汽缸套內(nèi)壁的松孔鍍鉻技術(shù)表面工程課程設(shè)計

1零件圖本次設(shè)計的氣缸套材質(zhì)為普通灰鑄鐵,采用砂型鑄造,材料基體組織為珠光體。見圖1，圖2，圖3。圖1氣缸套實物圖圖2汽缸套剖面圖圖3汽缸套尺寸圖2服役條件分析在內(nèi)燃機中,氣缸套是內(nèi)燃機中的關(guān)鍵零件之一,其對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放性能有重大的影響;同時氣缸套是內(nèi)燃機中工作環(huán)境最為惡劣的零件之一,它承受高溫、高壓的沖擊和汽缸套的往復(fù)摩擦從而極大地影響著內(nèi)燃機的可靠性。氣缸套的磨損可以分為以下3種情況:(1)磨料磨損。由干吸入的空氣中混有塵埃,機油中有積炭、金屬磨屑等外來堅硬雜質(zhì),形成磨料,磨料粒子在氣缸鏡面造成了平行于氣缸軸線的拉痕,個別粗大的磨料也會留下粗大拉傷。(2)腐蝕磨損。燃燒過程中產(chǎn)生許多酸性物質(zhì),如果氣缸上的潤滑膜缺乏,就會對缸體腐蝕,形成腐蝕磨損。(3)熔著磨損。當氣缸與活塞在潤滑不良情況下滑動時,兩者有極微小局部金屬面直接接觸,摩擦形成局部高熱,使之熔融勁著、脫落,逐步擴大即產(chǎn)生熔著磨損。如果油膜得以及時恢復(fù)起到清洗和冷卻作用,那么微小熔著局部脫落不會擴展,如果油膜恢復(fù)緩慢熔著擴展導(dǎo)致很大范圍內(nèi)發(fā)生異常造成熔著磨損,這是一種破壞性更大的磨損。3性能要求無論何種內(nèi)燃機,對氣缸套的根本要求都是相同的。即:抗磨損性、保油性、低摩擦因數(shù)、抗燃氣腐蝕以及足夠的機械強度。缸套按材質(zhì)可分為鑄鐵質(zhì)和鋼質(zhì)2種。前者通常是由含磷和含硼鑄鐵制造,其加工精度和本錢較高,后者通常由無縫鋼管或低碳鋼板制造,其毛坯成型、機械加工、鍍鉻等工藝技術(shù)的難度較大，本次課程設(shè)計選用鑄鐵。氣缸套作為發(fā)動機的心臟部件,其性能的優(yōu)劣對整臺機車的大修周期起著舉足輕重的作用。目前提高氣缸套使用壽命的途徑大致有兩種:一是研究開發(fā)不同的耐磨材質(zhì);二是在原有的材質(zhì)根底上進行不同的外表處理,提高材質(zhì)的減磨性、耐磨性。開發(fā)新材質(zhì)是一個長期的過程,而采用外表處理工藝,提高氣缸套的耐磨性是一種本錢低、見效快的好方法。4工藝選擇滿足汽缸套的性能要求的外表加工技術(shù)有：=1\*GB3①氮化處理=2\*GB3②激光外表淬火技術(shù)=3\*GB3③等離子處理技術(shù)=4\*GB3④電鍍鉻技術(shù)〔1〕氮化處理在汽缸套的內(nèi)壁上進行金屬化學熱處理，滲入氮元素，可以顯著提高汽缸套的內(nèi)外表硬度，使其耐磨性能顯著提高，延長使用壽命?！?〕激光外表淬火技術(shù)氣缸套內(nèi)外表經(jīng)過激光硬化處理后,可顯著提高硬度和耐磨性能,延長疲勞壽命,從而大大提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益。我國在汽車缸套激光熱處理方面已有較好的開展?；w硬度在HV400左右的缸套,激光處理后顯微硬度一般在HV600~700左右,耐磨性能大大增加,如石家莊機務(wù)段0204機車的0248號柴油機上激光淬火氣缸套比非激光淬火氣缸套的磨損量降低在30%~100%之間,可見效果顯著。