柴油機活塞裙石墨鍍層工藝改進及檢測方法驗證

2019-05-16 04:58:22徐琛,黃馳

造船技術 2019年2期

徐琛, 黃馳

(海軍駐上海滬東中華造船(集團)有限公司軍事代表室，上海 200129)

0 引言

柴油機活塞裙部件對活塞運動的平順性及活塞與氣缸之間的工作配合條件有著重要影響。石墨鍍層附著、固化在活塞裙表面，其作用是在柴油機磨合或高負荷狀態工作時，有效隔離活塞與缸套內壁之間的摩擦，因此需對活塞裙石墨噴涂工藝及檢測技術進行深入研究。國外方面，法國Piestick公司設計的PA/PC型柴油機在其技術文件SP 0193中已包含對石墨噴涂工藝的詳細介紹，但仍沿用20世紀八九十年代的傳統工藝。國內方面，主要有常州中車汽車零部件有限公司、山東濱州渤海活塞股份有限公司等生產廠家。石墨噴涂工藝區別之處[1]，主要在于對活塞進行預處理的方式：一種采用酸性溶液，俗稱“磷化”；另一種先采用堿性溶液再采用酸性溶液，俗稱“白色粗化”。在這兩種處理方式中，“磷化”為主要方式，其不僅可改善活塞裙表面耐腐蝕性，而且可使活塞裙表面清潔，提高石墨層與其的結合力，還能使活塞裙表面形成一定粗糙度，有利于石墨層的附著。因此，石墨噴涂工藝改進的方向就是在滿足專利商工藝要求和“磷化”預處理的前提下，基于現狀對石墨噴涂工藝做一些改進，以保障產品的質量及滿足客戶需求。

1 目的和要求

為改善活塞在裝機運行初期貧油狀態下的磨合性能，部分活塞在設計時要求對活塞裙部外圓進行“磷化”(預處理)和噴石墨處理，如PA 6組合活塞、PC 26組合活塞和MTU 956組合活塞等。石墨噴涂工藝受人、機、料、法、環、測等多方面影響，為保證工藝穩定性，必須對石墨噴涂工序的工藝進行研究并固化，嚴格控制各影響因素。為明確鐵活塞、鋁活塞表面石墨噴涂層的質量要求，研究制定石墨噴涂技術條件，規定涂層外觀、涂層厚度、涂層結合強度等要求，通過對比試驗，得出更有效的驗收規則。

2 石墨噴涂工藝

2.1 石墨噴涂工藝已存在的問題

技術文件《組合活塞(嵌入式鋼頂、鋁裙)》(SP 0193-03，1994年7月發布)要求石墨噴涂工藝如下：在活塞裙外側表面上使用Graphoil公司生產的石墨粉D31A進行石墨化處理，其將在空氣中作為一種聚合石墨層的空氣溶膠基體(15 min)。然后，該聚合處理應在105～200 ℃烘30 min，或在200～300 ℃烘15 min，或按供貨商技術說明書要求處理。

該工藝存在以下兩個問題：

(1) 文件要求石墨粉型號以D31A為宜，但由于年代久遠，目前該型號的石墨粉在市面上已無銷售。

(2) 在文件中，噴石墨前并沒有對活塞裙預熱的要求，而是直接進行石墨噴涂，在常溫下噴涂會產生石墨液流掛現象。

2.2 解決方案

根據現實情況對石墨噴涂工藝做一些改進，以保證產品質量，滿足客戶需求。

(1) 石墨粉型號問題。目前，在活塞生產領域，用于鋁裙表面噴涂的主流石墨粉是Dow Corning公司的D10，根據使用說明書(見圖1)，其主要用途之一是運用于各種汽油機活塞和柴油機活塞的表面石墨化處理，其主要成分與原D31A一致。目前，Dow Corning公司的D10石墨粉已被各大活塞生產廠商所使用，如Federal Mogul、MAHLE、山東濱州渤海活塞股份有限公司、中車大連機車車輛有限公司等，同類產品市場占有率達50%以上。因此，選用Dow Corning公司的D10石墨粉替代文件中要求的D31A石墨粉。

圖1 D10使用說明書

(2) 石墨噴涂工藝問題。按照SP文件，活塞裙在常溫情況下進行石墨噴涂，發現存在兩個問題：

① 活塞裙難以噴上石墨。原因：常溫下的活塞裙與周圍空氣溫度相近，熱對流小，使汽化的石墨較難吸附于活塞裙表面。

② 發生石墨液流掛現象，表面不均勻，嚴重影響外觀和質量，如圖2所示。原因：汽化后的石墨噴涂到常溫下的活塞裙表面，石墨液無法立刻烘干吸附，導致石墨液積聚。同時，常溫下的活塞裙難以噴上石墨，勢必需延長噴涂時間，加重石墨液流掛現象。

