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為減輕發(fā)動機重量、降低燃油消耗，實現(xiàn)節(jié)能減排，汽車制造商開發(fā)了在鋁合金缸孔表面噴涂涂層取代傳統(tǒng)鑲嵌鑄缸套的先進工藝。為推動缸孔噴涂技術在國內(nèi)汽車市場的應用進程，本文對鋁合金缸孔應用等離子噴涂工藝展開了研究及試驗分析。
 
為了降低燃油消耗和CO2的排放，汽車的輕量化成為大家關注的焦點之一。國外的大眾、奔馳和福特等公司采用在鋁合金缸孔表面噴涂涂層的技術取代鑲嵌鑄缸套的工藝，以達到發(fā)動機減重、降低油耗和排放的目的，目前部分機型已達到量產(chǎn)水平，缸孔噴涂工藝已從研發(fā)階段逐步進入實用化階段，在發(fā)動機上的應用愈來愈為廣泛。
 
為推動缸孔噴涂技術在國內(nèi)汽車市場的應用進程，本文對等離子單絲噴涂工藝展開了研究及試驗分析。
 
等離子單絲噴涂技術原理
 
金屬絲材為陽極，鎢極為陰極，陽極和陰極之間產(chǎn)生高頻率電弧，等離子氣體(氦、氫、氮或其混合氣體)流經(jīng)電極之間被電離，產(chǎn)生幾厘米長的等離子火焰(中心溫度可高達16 000℃)。噴涂絲材進給至等離子火焰中心被迅速加熱到熔融狀態(tài)，并在霧化高壓氣體(氮氣或壓縮空氣)的作用下高速噴打在已毛化處理的缸孔內(nèi)壁，形成0.3～0.5 mm厚的涂層，如圖1所示。
 

圖1  等離子單絲噴涂原理

據(jù)資料顯示，噴涂技術能夠實現(xiàn)缸孔摩擦系數(shù)降低20%～30%、機油耗降低50%、燃油耗降低2%～4%以及CO2排放降低2%～4%的效果，同時可減輕發(fā)動機重量，并提高缸孔耐腐蝕能力。
 
等離子噴涂工藝流程

 
通過與國外噴涂廠家的交流，我們試制了噴涂缸體，掌握了等離子噴涂的工藝流程：缸孔精鏜—缸孔毛化—清洗—缸孔噴涂—過噴涂處理—最終珩磨。在此，對噴涂工藝的關鍵工序(見圖2)展開分析。
 

圖2  噴涂工藝的關鍵工序

 
1.缸孔毛化

噴涂前需對缸孔內(nèi)壁進行機械毛化，加工出類似燕尾槽的槽型，使涂層與內(nèi)壁溝槽形成機械咬合，以提高涂層結合強度。圖3所示為毛化刀具及加工槽型。
 

圖3  刀具圖片及加工槽型

毛化刀具主要由國外刀具供應商聯(lián)合發(fā)動機廠家合作開發(fā)，均設有專利保護。目前已成功研發(fā)并成熟應用的刀具廠家包括瑪帕、瓦爾特和鈷領等。

2.缸孔清洗

毛化處理后必須對缸孔表面進行清洗，去除油污、碎屑及毛刺，保證缸孔內(nèi)壁的清潔度以提高涂層與缸孔的結合強度。通常采用國產(chǎn)三工位清洗機即可滿足要求：整體噴淋—缸孔定位清洗—壓縮空氣吹干。同時需在清洗工位后設置SPC檢測站，對毛化后缸孔尺寸進行檢測，主要檢測內(nèi)容為缸孔直徑、位置度。
 
3.缸孔噴涂

(1)噴涂材料
根據(jù)產(chǎn)品性能要求的不同噴涂絲材也不盡相同，主要包括低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼以及不銹鋼材料。具體分析如下：

① 低碳鋼：成本最低，可實現(xiàn)噴涂涂層與常規(guī)活塞環(huán)的良好匹配;
② 中碳鋼：噴涂涂層可改善缸孔耐磨性和抗腐蝕性，推薦采用氮化活塞環(huán)進行匹配;
③ 高碳鋼：噴涂涂層具有很高的耐磨性，常用于柴油發(fā)動機;
④ 不銹鋼：噴涂涂層具有極高的耐磨性及抗腐蝕性，常用于EGR技術發(fā)動機。