利用激光設(shè)備的氣缸套內(nèi)壁硬化處理在國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛,但激光淬火存在投資回收期過長,維修費用和氣缸套本錢高等缺點?！?〕等離子處理技術(shù)等離子技術(shù)主要分為三類：等離子淬火，等離子多元共滲，等離子噴涂=1\*GB3①等離子淬火等離子淬火不是淬硬整個內(nèi)孔外表、而是通過程序控制,在氣缸套外表形成連續(xù)的、不等間距螺旋線形的淬火軌跡硬化。這樣不僅能夠提高氣缸套的耐磨性,而且還能夠克服正常的潤滑油膜不能起保護作用。由于采用了不等間距淬火,在上止點磨損最嚴重的部位采用較小的螺距,有利于提高整個缸套的壽命。其缺點為:經(jīng)等離子外表硬化處理后的氣缸套壽命提高幅度較小一般在60%~70%左右,這樣就使它滿足不了一些高度耐磨缸套的要求。=2\*GB3②等離子多元共滲氣缸套用高能等離子束在常壓下快速掃描涂敷合金滲劑的氣缸套內(nèi)外表,可實現(xiàn)多元共滲+自激冷淬火復(fù)合硬化,根據(jù)文獻記載,獲得的總硬化層深度大于150μm,硬化層顯微硬度可達HV927。優(yōu)點:生產(chǎn)過程穩(wěn)定,本錢低,效率高。缺點:耐磨性提高幅度大約只有26%。=3\*GB3③等離子噴涂氣缸套噴涂鉬合金可能是等離子噴涂在汽車工業(yè)的最大應(yīng)用。目前SULZERMETCO公司已研制了用于發(fā)動機氣缸從清理、吹砂直至噴涂的一整套系統(tǒng),涂層質(zhì)量優(yōu)良。這一系統(tǒng)每天可噴涂十缸發(fā)動機缸套200件。但由于噴鉬后HV800~900左右,耐磨程度提高幅度不大。當前,等離子噴涂金屬陶瓷粉末而形成的陶瓷氣缸套在國外已取得成功,并且已應(yīng)用于生產(chǎn),其耐磨性能提高幅度能到達原來的1~1.5倍。用等離子噴涂新型金屬陶瓷粉末后的氣缸套耐磨度比原來提高120%以上?！?〕電鍍鉻技術(shù)鉻在常用金屬中硬度最高，不斷改良鍍鉻工藝的添加劑，HV值已提高到900以上，耐磨性較好；摩擦系數(shù)低，汽缸套磨損??；熔點高〔1890℃電鍍鉻技術(shù)在汽缸套上的應(yīng)用比擬成熟和廣泛。缸套鍍鉻常用的方法有三種:松孔鍍鉻,硬質(zhì)鍍鉻,英國Cromard專利鍍鉻。=1\*GB3①硬質(zhì)鍍鉻缸套內(nèi)孔外表涂以高尺寸精度的硬質(zhì)鉻層,厚度為0.05~0.08mm,以機械法使鍍鉻層外表形成凹凸不平狀(微觀),以改善初期磨合性和抗拉傷性,再通過磨料對鍍鉻外表進行研磨,使其形成獨立的溝狀儲油槽。因鍍層較松孔鍍鉻薄,故其內(nèi)部的剩余應(yīng)力小,這是一本錢較低,耐用性較好的鍍鉻工藝。=2\*GB3②松孔鍍鉻(也稱多孔性鍍鉻)松孔鍍鉻是把已鍍上的鉻層在鍍液中進行短時間的反鍍,使外表呈清晰的網(wǎng)紋。由于鍍層比擬堅硬,網(wǎng)紋可貯存潤滑油,因而能保證摩擦副在工作過程中形成良好的油膜,減少外表磨損,延長使用壽命。=3\*GB3③英國Cromard專利鍍鉻技術(shù)該工藝的特點是:點狀儲油構(gòu)造不是靠反鍍形成的,而是在鍍鉻過程中直接形成的,網(wǎng)紋不貫穿鍍鉻層,是由不規(guī)那么的平臺和凹坑組成的,厚度一般為0.019~0.025mm,殘留應(yīng)力小,與基體的結(jié)合強度高,不易剝落,貯油性能好?！?