表面技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)氣缸套的應(yīng)用與特點(diǎn)

潘銘

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.19.061

摘 要：內(nèi)燃機(jī)氣缸套是內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵零件之一，其內(nèi)表面耐磨性對(duì)其壽命起決定性作用。該文闡述了內(nèi)燃機(jī)氣缸套內(nèi)表面耐磨機(jī)理，論述了內(nèi)燃機(jī)氣缸套內(nèi)表面強(qiáng)化處理工藝：等離子淬火、YAG激光表面處理、輝光離子氮化、擠滲SiC、松孔鍍鉻和噴鉬合金表面處理的原理、應(yīng)用及特點(diǎn)，為內(nèi)燃機(jī)氣缸套表面強(qiáng)化處理工藝選擇提供技術(shù)理論依據(jù)，對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐具有顯著應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：氣缸套 表面技術(shù) 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TG156 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）07（a）-0061-02

內(nèi)燃機(jī)是汽車、摩托車、船舶建造、工業(yè)機(jī)械、農(nóng)業(yè)等行業(yè)的配套產(chǎn)品，對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響，重大而深遠(yuǎn)。氣缸套是衡量?jī)?nèi)燃機(jī)耐用度的一個(gè)重要指標(biāo)，然而氣缸套工作環(huán)境十分惡劣，承受高溫、高壓和活塞環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的摩擦，容易產(chǎn)生磨料磨損、腐蝕磨損、熔著磨損。因此，提高內(nèi)燃機(jī)使用壽命，提高氣缸套的耐磨性能顯得更為迫切。為此，科技人員研究開發(fā)氣缸套材質(zhì)提高使用壽命效果一直不明顯，而表面強(qiáng)化的技術(shù)在氣缸套的應(yīng)用更為重要。

1 氣缸套內(nèi)表面耐磨機(jī)理

氣缸套內(nèi)表面涂覆處理是提高氣缸套的耐磨性能、使用壽命的行之有效措施，在氣缸套內(nèi)表面覆蓋一層適當(dāng)軟度且富有彈性的保護(hù)膜，軟質(zhì)涂覆層是潤(rùn)滑性良好的減磨物質(zhì)，其基體能鑲嵌外來(lái)的硬質(zhì)點(diǎn)，而且能與基材有良好的親和或共浮性能，不會(huì)從基體上成塊剝離。保護(hù)性的軟質(zhì)涂覆層很薄，容易磨損，必須在基體上覆蓋大量塊狀高硬質(zhì)點(diǎn)，承擔(dān)接觸磨損，因?yàn)橛捕雀叨湍?，而基體組織和大量脫落后的孔洞貯存潤(rùn)滑油，可提高耐磨性。氣缸套內(nèi)表面強(qiáng)化采用激光淬火、等離子淬火、氮化等工藝，使氣缸套內(nèi)表面硬化，形成局部硬化帶從而提高氣缸套耐磨性。

2 氣缸套表面處理應(yīng)用及特點(diǎn)

氣缸套分為鑄鐵質(zhì)氣缸套是由含磷和含硼鑄鐵制造，鋼質(zhì)氣缸套由無(wú)縫鋼管低碳鋼制造。下面介紹各種表面技術(shù)在氣缸套上的應(yīng)用及特點(diǎn)。

2.1 等離子淬火

等離子弧弧柱的中心溫度和淬火層溫度可達(dá)16 000 ℃～3 000 ℃，能快速冷卻，形核率非常高，晶粒細(xì)化，等離子熱原呈高斯亞態(tài)分布，熱流密度沿深度方向中心大而外緣小，淬火硬化層深度中間大而兩側(cè)小，故呈“月牙”形態(tài)。等離子表面淬火組織由表面淬硬層、中間過(guò)渡層和邊緣淬硬層三部分組成。表面淬硬層金相組織主要為超細(xì)化馬氏體，而中間淬硬層和邊界淬硬層主溫度相對(duì)較低且加熱時(shí)間短，顯微組織主要是隱針馬氏體、屈氏體和鐵素體的混合體。等離子淬火隨工作電流的增大，淬火層硬度也趨于上升，而隨著掃描速度或波頭數(shù)的增大，單道與交叉道的硬度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。淬火硬化層的顯微硬度從外表層往內(nèi)部呈現(xiàn)先提高再降低的趨勢(shì)，交叉道的硬度高于單道，經(jīng)等離子表面淬火熱處理后的試樣磨損量減少80%左右，磨損機(jī)制主要是氧化磨損和一定的磨粒磨損。

