提高發(fā)動機(jī)鋁合金件耐磨性的表面處理工藝

1、提高發(fā)動機(jī)鋁合金件耐磨性的表面處理工藝責(zé)任編輯：雙全機(jī)械 汽車、摩托車的輕量化是一個很重要的發(fā)展趨勢。把車身材料的全部或是某一部分由密度大的鋼鐵材料換成密度小的鋁合金材料，可以大大減輕車身質(zhì)量。發(fā)動機(jī)的質(zhì)量在車身質(zhì)量中占很大比重，將發(fā)動機(jī)由原來的鑄鐵材料換成鋁合金后，由于鋁合金耐磨性差，如果不進(jìn)行處理，將使發(fā)動機(jī)汽缸內(nèi)壁與活塞接觸的部分產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，大大減少發(fā)動機(jī)。 目前一般采用的解決方法是在鋁合金發(fā)動機(jī)內(nèi)部加一鑄鐵缸套，活塞環(huán)與鑄鐵缸套而不是與鋁合金材料進(jìn)行摩擦，這樣可以避免鋁合金的磨損。但這種方法工藝復(fù)雜，同時又增加了鋁合金缸體的質(zhì)量。通過表面處理技術(shù)在鋁合金工件表面形成附著牢固的金屬、合

2、金、陶瓷等表面層，可提高工件的耐磨性，因此受到國內(nèi)外的廣泛重視和研究。為此，本文將近年來一些研究成果介紹如下。1 等離子噴涂1998年德國戴姆勒一克萊斯勒公司發(fā)明用過共晶AlSi合金和或AlSi復(fù)合體涂覆內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的鋁合金汽缸壁的工藝技術(shù)。由Al固態(tài)溶液、Si沉積物、金屬間相(例如A1 Cu和Mg Si)和氧化物構(gòu)成不均勻的層狀結(jié)構(gòu)。通過熱噴涂，優(yōu)選大氣等離子體噴涂形成該涂層，具有很高的粘附力和耐磨性u 。2004年土耳其Turkel，V等人采用等離子噴涂技術(shù)在柴油引擎發(fā)動機(jī)AlSi合金活塞上制備厚度約400zm 的(A1Si)一SiC復(fù)合涂層。用光顯微、SEM、X光散射等方法研究涂層微結(jié)構(gòu)，

3、發(fā)現(xiàn)涂層由于連續(xù)熔融或半熔融顆粒的沉積和固化而呈現(xiàn)出層狀形態(tài)，SiC顆粒隨機(jī)分散在Alsi層中。平均顯微硬度達(dá)到167 HV(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3O 95的(A1-Si)一SiC涂層)，在10 N載荷和10 000 rmin下的磨損率為49510 Smmm E 。2 等離子弧焊1995年韓國機(jī)器和金屬研究院發(fā)明等離子弧焊表面處理提高鋁合金活塞環(huán)槽的耐磨性的工藝技術(shù)，包括以下步驟：1)將等離子焊炬置于鋁合金活塞頂環(huán)槽之上；2)提供5O200xm銅粉；3)部分弧焊活塞；4)用銅熔體熔化活塞金屬，形成A1一Cu合金涂層；5)在合金表層形成頂環(huán)槽。由于合金表層內(nèi)成分分布均勻，頂環(huán)槽具有很高的耐磨性 。3 等離

4、子掃描2001年山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院發(fā)明了用等離子體掃描金屬表面形成熔覆梯度涂層的方法，具體步驟為：1)在金屬表面預(yù)涂Fe基或Co基或Ni基或根據(jù)要求配制的合金粉末與陶瓷粉末的混合粉末；2)用非氧化性氣體在等離子炬中電離產(chǎn)生的等離子體在金屬表面掃描，產(chǎn)生冶金結(jié)合的熔覆層或梯度涂層。其效果是a預(yù)敷涂層經(jīng)等離子束熔覆后，在金屬表面形成含有陶瓷顆粒的非平衡組織；b選擇合適的粉末種類和工藝參數(shù)，經(jīng)等離子體加熱后自動生成陶瓷顆粒呈連續(xù)梯度分布的熔覆層 7。4 等離子電解2002年中國科學(xué)院力學(xué)研究所開發(fā)成功鋁合金缸體內(nèi)壁陶瓷涂層的等離子體電解沉積方法及裝置：步驟為：1)對鋁合金缸體進(jìn)行清洗和除油

5、預(yù)處理；2)將放在冷卻池內(nèi)的電解液，儲液池中的電解液泵人鋁合金缸體內(nèi)，電解液為磷酸鈉溶液或與硼酸鈉溶液的混合溶液，電解液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 lO ，其中，磷酸鈉與硼酸鈉的比值為95100：50；缸體作陽極，放在缸體內(nèi)的不銹鋼棒作陰極，接通與之相連的非對稱性交流電源，等離子電解2O150 min；便在鋁合金缸體內(nèi)制備一層550 m 的陶瓷涂層。該發(fā)明的裝置包括：一個具有陽極接頭和接有金屬棒陰極的非對稱性交流電源，一個放在冷卻池中的電解液儲液池，其正上方設(shè)一固定缸體絕緣支架；循環(huán)泵的進(jìn)液管位于儲液池中；絕緣支架上端裝一呈n型的導(dǎo)管 J。5電 鍍1997年以后，日本豐田技術(shù)研究院逐漸開發(fā)了高速電噴鍍，在

