发动机挺柱及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有耐磨涂层复合发动机挺柱及其制备方法，尤其涉及一种具有耐磨碳化物涂层的复合发动机挺柱及其制备方法，具体涉及一种应用于碳钢表面的耐磨碳化物涂层复合发动机挺柱及其制备方法。
【背景技术】
[0002]挺柱是广泛应用于汽车、工程机械、拖拉机等发动机心脏部件中配气机构的主要组成部分。挺柱的一端与凸轮接触，另一端与气门接触，它的作用是将凸轮的推力传给气门。由于发动机的高速运转以及凸轮轴的冲击和磨损，要求挺柱的底面(与凸轮轴的接触面)具有高硬度、高耐磨性。随着汽车发动机不断向高速、高功率方向发展，不可避免地要增加配气机构的弹簧力和接触面的滑动速度，因而使凸轮-挺柱之间的润滑条件变得更加苛刻，所以延长凸轮-挺柱使用寿命已成为研制发动机的重要课题之一。凸轮-挺柱这一对摩擦副损坏形态大致可分为:擦伤、麻点和磨损。凸轮-挺柱是内燃机中三对主要的摩擦副之一，工作条件恶劣，问题很多。之前国内多数采用冷激铸铁挺柱，但寿命极端。当然影响寿命的因素是多方面的，如结构设计、润滑条件、加工精度和日常维护等，但材料的选择和改善是不可忽视的一个重要方面。
[0003]碳化物材料的涂层是现阶段使用较多一种材料，其具有硬度高、耐磨损性能优越的特点，以涂层方式覆盖在金属合金基体表面可以提高由基体材料制备的零部件的耐磨性与寿命。其中WC是一种常见涂层材料，其有如下特点特性:
[0004](I)碳化钨具有高强度、高硬度及高模量；
[0005](2) WC韧性好、抗冲击载荷及抗磨性好，与基体结合具有较好的抗界面腐蚀能力，而且它与钢铁润湿性好，二者之间的润湿角为零；
[0006](3)其次，我国是钨的富产国，所以选择WC作为增强相在技术、经济和社会效益上都十分合适。
[0007]因此，WC涂层被广泛地用作无肩冷热金属加工工具、切削刀具、各种模具、耐磨耐热耐蚀零件表面等。
[0008]目前金属材料表面涂层技术有:激光熔覆法、高温自蔓延烧结技术、粉末冶金技术、材料气相沉积技术(包括:化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD))等，但这些方法，存在生产设备要求苛刻、生产效率低、涂层结合强度低等不足。
[0009]因此如何在发动机挺柱工作表面获得WC相的涂层，并且选择一种生产设备简单、工艺流程短的制备方法，获得与基体结合力好、不易脱落且力学性能、耐磨性能优异的涂层是亟待解决的冋题。
【发明内容】
[0010]针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种复合发动机挺柱，其挺柱内腔表面具有一种耐磨涂层，而柱体仍为碳钢基体，该耐磨涂层为WC致密陶瓷层，其化学稳定性和耐磨性好，具有低摩擦系数、高硬度、低表面能以及低传热性；并且进一步地，提供一种用于获得上述复合发动机挺柱的制备方法。
[0011]进一步地，本发明还提供一种复合发动机挺柱，其挺柱内腔表面具有一种梯度复合涂层，所述梯度复合涂层为碳化物涂层，其优选被涂覆于挺柱内腔表面，以提高其表面的耐磨性和断裂韧性，特别是碳钢挺柱内腔表面，并且提供一种用于获得上述涂层的制备方法。
[0012]所述发动机挺柱，在其内腔表面具有耐磨涂层。该涂层有利保证发动机挺柱工作表面具有很高的硬度和很好的耐磨性，而挺柱基体内部具有很好的韧性。
[0013]为实现本发明目的，本发明采用了如下技术方案:
[0014]一种内腔表面具有耐磨涂层的发动机挺柱，该耐磨涂层为WC致密陶瓷层；优选地，WC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0015]更优选地，沿WC致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为50-180 μ m，优选为100-180 μ m，；优选地，其中WC的体积分数大于80%，优选大于85% ;优选地，粒径为10-50 μ m，优选为20-50 μmD
[0016]此外，本发明还提供一种内腔表面具有梯度复合涂层的发动机挺柱，所述梯度复合涂层为碳化物涂层，包括依次呈梯度分布的WC致密陶瓷层、微米WC陶瓷层、WC与基体的融合层。
[0017]优选地，WC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0018]更优选地，沿WC致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为50-180 μ m，优选为100-180 μ m，优选地，其中WC的体积分数大于80%，优选大于85% ;优选地，粒径为10-50 μ m，优选为20-50 μmD
[0019]进一步的，沿微米WC陶瓷层纵向剖面，其厚度为70-180 μm，优选为130-180 μπι ;其中WC的体积分数大于75%，优选大于80%，其粒径为5-30 μ m，优选为6_25 μ m。
[0020]更进一步，所述碳化物涂层，还包括位于上述WC致密陶瓷层以及微米WC陶瓷层之下的WC与基体的融合层，沿涂层纵向剖面，其厚度为60-300 μ m，优选为100-300 μ m ;其中WC的体积分数为40-80 %，优选为60-80 %，其粒径为1_20 μ m，优选为5_10 μ m。
[0021]优选地，梯度复合涂层总厚度为180-660 μπι;优选在330-660 μπι。
[0022]所述基体优选为碳钢，碳钢基体组织为珠光体、马氏体、铁素体、贝氏体、奥氏体和索氏体中的一种或几种。
