為減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量、降低燃油消耗，實(shí)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(jìn)工藝。為推動(dòng)缸孔噴涂技術(shù)在國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)的應(yīng)用進(jìn)程，本文對(duì)鋁合金缸孔應(yīng)用等離子噴涂工藝展開了研究及試驗(yàn)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(diǎn)之一。國(guó)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(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)減重、降低油耗和排放的目的，目前部分機(jī)型已達(dá)到量產(chǎn)水平，缸孔噴涂工藝已從研發(fā)階段逐步進(jìn)入實(shí)用化階段，在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用愈來愈為廣泛。
為推動(dòng)缸孔噴涂技術(shù)在國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)的應(yīng)用進(jìn)程，本文對(duì)等離子單絲噴涂工藝展開了研究及試驗(yàn)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(zhǎng)的等離子火焰(中心溫度可高達(dá)16 000℃)。噴涂絲材進(jìn)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?dú)饣驂嚎s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。
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(jī)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(shí)可減輕發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)外噴涂廠家的交流，我們?cè)囍屏藝娡扛左w，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(duì)噴涂工藝的關(guān)鍵工序(見圖2)展開分析。
1.缸孔毛化
噴涂前需對(duì)缸孔內(nèi)壁進(jìn)行機(jī)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(jī)械咬合，以提高涂層結(jié)合強(qiáng)度。圖3所示為毛化刀具及加工槽型。
毛化刀具主要由國(guó)外刀具供應(yīng)商聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)廠家合作開發(fā)，均設(shè)有專利保護(hù)。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(duì)缸孔表面進(jìn)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(qiáng)度。通常采用國(guó)產(chǎn)三工位清洗機(jī)即可滿足要求：整體噴淋—缸孔定位清洗—壓縮空氣吹干。同時(shí)需在清洗工位后設(shè)置SPC檢測(cè)站，對(duì)毛化后缸孔尺寸進(jìn)行檢測(cè)，主要檢測(cè)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(shí)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(jìn)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(dòng)機(jī);
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(dòng)機(jī)。
目前，國(guó)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(jìn)設(shè)備等公司。
(2)噴涂工藝
對(duì)于直徑75mm、長(zhǎng)度130mm的內(nèi)孔，采用德國(guó)某公司的等離子單絲噴涂設(shè)備進(jìn)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(duì)噴涂后的涂層進(jìn)行檢測(cè)，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(qiáng);涂層結(jié)合強(qiáng)度40～50 MPa，保證涂層在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不會(huì)脫落;涂層厚度0.15 mm，大大低于鑄鐵缸套厚度，可實(shí)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(dòng)機(jī)工作時(shí)氣缸內(nèi)壁的溫度;同時(shí)由于涂層本身固有的微孔特性，可以增加儲(chǔ)油量，配合涂層中含有的FeO、Fe3O4等氧化物(固體潤(rùn)滑劑)，更好地保證了活塞環(huán)與缸套的潤(rùn)滑效果。資料顯示，在戴姆勒某發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)油消耗減少50%。
為確保噴涂過程的一致性，需對(duì)噴涂工藝參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，以確保涂層性能的穩(wěn)定及可靠。在線監(jiān)測(cè)主要參數(shù)為噴涂粒子的速度及溫度，常用的檢測(cè)設(shè)備有Tecnar公司的DPV eVOLUTION、Accuraspray G3C和Oseir公司的SprayWatch在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng);SprayWatch在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用數(shù)字成像技術(shù)原理，利用CCD 相機(jī)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(gè)小成像點(diǎn)，獲取幾百行列的有效信息。通過測(cè)量粒子飛行時(shí)間確定粒子速度，通過雙色高溫測(cè)量法測(cè)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(duì)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(dāng)涂層厚度控制在0.55 mm以內(nèi)時(shí)，噴涂不會(huì)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(dòng)珩磨工藝即可滿足珩磨要求。不同的是，需對(duì)珩磨條粒度、材質(zhì)進(jìn)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。
噴涂試驗(yàn)分析
采用等離子單絲噴涂技術(shù)，對(duì)某直徑75 mm鋁合金缸體噴涂高碳鋼材料，并裝配整機(jī)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，缸孔涂層在經(jīng)過400 h可靠性試驗(yàn)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(biāo)，如發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩和活塞漏氣量等，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
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(dòng)機(jī)功率、扭矩有明顯提升，尤其是中低速扭矩提升幅度非常可觀，最大提升約20 Nm(9%)。
結(jié)語
缸孔噴涂在發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域?qū)儆谝环N先進(jìn)且成熟的技術(shù)。試驗(yàn)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(dòng)機(jī)使用要求。為減少汽車排放，提高環(huán)境質(zhì)量，在汽車電動(dòng)技術(shù)尚未完全普及的情況下，在國(guó)內(nèi)進(jìn)行噴涂技術(shù)的轉(zhuǎn)化及應(yīng)用具有非常重大的意義。