6、鋁合金基體表面制備(NiP)一SiC復(fù)合梯度涂層的工藝技術(shù)，沉積層的粒徑在63Onm。表面層沉積了Ni。P后，鋁合金基體表面硬度最高可達(dá)1 035 HV_6。與傳統(tǒng)的鋅酸鹽處理方法相比，這種涂層具有超高的結(jié)合強(qiáng)度 。1996年日本ASAHI技研工業(yè)株式會社的專利技術(shù)為向鋁合金汽缸的內(nèi)壁表面噴涂金屬電鍍液，以改善金屬鍍層的結(jié)合力 。1997年美國通用汽車旗下的休斯電子公司開發(fā)成功在鋁合金活塞上電鍍鐵一鈷合金的工藝并申請了專利g，包括如下步驟：1)通過化學(xué)鍍鎳電解液，在鋁合金基體鍍上鎳薄層；2)通過鐵一鈷電解液，在鎳層上電鍍鐵一鈷合金。所得到的鐵一鈷鍍層的鋁合金零部件具有良好的粘結(jié)性、摩擦、導(dǎo)熱和

7、耐腐蝕性。2001年中國臺灣三陽工業(yè)股份有限公司發(fā)明了全鋁復(fù)合電鍍汽缸的制造方法：首先提供一汽缸胚體模具，接著制備鋁金屬液，然后施行壓鑄制造，以壓力超過2O MPa、低速速度大于003 ms且高速速度大于10 ms填充鋁金屬液進(jìn)入汽缸胚體模具以形成一汽缸胚體；電鍍汽缸胚體內(nèi)徑以形成NiSiC復(fù)合鍍層_】 。1999年上?？颠m達(dá)輪圈有限公司發(fā)明的鋁合金發(fā)動機(jī)汽缸內(nèi)壁(NiSiC)復(fù)合電鍍工藝，電鍍液的成分為硫酸鎳41O500 gL，氯化鎳59 gL，硼酸4160 gL，碳化硅5Ol00 gL，應(yīng)力消除劑13 gL，分散劑0103 gL。該工藝使發(fā)動機(jī)汽缸經(jīng)久耐用，廢氣排放量下降，冷啟動性能提高

8、。6 物理氣相沉積1999年美國通用汽車公司研究了各種鋁合金活塞群部涂層對390 A1發(fā)動機(jī)汽缸孔的刮擦和摩擦行為，被試驗的涂層包括NiW 鍍層、化學(xué)鍍Ni層、帶有BN或SiC或Si。N 陶瓷顆粒的NiP涂層以及TiN 物理氣相沉積(PVD)涂層、類金剛石(DLC)涂層和硬質(zhì)陽極氧化處理。NiP陶瓷復(fù)合鍍層是通過傳統(tǒng)電鍍方法制備的，(NiP)一SiC涂層的硬度約為55 HRC，(NiP)一Si。N 涂層的硬度在50 55 HRC，(NiP)一BN涂層的硬度在50 HRC左右。評價了這些涂層的耐刮擦性和耐摩擦性，與電鍍鋅和電鍍鐵進(jìn)行了比較。TiN PVD涂層對390 A1孔的磨損最嚴(yán)重 。7 激

9、光熔覆成形2004年華中科技大學(xué)激光國家重點實驗室采用橫流5 KWCO 激光器對HBS320鋁活塞環(huán)槽兩岸直接進(jìn)行鎳基合金粉末激光合金化的試驗研究，獲得了無氣孔、裂紋、組織細(xì)小均勻的合金化層。SEM 研究表明合金化層與基體鋁合金形成了牢固的冶金結(jié)合，合金化層組織為靠近基體鋁合金的具有定向凝固特征的樹枝晶+細(xì)小均勻的等軸晶，組織過渡均勻。表面硬度達(dá)到650 HV，是基體鋁合金的56倍，實際使用表明，使用壽命較未經(jīng)處理的鋁活塞得到較大提高口 。2006年天津大學(xué)通過激光熔覆在2024鋁合金基體上原位合成TiB 顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合鍍層。表面顯微硬度最高為900 HV左右。18 N載荷10min，磨損量在23 mg_1 。8結(jié) 語近年來，根據(jù)汽車輕量化發(fā)展的需要，鋁在汽車上應(yīng)用量增加很快。北美轎車平均每車用鋁已達(dá)124 kg；日本2005年每車用鋁估計達(dá)到150kg。就其發(fā)動機(jī)部件而言，1995年寶馬4閥6缸奧托發(fā)動機(jī)(2、25、28 L)，其鋁缸體較鑄鐵缸體輕31 kg；日本汽車公司開發(fā)的全