目前，國內(nèi)材料供應體系已非常成熟，如北京礦冶研究總院、廣州三鑫和佛山先進設備等公司。

(2)噴涂工藝
對于直徑75mm、長度130mm的內(nèi)孔，采用德國某公司的等離子單絲噴涂設備進行噴涂，材料為含碳量0.8%的碳鋼絲材，噴涂工藝參數(shù)控制如表1所示。
 

表1 噴涂工藝參數(shù)控制

對噴涂后的涂層進行檢測，獲得如下數(shù)據(jù)：涂層硬度400～500 HV，較鑄鐵缸套硬度明顯提高，耐磨性增強;涂層結合強度40～50 MPa，保證涂層在發(fā)動機運轉過程中不會脫落;涂層厚度0.15 mm，大大低于鑄鐵缸套厚度，可實現(xiàn)缸體減重1.2 kg，且較薄的涂層也在一定程度上提高了缸孔導熱性，降低發(fā)動機工作時氣缸內(nèi)壁的溫度;同時由于涂層本身固有的微孔特性，可以增加儲油量，配合涂層中含有的FeO、Fe3O4等氧化物(固體潤滑劑)，更好地保證了活塞環(huán)與缸套的潤滑效果。資料顯示，在戴姆勒某發(fā)動機上采用噴涂技術后摩擦功比原來鑄鐵缸套(30°網(wǎng)紋夾角)減少20%，機油消耗減少50%。

為確保噴涂過程的一致性，需對噴涂工藝參數(shù)進行在線監(jiān)測，以確保涂層性能的穩(wěn)定及可靠。在線監(jiān)測主要參數(shù)為噴涂粒子的速度及溫度，常用的檢測設備有Tecnar公司的DPV eVOLUTION、Accuraspray G3C和Oseir公司的SprayWatch在線監(jiān)測系統(tǒng);SprayWatch在線監(jiān)測系統(tǒng)采用數(shù)字成像技術原理，利用CCD 相機產(chǎn)生噴涂數(shù)字化影像，一次性捕捉34 mm×27 mm×25 mm 體積范圍內(nèi)的幾千個小成像點，獲取幾百行列的有效信息。通過測量粒子飛行時間確定粒子速度，通過雙色高溫測量法測量粒子溫度。

4.涂層珩磨

噴涂后的缸孔仍需采用珩磨工藝，以滿足產(chǎn)品使用要求。針對涂層的材料和噴涂表面形狀，涂層表面存在微小的波浪形貌，當涂層厚度控制在0.55 mm以內(nèi)時，噴涂不會影響珩磨后的缸孔位置度，采用與現(xiàn)行鑄鐵缸套相同的浮動珩磨工藝即可滿足珩磨要求。不同的是，需對珩磨條粒度、材質進行優(yōu)化并調(diào)整相關珩磨參數(shù)，以保證噴涂涂層的珩磨要求。珩磨噴涂后的缸孔的工藝要求如表2所示。

表2 珩磨噴涂后的缸孔的工藝要求
 

噴涂試驗分析

采用等離子單絲噴涂技術，對某直徑75 mm鋁合金缸體噴涂高碳鋼材料，并裝配整機進行發(fā)動機臺架驗證。試驗結果表明，缸孔涂層在經(jīng)過400 h可靠性試驗后涂層無拉缸、劃傷和剝離等異常磨損現(xiàn)象;主要性能參數(shù)指標，如發(fā)動機功率、扭矩和活塞漏氣量等，均滿足標準要求。
 

圖4  發(fā)動機功率、扭矩曲線

從圖4所示的功率、扭矩曲線可以看出，采用噴涂技術后，發(fā)動機功率、扭矩有明顯提升，尤其是中低速扭矩提升幅度非?？捎^，最大提升約20 Nm(9%)。

結語
缸孔噴涂在發(fā)動機制造領域屬于一種先進且成熟的技術。試驗結果顯示，鋁合金缸孔噴涂技術可以替代鑲嵌鑄鐵缸套工藝并滿足發(fā)動機使用要求。為減少汽車排放，提高環(huán)境質量，在汽車電動技術尚未完全普及的情況下，在國內(nèi)進行噴涂技術的轉化及應用具有非常重大的意義。 
 

部分內(nèi)容來源：中國汽車材料網(wǎng)

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