

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涂層作為鋁制發動機缸體內壁的減摩涂層是可行的。

參考文獻

[1]徐佳欣，李增榮，吳艷，等.熱噴涂技術在汽車輕量化中的應用研究[J].中國新技術新產品，2022（2）：74-76.

[2]陳吉朋，王計安，周宏平.旋耕刀表面硬質WC合金涂層的電弧熱噴涂工藝研究[J].表面技術，2024，53（15）：234-241，251.

[3]郭強，趙巍，張沖.熱噴涂高鋁含量Zn-Al合金涂層熱帶島礁大氣環境腐蝕行為研究[J].裝備環境工程，2024，21（3）：129-137.

[4]王明遠，李文亞，徐雅欣，等.冷噴涂硬質合金耐磨涂層研究進展[J].表面技術，2024，53（10）：28-40.

[5]張世洲，殷咸青，王軻巖，等.激光熔覆光斑形狀對鐵基涂層組織結構及耐磨性能的影響研究[J].熱加工工藝，2024，53（5）：55-59，64.