气门锥面等离子喷焊钴基合金层的高温磨损特性研究

气门锥面等离子喷焊钴基合金层的高温磨损特性研究

1 引言

发动机气门-气门座摩擦副是发动机中工作条件最恶劣的摩擦副之一，发动机运转时，摩擦副表面同时受到高温、腐蚀及冲击载荷的作用，因此气门耐磨性能的好坏将直接影响到发动机的输出功率、工作性能和服役寿命[1]。目前，国内外高品质气门锥面上多数都进行了喷焊强化处理，以满足气门日益苛刻的工作环境要求。但国内现行的喷焊工艺多为氧-乙炔火焰喷焊[2]，这种喷焊方法生产效率低、热影响区大、废品率高。虽然少数厂家使用了等离子喷焊技术，但由于喷焊设备相对落后，只能在较厚基体上进行喷焊，焊后再进行加工，以达到规定尺寸要求，不符合现代化机械制造少、无切削的要求。若采用等离子喷焊技术在较薄基体上喷焊强化层，则可省去后续的机加工工序，不仅可以提高生产效率、降低成本，而且还节约了材料。本试验在薄基体（1mm）上喷焊了钴基合金涂层，研究了喷焊层的磨损特性。

2 试验方法

2.1 喷焊工艺

2.1.1 喷焊试验用粉末

等离子喷焊所用粉末不仅化学成分需满足要求，而且要求粉末粒度分布均匀，同时流动性也要好。本试验采用StelliteF合金粉末，其化学成分见表1。合金粉末的熔点为1100～1300℃、粒度为104～43目、流动性为20s/50g,密度为4.5g/cm+3。试验用气门编号为1～4号。

2.1.2 喷焊工艺参数

喷焊基体为怀集汽车配件厂的气门半成品（厚度为1mm、材质为4Cr9Si2），因为气门最易磨损的部位为气门的锥面，故选择锥面为喷焊位置，如图1所示，喷焊厚度2.5～3mm，焊后磨至规定尺寸。为了有效解决超薄（≤1mm）气门基体的喷焊质量问题，确定喷焊工艺参数十分复杂，不仅要保证被喷焊的材料粒子都能进入焰流中被加热到熔融状态，以一定速度射向基体并均匀地沉积在基体上形成致密的、与基体结合良好的涂层，而且要保证超薄基体在高温热源的作用下不会出现变形、裂纹和烧穿。根据喷焊设备的电源特性、喷涂材料的特性、雾化的参数、工件的材质以及喷涂的环境等，所选喷焊工艺参数见表2。

2.2 磨损试验

2.2.1 气门磨损模拟试验机

试验采用武汉理工大学研制的气门-气门座模拟磨损试验机，采用实际气门产品在接近实际工况条件下进行试验。试验机主要由传动系统、力加载系统、控制系统、数据采集系统等5大部分组成，结构原理如图2。

2.2.2 磨损试验参数的确定

根据资料介绍的方法[3]，结合气门锥面的几何形状与喷焊层材料的性能特点，选择试验载荷为1100N、磨损冲击次数为6.24×105次，根据气门的实际工作温度选择模拟试验温度为735℃。为了能够较准确地模拟气门的实际工作状态，采用了干摩擦试验方式。

2.2.3 磨损面的观察与分析方法

试验到达预定时间后将试样取下，清洗干净并烘干，用JX11型万能工具显微镜测量气门锥面的磨损量。测量方法如图3，每一方向测量4次，以气门锥面的平均下沉量来衡量耐磨性能的好坏。

3 试验结果及分析

3.1 涂层的磨损试验结果

涂层磨损量测量结果如图4所示。由测量、结果可以看到，法向磨损最大值为0.185mm，最小值为0.056mm；轴向磨损最大值为0.214mm，最小值为0.0646mm，平均值0.142mm。根据行业标准，气门经过台架试验6.24×105次后，锥面磨损量应0.214mm，可见本试验中，钴基合金具有良好的耐高温磨损性能。

3.2 气门锥面磨损后的涂层硬度分析

用HX-1OOOT显微硬度计对试验后的各气门锥面堆焊层区进行硬度测试，测试载荷为500g，加载时间15s，从基体与堆焊层分界面开始检测，每隔0.2mm检测一点，结果如图5所示。从测量结果可以看到，经过高温磨损试验后，气门锥面硬度值有一定的波动，但都符合气门的设计要求，即硬度保持在42～47 HRC之内。应当指出的是，锥面上磨损量大的区域与磨损量小的区域的硬度并没有明显区别，说明气门锥面部分区域硬度的降低不是导致磨损的主要原因。

3.3 气门锥面磨损后的涂层成分分析

采用LE01530VP型电子探针对样件进行扫描分析，先从喷焊层表面到基体进行线扫描，检测Cr、Ni、Co等几种主要元素含量的分布情况，并分别作出各元素含量分布曲线（如图6）。然后，在靠近喷焊层沿表面指定一区域作全元素的面扫描分析检测，结果见表4。

由表4并对照表1可知，经过高温磨损试验后，涂层的Ni元素含量明显下降，Fe元素含量明显升高。这是因为在循环应力的作用下，气门与气门座在高温与高压力香