2.2 YAG激光表面處理

起初采用CO2氣體激光器，設(shè)備尺寸大，投資大，工作氣體的純度高，其價(jià)格昂貴運(yùn)行成本高。目前采用YAG固體激光加工機(jī)，其體積小，投資小，運(yùn)行成本低，固體激光機(jī)的波長(zhǎng)很短，因此金屬容易吸收，熱處理效果好，經(jīng)YAG激光表面處理的氣缸套內(nèi)表面硬化差。組織主要為細(xì)針狀馬氏體，殘留奧氏體和石墨。表面硬度可達(dá)750 HV0.1，淬硬層深度為0.3～0.35 mm，寬度約為 2.5 mm，在磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上做純滑動(dòng)的磨損實(shí)驗(yàn)，其磨損量降低約一半，硬化層可以阻止摩擦副表面犁溝的嚴(yán)重發(fā)展，磨損量減小，磨痕也較細(xì)。

2.3 輝光離子氮化

輝光離子氮化是利用輝光放電原理進(jìn)行的，在真空爐內(nèi)充以含氮?dú)怏w，爐體為陽(yáng)極、汽缸套為陰極，通電后氮原子被電離，氮和氫的正離子以高速向氣缸套表面轟擊，由于離子的轟擊工件表面產(chǎn)生原子濺射，并且由于吸附和擴(kuò)散作用氮滲入氣缸套表面，使氣缸套表面得以硬化，完成氮化工，經(jīng)輝光離子氮化處理的氣缸套，氮化層深度0.12～0.15 mm，氮化層表面硬度1000 HV0.1。氣缸套放在氮化爐中加熱到540 ℃，保溫10 h隨爐冷至20 ℃，由于氮化會(huì)使氣缸套2次失效，會(huì)導(dǎo)致氣缸套變形，并且氮原子附著在氣缸套內(nèi)表面，會(huì)使尺寸縮小0.03～0.05 mm，因此氣缸套要做好失效處理，精度要求高的氣缸套要尺寸補(bǔ)償。輝光離子氮化處理氣缸套若未清洗干凈表面易產(chǎn)生斑點(diǎn)，若出爐早表面易發(fā)黑。

2.4 擠滲SiC

氣缸套擠滲SiC是以珩磨機(jī)為主要設(shè)備，將承載碳化硅粉末的液體攪拌均勻，加入珩磨頭與缸套之間，以珩磨頭壓力將粉末狀碳化硅擠壓入氣缸套內(nèi)表面內(nèi)，這樣硬化物碳化硅磨損量很小形成第一摩擦面，基體鑄體很快磨損形成儲(chǔ)油第二摩擦面，擠滲SiC處理層深度為3.8～14 mm，硬度達(dá)HV400～56，工作中碳化硅會(huì)進(jìn)一步向機(jī)體內(nèi)滲入，不會(huì)脫落，與活塞匹配良好。

2.5 松孔鍍鉻

鍍鉻層硬度高熔點(diǎn)高摩擦系數(shù)小，松孔便于儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，松孔鍍鉻層耐磨性很高，一般氣缸套鍍鉻后壽命可提高2～10倍，其磨耗率為0.01～0.03 mm/min，常用于大功率高強(qiáng)載度柴油機(jī)，缺點(diǎn)是松孔鍍鉻成本高，使用中潤(rùn)滑油消耗量大。氣缸套鍍層上常會(huì)出現(xiàn)抗滑“白斑”的酸蝕現(xiàn)象，使磨損加劇?？刹捎眠m當(dāng)?shù)膲A性潤(rùn)滑油來(lái)消除酸的影響，當(dāng)氣缸套鍍鉻、鉬層后，使用中既無(wú)“白斑”現(xiàn)象，磨損量也降低。