〕工藝選擇考慮到經(jīng)濟因素，本錢問題，以及操作的實際穩(wěn)定性，本次設(shè)計采用松孔鍍鉻技術(shù)對汽缸套的內(nèi)壁進行外表處理。松孔鉻亦稱網(wǎng)紋鉻。為了改善在摩擦狀態(tài)下鉻鍍層的工作條件對已有的鉻鍍層進行松孔處理，使鉻層原有的網(wǎng)狀裂紋加深和加寬，這樣的鉻層具有吸油性，從而增加鉻鍍層的耐磨性。鍍硬鉻與松孔鍍鉻的磨損情況，一般在低負荷下二者大致是相同的。但負荷超過200MPa時，松孔鉻層的磨損量要比硬格層的磨損量小得多。鍍松孔鉻處理有三種方法：〔1〕機械法在經(jīng)過噴砂和磨光的基體外表上，用滾壓工具使基體外表壓成圓錐或角錐的小坑，鍍鉻后外表保存這些小坑。這種方法較簡單，易于控制，但與潤滑油的附著性能不夠理想?！?〕化學法在鍍鉻的外表上，用鹽酸處理，使鍍鉻層原有的裂紋和空隙加以擴大和加深。這種方法鉻層損耗多，且溶解難于均勻。〔3〕電化學法汽缸套經(jīng)鍍耐磨鉻后，進行陽極松孔處理，是耐磨層上原有的淺窄網(wǎng)狀裂紋擴大和加深，鍍層外表就產(chǎn)生貯存潤滑油的功能，提高汽缸套的抗磨性能。此次設(shè)計即采用此法。5工藝流程研磨→汽油清洗→冷水洗→電化學除油→熱水洗→冷水洗→酸洗除銹→冷水洗→中和→冷水洗→鍍鉻→冷水洗→熱水洗→枯燥→除氫(熱處理)→研磨→冷水洗→松孔→冷水洗→熱水洗→鍍層檢驗6各工序的具體分析與作用〔1〕研磨用于消除汽缸套內(nèi)壁加工缺陷〔劃痕、擦傷、壓痕等〕和鑄造缺陷。研磨時間為：鍍鉻前15～25min,鍍鉻后為25～35min可研好。機加工時應(yīng)注意，圓角的大小一定要保持均勻，沒有任何可見的劃痕，否那么在鍍鉻時會出現(xiàn)很多的鉻瘤，最后造成氣孔而使汽缸套報廢?！?〕汽油清洗汽油清洗可作為除油的預(yù)處理操作。利用汽油能溶解油脂的特點，除去黏附在汽缸套外表上的礦物油脂。除油的方法是把汽缸套放在盛有溶劑的槽內(nèi)，用刷子蘸溶劑擦刷汽缸套外表。汽油除油的優(yōu)點是速度快、操作方便、不腐蝕零件。其缺點是除油不徹底、因為溶劑揮發(fā)后。零件外表會留下一層極薄的油膜。所以必須補充除油，可用手工刷洗、化學除油或電化學除油，一般操作場所要裝排風機，過去應(yīng)用不廣。但隨著除油設(shè)備不斷改良，使用過的溶劑可蒸餾再生，設(shè)備也根本密封，增加了平安囊可靠性，降低廠本錢，有機溶劑除銹的應(yīng)用就日益增多了?！?〕電化學除油電化學除油也叫電解除油，是在電流作用下，將汽缸套作為陰極或陽極、置于堿性镕液進行電解，從而除去油污。電化學除油時，除了有化學除油的皂化與乳化作用外，還在電流作用下，便零件外表析出氫氣或氧氣。它們的氣泡逐漸變大，將薄膜從內(nèi)部撕裂帶到液面上，并對溶液起到攪拌作用，加速丁油污脫離零件外表的速度。所以，電化學除油比化學除油更有效。為了徹底去除汽缸套外表的油脂，保證最精細的外表清理。除油時汽缸套放在陰極上，陽極用不銹鋼板或鍍鎳的鐵板，陽極不應(yīng)溶解。除油液配方及參數(shù)見表1.表1電化學除油液配方組成及工藝NaOHNa2CO3Na3PO4Na2SiO3·12H2O溫度〔℃〕電流密度〔A/dm2〕時間〔min〕配方〔g/L〕302530380-905-73-5各組分作用：氫氧化鈉〔NaOH〕除油溶液的主要成分，直接參與除油過程的化學反響，由于氫氧化鈉的堿性極強，對金屬有一定的氧化和腐蝕作用。