[0023]更优选地，发动机挺柱基体组织根据热处理方式不同可分为珠光体、马氏体、铁素体、贝氏体、奥氏体和索氏体中的一种或几种；优选地，该梯度复合涂层被施加于碳钢表面。
[0024]本发明提供一种内腔表面具有耐磨涂层的发动机挺柱的制备方法，包括如下步骤:
[0025]I)先准备一钨板，优选地，其中钨的纯度应控制在99.7-99.99%，优选地，所述钨板先被加以表面处理；
[0026]2)按照发动机挺柱尺寸，用聚苯乙烯泡沫塑料制作发动机挺柱消失模。
[0027]3)按照发动机挺柱尺寸，制作砂型；优选地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂制作砂型；根据发动机挺柱的工作受力状况，其主要磨损的部位是发动机挺柱的内腔表面，据此在砂型内发动机挺柱芯模外壁表面固定石墨纸，然后将钨板卷绕并紧贴在奥氏体不锈钢发动机挺柱芯模的石墨纸上，使其与石墨纸紧密结合；
[0028]4)将碳钢基材冶炼为钢液；
[0029]5)采用消失模真空吸铸工艺，将上述钢液浇入放置有石墨纸和钨板的发动机挺柱芯模的砂型内，待钢液冷却凝固后，取出铸件，清砂处理，获得发动机挺柱基体为碳钢，发动机挺柱内腔工作表面为与钨板的复合体；优选地，浇注温度控制在1610°C -1630°C，更优选地，浇注时间40-50秒为宜，进一步优选地，一分钟后，在冒口补浇；优选地，室温冷却；
[0030]6)将浇铸完得到的发动机挺柱复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却至室温，从而在挺柱内表面形成耐磨涂层，而挺住基体仍为碳钢基体。
[0031]其中，耐磨涂层为WC致密陶瓷层。
[0032]优选地，通过控制保温时间、保温温度获得该WC致密陶瓷层；优选地，WC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0033]本发明还提供一种内腔表面具有梯度复合涂层的发动机挺柱的制备方法，包括如下步骤:
[0034]I)先准备一钨板，优选地，其中钨的纯度应控制在99.7-99.9%，优选地，所述钨板先被加以表面处理；
[0035]2)按照发动机挺柱尺寸，用聚苯乙烯泡沫塑料制作发动机挺柱消失模。
[0036]3)按照发动机挺柱尺寸，制作砂型；优选地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂制作砂型；根据发动机挺柱的工作受力状况，其主要磨损的部位是发动机挺柱的内腔表面，据此在砂型内发动机挺柱芯模外壁表面固定石墨纸，然后将钨板卷绕并紧贴在奥氏体不锈钢发动机挺柱芯模的石墨纸上，使其与石墨纸紧密结合；
[0037]4)将碳钢基材冶炼为钢液；
[0038]5)采用消失模真空吸铸工艺，将上述钢液浇入放置有石墨纸和钨板的发动机挺柱芯模的砂型内，待钢液冷却凝固后，取出铸件，清砂处理，获得发动机挺柱基体为碳钢，发动机挺柱内腔工作表面为与钨板的复合体；优选地，浇注温度控制在1610°C -1630°C，更优选地，浇注时间40-50秒为宜，进一步优选地，一分钟后，在冒口补浇，优选地，室温冷却；
[0039]6)将浇铸完得到的发动机挺柱复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却至室温，从而在挺柱内表面形成耐磨涂层，而挺住基体仍为碳钢基体；
[0040]优选的，鹤板的厚度控制在0.2-3mm ;若小于0.2mm，则鹤板2在饶注复合过程中就已经完全反应，不能获得准单晶WC陶瓷，直接生成弥散分布WC，呈现WC与基体的完全融合。超过3mm则导致扩散距离增大，反应动力不足。
[0041]优选地，步骤6)通过严格控制保温温度与时间的关系，获得所述准单晶相WC致密陶瓷层。该陶瓷层呈现出较为明显的准单晶组织，光学显微镜下表现为晶界减少，影响断裂韧性的位错也相应减少，代之亚晶界增多，有效提高该陶瓷层的抗裂能力。
[0042]优选地，通过控制保温时间、保温温度获得该梯度复合涂层即碳化物涂层，所述碳化物涂层包括依次呈梯度分布的准单晶相WC致密陶瓷层、微米WC陶瓷层、WC与基体的融入PI=I /Ζλ O
[0043]更优选地，保温温度、保温时间以及最终能够获得的梯度复合涂层的总厚度符合如下公式，
[0044]L = kTlogt1/2+b0
[0045]其中:
[0046]L 梯度复合涂层的总厚度(U m)，
[0047]k——是常数，取值为0-1，k乒0，
[0048]T 保温温度(K)，
[0049]t——保温时间(S)，
[0050]b0——反应初始厚度(μ m)，即钢液浇注后与钨板之间形成的复合层的厚度。
[0051]综上，所述梯度复合涂层，包括WC致密陶瓷层，硬度高。所述WC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，原子的排列不像一般单晶那样具有相同的晶格，但仍具有严格的顺序，呈现出几何排列；晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序。准单晶相介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，准单晶相的晶界明显减少，位错密度低，有较多亚晶界，因此硬度有明显提升；而较之单晶相，其对制备方式要求更低，且组织更为稳定。
[0052]优选地，在步骤I)中，表面处理的步骤如下:
[0053]第一步酸洗，选用300mL/L的盐酸或60mL/L的磷酸或120mL/L的双氧水，后流水冲洗；
[0054]第二步酸洗，选用3