圖2 常溫下的鋁裙進行石墨噴涂時發生的流掛現象

結合原因進行分析，這兩個問題均可使用同一方法解決：在石墨噴涂前，對活塞裙進行105～200 ℃預熱。改進后，石墨噴涂無流掛現象，活塞裙表面均勻一致，效果如圖3所示。

圖3 預熱后鋁裙的石墨噴涂效果

2.3 石墨噴涂工藝的改進

參考相關技術文件[2]和D10石墨粉使用說明書，在改進噴涂初步工藝后試噴，制訂石墨噴涂工藝，具體工藝如下：

(1) 噴前檢查。活塞進行預熱前需進行表面狀態確認，表面無油漬、磷化溶液殘留及其他污漬后才可進行噴涂工序。若表面有污漬，則用百潔布或細砂紙對污漬部位進行擦拭或拋光，再對污漬部位進行清洗后才可進行預熱工序。

(2) 預熱。將工件放進烘箱中平整擺放，工件與工件之間互不接觸、碰撞，不得疊放。擺放后關閉烘箱門。工件在烘箱預熱至105～200 ℃，并保溫至少1 h，準備石墨噴涂。戴上干凈隔熱手套，將加熱后的活塞搬出，搬出后關閉隔熱門，在搬運過程中不得污染噴涂區域。

(3) 石墨噴涂。使用稱重法將石墨D10和稀釋劑7415按1∶0.5～1∶1的比例混合均勻，充分攪拌，裝入噴槍中待用。如圖4所示。

圖4 稱重法確定石墨配比

(4) 將工件置于旋轉工作臺上，裝入工裝卡盤中，在止口上方及銷孔位置安裝相應遮蔽工裝，如圖5所示。檢查工件表面有無油污、粉塵、污物，如有，則用酒精對其進行擦拭清潔，保證表面干凈后再進行噴涂。檢查工件有無碰傷，如有，則現場由裝配鉗工班組進行打磨處理。

圖5 活塞裝夾

圖6 操作面板操作順序

(5) 噴涂程序。打開石墨噴涂機電源，確認氣壓大小在工藝范圍內。手動調整噴槍至活塞距離，調整噴槍水平起始點位于活塞止口最上端。選擇合適的噴涂程序，按“回車鍵”確認，如圖6所示。按“自動”-“循環啟動”，開始自動噴涂。待噴涂程序自動完成后，取下活塞。

(6) 石墨噴涂后的工件放在烘箱中烘干，溫度200 ℃保溫20 min。

(7) 在工件烘干結束后，將其放置于已噴區，冷卻待檢查，并填寫《石墨噴涂操作記錄》。

(8) 按照《活塞石墨噴涂驗收規范》進行驗收，并做記錄。

3 石墨噴涂檢測

3.1 檢測方法介紹

按照GB/T 5270-2005《金屬基體上的金屬覆蓋層電沉積和化學沉積層附著強度試驗方法評述》的規定，采用剝離試驗對石墨層結合強度進行檢測，使用3M公司的強力纖維膠帶，并對其附著力進行檢測，附著力達到9.1 N/25 mm(國標規定試驗使用的膠帶附著力要求為8 N/25 mm)。

3.2 具體檢測方法

完成鋁裙的石墨噴涂后，按照如下檢測方法對石墨層結合強度進行檢測：

(1) 將鍍層表面使用酒精擦拭干凈，不得有油污、雜質等。將膠帶沿軸向粘貼在長軸止口處，長度必須超過裙身一半，并用輥子仔細排除其中所有氣泡，如圖7所示。

圖7 粘貼膠帶

(2) 粘貼時間為2 min以上，以45°快速將膠帶拉去。若石墨鍍層沒有剝離現象，則表明結合強度合格(見圖8)；反之，則說明石墨鍍層結合強度不合格(見圖9)。

(3) 兩側長軸都需進行檢測。

圖8 石墨鍍層結合強度合格產品

圖9 石墨鍍層結合強度不合格產品

3.3 檢測方法有效性驗證

在實際生產中發現，某公司供貨的幾批次活塞，在出廠前采用膠帶法檢測均合格，但經現場試驗，發生某些活塞裙石墨鍍層脫落的現象。假設膠帶法檢測失效，需分別對該方法的有效性、破壞性進行驗證[3]。

3.3.1 驗證試驗一

某型柴油機經30 h跑合后拆檢兩缸，發現A5缸和B5缸兩只活塞(編號LR 16-638(裙號7-88)、LR 16-644(裙號7-24))外圓長軸方向一側存在大面積石墨層剝落，后16只活塞全部吊出，2只活塞石墨未脫落(編號為LR 15-637和LR 15-632)，其余14只發生石墨脫落。利用這16只活塞，進行檢測方法的有效性驗證。試驗選取其中5只具有代表性的活塞裙。這5只活塞裙的基本狀態如表1所示。