堿含量高時，皂化作用強，但過高時潤濕性差，不易清洗干凈，因此對除油不利。碳酸鈉〔Na2CO3〕除油溶液中的主要成分，碳酸鈉溶于水后，即發(fā)生水解反響，生成的氫氧化鈉與油脂發(fā)生皂化反響除去油污，碳酸鈉在除油溶液中起到補充所消耗的氫氧化鈉的作用，并對溶液的PH值起到緩沖作用〔PH≤8.5時，皂化反響不能進行，PH≥10.2時，皂化物水解〕。磷酸三鈉〔Na3PO4〕水解時生產(chǎn)的氫氧化鈉參與除油的皂化反響；磷酸三鈉潤濕性好，對油脂有一定的乳化作用，容易清洗干凈。但磷酸鹽能促進水中微生物大量繁殖，將大量消耗水中的氧，影響水生生物的生存，破壞生態(tài)平衡。廢水排放受到限制，現(xiàn)已普遍提供無磷型除油劑。硅酸鈉〔Na2SiO3·10H2O〕偏硅酸鈉對油脂的乳化作用較強，可除去不能發(fā)生皂化反響的礦物油脂；同時硅酸鈉的分子能在零件外表形成薄膜，保護外表免受氫氧化鈉的腐蝕。電流密度提高電流密度，可以提高脫脂速度和改善深孔與不通孔內(nèi)的脫脂效果。但電流密度太高時，會形成大量的堿霧，污染車間里的空氣，還可能腐蝕工件。適宜的電流密度，保證析出足夠的氣體，才能將工件外表的油污去除干凈，一般選擇5-7A/dm2。時間對于不同材料，不同極性，電化學除油的時間有所不同，大致為：鑄鐵：在陰極3～5min在陽極0.5～1.5min鋼：1～2min.本次設(shè)計汽缸套的材料為鑄鐵，且電化學除油時放在陰極，因此除油時間為3～5min?！?〕酸洗除銹汽缸套在經(jīng)電化學除油后外表已經(jīng)處于無油污狀態(tài)，但在現(xiàn)實工業(yè)環(huán)境中，其外表還存在氧化皮和銹跡。如果不經(jīng)過酸洗除銹是不能得到完整的磷化膜的。因此，用酸洗除銹是汽缸套磷化前的一道重要工藝。酸洗劑采用15%-20%的硫酸，另外加緩蝕劑0.5%-1%的假設(shè)丁，溫度50℃-80℃即可，時間0.5-1min緩蝕劑假設(shè)丁的作用是：其分子吸附在基體金屬外表，阻止酸對基體金屬的侵蝕?！?〕中和將汽缸套浸入0.2%-1.0%的常溫純堿水溶液中2-3min中和殘液?！?〕鍍鉻=1\*GB3①防鍍處理由于本次設(shè)計是對汽缸套的內(nèi)壁進行電鍍鉻，所以在電鍍前對于不需要鍍鉻的部位，要進行保護，在電鍍前，除內(nèi)壁的其它部位，先涂上可剝離的防鍍涂料，鍍鉻完畢后，此涂料可輕易剝離。=2\*GB3②鍍鉻槽鍍鉻槽主要構(gòu)件包括槽體、溶液加熱及冷卻裝置、導(dǎo)電裝置和攪拌裝置等。槽體有時直接盛裝溶液如熱水槽等,有時作襯里的基體或骨架如鋼槽的根本要求是不滲漏和具有一定的剛度與強度，以免由于槽體變形過大造成襯里層的破壞；鋼槽底面應(yīng)離地面100㎜~120㎜，以防腐蝕嚴重。確定電鍍槽尺寸大小時，必須滿足以下3個根本條件：a滿足被加工零件的電鍍要求，如能夠完全浸沒零件需電鍍加工全部外表；b防止電解液發(fā)生過熱現(xiàn)象；c能夠保持電鍍生產(chǎn)周期內(nèi)電解液成分含量一定的穩(wěn)定性。