為減輕發(fā)動(dòng)機重量、降低燃油消耗，實(shí)現節能減排，汽車(chē)制造商開(kāi)發(fā)了在鋁合金缸孔表面噴涂涂層取代傳統鑲嵌鑄缸套的先進(jìn)工藝。為推動(dòng)缸孔噴涂技術(shù)在國內汽車(chē)市場(chǎng)的應用進(jìn)程，本文對鋁合金缸孔應用等離子噴涂工藝展開(kāi)了研究及試驗分析。

為了降低燃油消耗和CO2的排放，汽車(chē)的輕量化成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)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(dòng)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(jìn)入實(shí)用化階段，在發(fā)動(dòng)機上的應用愈來(lái)愈為廣泛。

為推動(dòng)缸孔噴涂技術(shù)在國內汽車(chē)市場(chǎng)的應用進(jìn)程，本文對等離子單絲噴涂工藝展開(kāi)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(yáng)極，鎢極為陰極，陽(yáng)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(cháng)的等離子火焰(中心溫度可高達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(氮氣或壓縮空氣)的作用下高速?lài)姶蛟谝衙幚淼母卓變缺?，形?.3～0.5 mm厚的涂層，如圖1所示。

據資料顯示，噴涂技術(shù)能夠實(shí)現缸孔摩擦系數降低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(shí)可減輕發(fā)動(dòng)機重量，并提高缸孔耐腐蝕能力。

等離子噴涂工藝流程

通過(guò)與國外噴涂廠(chǎng)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(guò)噴涂處理—最終珩磨。在此，對噴涂工藝的關(guān)鍵工序(見(jiàn)圖2)展開(kāi)分析。

1.缸孔毛化

噴涂前需對缸孔內壁進(jìn)行機械毛化，加工出類(lèi)似燕尾槽的槽型，使涂層與內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。

毛化刀具主要由國外刀具供應商聯(lián)合發(fā)動(dòng)機廠(chǎng)家合作開(kāi)發(fā)，均設有專(zhuān)利保護。目前已成功研發(fā)并成熟應用的刀具廠(chǎng)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(jìn)行清洗，去除油污、碎屑及毛刺，保證缸孔內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(mǎn)足要求：整體噴淋—缸孔定位清洗—壓縮空氣吹干。同時(shí)需在清洗工位后設置SPC檢測站，對毛化后缸孔尺寸進(jìn)行檢測，主要檢測內容為缸孔直徑、位置度。

3.缸孔噴涂

(1)噴涂材料

根據產(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)現噴涂涂層與常規活塞環(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;

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。

目前，國內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(jìn)設備等公司。

(2)噴涂工藝

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

表1 噴涂工藝參數控制 

對噴涂后的涂層進(jìn)行檢測，獲得如下數據：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(dòng)機運轉過(guò)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(dòng)機工作時(shí)氣缸內壁的溫度;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(dòng)機上采用噴涂技術(shù)后摩擦功比原來(lái)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(guò)程的一致性，需對噴涂工藝參數進(jìn)行在線(xiàn)監測，以確保涂層性能的穩定及可靠。在線(xiàn)監測主要參數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(xiàn)監測系統;SprayWatch在線(xiàn)監測系統采用數字成像技術(shù)原理，利用CCD 相機產(chǎn)生噴涂數字化影像，一次性捕捉34 mm×27 mm×25 mm 體積范圍內的幾千個(gè)小成像點(diǎn)，獲取幾百行列的有效信息。通過(guò)測量粒子飛行時(shí)間確定粒子速度，通過(guò)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(mǎn)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?xún)葧r(shí)，噴涂不會(huì )影響珩磨后的缸孔位置度，采用與現行鑄鐵缸套相同的浮動(dòng)珩磨工藝即可滿(mǎn)足珩磨要求。不同的是，需對珩磨條粒度、材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化并調整相關(guān)珩磨參數，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(jìn)行發(fā)動(dòng)機臺架驗證。試驗結果表明，缸孔涂層在經(jīng)過(guò)400 h可靠性試驗后涂層無(wú)拉缸、劃傷和剝離等異常磨損現象;主要性能參數指標，如發(fā)動(dòng)機功率、扭矩和活塞漏氣量等，均滿(mǎn)足標準要求。

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

結語(yǔ)

缸孔噴涂在發(fā)動(dòng)機制造領(lǐng)域屬于一種先進(jìn)且成熟的技術(shù)。試驗結果顯示，鋁合金缸孔噴涂技術(shù)可以替代鑲嵌鑄鐵缸套工藝并滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機使用要求。為減少汽車(chē)排放，提高環(huán)境質(zhì)量，在汽車(chē)電動(dòng)技術(shù)尚未完全普及的情況下，在國內進(jìn)行噴涂技術(shù)的轉化及應用具有非常重大的意義。