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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(shù)在國內(nèi)汽車市場的應(yīng)用進程，本文對鋁合金缸孔應(yīng)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(guān)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(shù)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(yīng)用愈來愈為廣泛。
 
為推動缸孔噴涂技術(shù)在國內(nèi)汽車市場的應(yīng)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(shù)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(shù)能夠?qū)崿F(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(guān)鍵工序(見圖2)展開分析。
 

圖2  噴涂工藝的關(guān)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(jié)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(yīng)商聯(lián)合發(fā)動機廠家合作開發(fā)，均設(shè)有專利保護。目前已成功研發(fā)并成熟應(yīng)用的刀具廠家包括瑪帕、瓦爾特和鈷領(lǐng)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(jié)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(shè)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(shù)發(fā)動機。

目前，國內(nèi)材料供應(yīng)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(shè)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(shè)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(jié)合強度40～50 MPa，保證涂層在發(fā)動機運轉(zhuǎn)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(dǎo)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(shù)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(shè)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(shù)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(zhì)進行優(yōu)化并調(diào)整相關(guān)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(shù)，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(jié)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(shù)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(jié)語
缸孔噴涂在發(fā)動機制造領(lǐng)域?qū)儆谝环N先進且成熟的技術(shù)。試驗結(jié)果顯示，鋁合金缸孔噴涂技術(shù)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(zhì)量，在汽車電動技術(shù)尚未完全普及的情況下，在國內(nèi)進行噴涂技術(shù)的轉(zhuǎn)化及應(yīng)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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