本次所用電鍍鉻槽的尺寸為〔600mm×400mm×400mm〕鍍鉻池的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4圖4鍍鉻槽=3\*GB3③夾持電鍍時將汽缸套用夾子沿徑向夾持，電鍍時將汽缸套沿徑向慢慢伸入電鍍槽，完全沒入后開始施鍍。=4\*GB3④施鍍電鍍液的配方及工藝參數(shù)如表2所示：表2電鍍鉻配方及工藝參數(shù)組成及工藝CrO3〔g/L〕H2SO4〔g/L〕Cr3+〔g/L〕溫度〔℃〕電流密度〔A/dm2〕時間〔h〕配方2502.4350～5540～503.5～4.5配方中各組分作用鉻酐〔CrO3〕鉻酐的水溶液是鉻酸，是鍍鉻層的唯一來源。鉻酐濃度可以在很大范圍內(nèi)變動。鉻酐的濃度對鍍液的電導(dǎo)率起決定作用，每一個溫度下都有一個相應(yīng)于最高電導(dǎo)率的過鉻酐濃度；鍍液溫度升高，電導(dǎo)率最大值隨鉻酐濃度增加想稍高的方向移動。因此，單就電導(dǎo)率而言，宜采用鉻酐濃度較高的鍍鉻液。但采用高濃度鍍鉻液，由于隨汽缸套帶出損失嚴重，一方面造成材料的無謂消耗，同時還對環(huán)境造成一定污染。故一般生產(chǎn)上采用的鉻酐濃度為150～400g/L。硫酸根〔SO42-〕硫酸根在電鍍液中起催化作用當SO42-含量過高時，對膠體膜的溶解作用強，基體露出的面積大，真實電流密度小，陰極極化小，得到的鍍層不均勻，有時發(fā)花，特別嚴重時還可能露出基體金屬。硫酸的含量主要取決于鉻酐與硫酸的比值一般控制在CrO3/SO42-=〔80～100〕：1，最正確值為100：1。三價鉻〔Cr3+〕鍍鉻液中Cr6+離子在陰極復(fù)原產(chǎn)生Cr3+與此同時在陽極上被氧化，三價鉻濃度很快達成平衡，平衡濃度取決于陰陽極面積比。Cr3+離子是陰極形成膠體膜的主要成分，只有當鍍液中含有一定量的Cr3+時，鉻的沉積才能正常進行。當Cr3+的含量偏高時，可用小面積的陰極和大面積的陽極，保持陽極電流密度為1～1.5A/dm2電解處理，處理時間視Cr3+含量而定，鍍液溫度為50～60溫度和電流密度當電流密度不變時，電流效率隨溫度升高而下降；假設(shè)溫度固定，那么電流效率隨電流密度的增大而增加。然而，當CrO3/SO42值減小時，變化相應(yīng)變小，因此通常采用較低的溫度和較高的陰極電流密度。〔7〕除氫熱處理在180～200℃主要是使大局部殘留氫氣排出，減少工件的脆性，提高其疲勞強度。同時，熱處理還能改善鍍層與基體金屬之間的結(jié)合性，當基體金屬承受壓力變形時，鍍層有良好的變形適應(yīng)性，不至于發(fā)生剝落現(xiàn)象?！?〕松孔松孔處理可在同一鍍液中進行，將汽缸套接陽極，鉻鍍層受逆向電流的作用。開始的1.5～2min，用電流沖擊，電流密度為正常陽極的2倍，以除去鉻上面的氧化薄膜。硬鉻鍍層的優(yōu)點是外表硬而致密平滑，這樣的性質(zhì)有利于具有較好的耐磨性，在硬鉻層外表雖然也有裂紋，但深度和寬度都不大。無法貯藏潤滑油，因而潤滑性差。而在苛刻條件下使用的鍍層，如隨著重負荷機械摩擦的汽缸套，必須有良好的潤滑性，以減小摩擦系數(shù)。松孔鍍鉻可使原始裂紋加深加寬，外表呈現(xiàn)清晰的網(wǎng)狀裂紋，成為溝狀松孔鍍鉻層。這些溝紋或深孔能很好地儲存潤滑油，在工作過程中保證良好的潤滑，大大降低零件外表的磨損。因此采用松孔處理，可以大幅提高零件的使用壽命。松孔鍍鉻的工藝參數(shù)見表3.表3松孔處理工藝參數(shù)