2.6 噴鉬、鉬合金表面處理

熱噴涂（或稱熔射） 是指采用專用設(shè)備把固體材料熔化（ 或軟化） 迅速噴射到工件表面形成涂層的方法，一般噴涂有以下分類：

用于活塞環(huán)、氣缸套的噴涂主要有火焰噴涂、等離子噴涂及線爆噴涂等。噴鉬層硬度可達(dá)700 HV0.1以上，一般為850～1 050 HV0.1，最高達(dá)1 300 HV0.1；摩擦系數(shù)低，抗拉缸性能好；松孔貯油性能好。噴鉬與鍍鉻等表面處理相比較鍍鉻處理的缺點(diǎn)是：容易降低基體疲勞強(qiáng)度，且磨合性差，有拉缸傾向。噴鉬的缺點(diǎn)是噴鉬層的耐磨性比鍍鉻層差。

火焰噴涂。當(dāng)涂層材料（鉬、鐵及合金制成的）熔滴噴射速度超過(guò)音速形成超音速噴涂。溫度達(dá)2 500 ℃～3 000 ℃的火焰使涂層材料呈熔滴，隨著高速火焰噴射向氣缸內(nèi)表面形成涂層。涂層硬度1 000～1 300 HV0.1，涂層孔隙率小于20%～30%，孔隙尺寸（在橫截面上最大孔徑）小于4 mm。美國(guó)20世紀(jì)末又開發(fā)了空氣和柴油為燃?xì)庠吹男路椒ǎ杀鞠陆?，使火焰噴涂方法廣泛的推廣和應(yīng)用?；鹧鎳娿f層的特點(diǎn)是缸套表面能有效地保持油膜，使其有良好的抗熔著磨損性能。

近年來(lái)噴涂技術(shù)從工藝、設(shè)備等方面有較大進(jìn)步，從目前工藝來(lái)看，小氣缸噴涂都采用線爆噴涂，活塞環(huán)與中大氣缸孔則是火焰噴涂、等離子噴涂和線爆噴涂都有應(yīng)用。已經(jīng)開發(fā)出在氣缸套表面涂抹固體潤(rùn)滑劑，再行噴涂，改善耐磨性能及減磨性能，已開發(fā)了等離子和電弧結(jié)合為一體的噴涂設(shè)備，涂層質(zhì)量進(jìn)一步提高，噴涂工藝正在迅速發(fā)展，前景很好，活塞環(huán)或缸套噴涂后，易形成低表面粗糙度，有利于形成液力潤(rùn)滑。選用噴涂材料時(shí)應(yīng)選用熱膨脹系數(shù)與所噴涂基材接近。

3 結(jié)語(yǔ)

氣缸套表面強(qiáng)化處理的方法對(duì)提高使用壽命都是一些行之有效的措施。但這些表面強(qiáng)化處理工藝各自有優(yōu)缺點(diǎn)，如鍍Cr法成本高、污染大、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大；離子氮化具有滲層脆性小、無(wú)毒、變形小等優(yōu)點(diǎn)，但它又具有生產(chǎn)周期長(zhǎng)、滲層?。ㄗ疃嘀?.5 mm）、耐腐性能較差、設(shè)備復(fù)雜、離子氮化處理熱脹量稍微偏大等缺點(diǎn)。擠滲SiC工藝成本低，可代替原光整加工的工序，生產(chǎn)周期很短，沒(méi)有任何變形，應(yīng)用前景較好。噴涂技術(shù)近年來(lái)不論從工藝、設(shè)備等方面都取得了很大的進(jìn)展，前景不可估量。

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