具有最佳熱傳導(dǎo)性能的噴涂鋁-鐵氣缸套

【德】 M.Aumiller M.Buchmann V.Scherer

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具有最佳熱傳導(dǎo)性能的噴涂鋁-鐵氣缸套

【德】 M.Aumiller M.Buchmann V.Scherer

Federal-Mogul公司開(kāi)發(fā)了1種新型的熱噴涂“Sprayfit”薄壁氣缸套，為發(fā)動(dòng)機(jī)噴涂鋁機(jī)體中的鐵基氣缸套提供了1種新的解決方案。這種型式的氣缸套首次使熱傳導(dǎo)性能達(dá)到了氣缸內(nèi)壁熱噴涂的水平。

氣缸套 熱噴涂 發(fā)動(dòng)機(jī)輕型結(jié)構(gòu) 熱管理

1 在摩托車上經(jīng)受考驗(yàn)

鋁作為發(fā)動(dòng)機(jī)輕型結(jié)構(gòu)的材料具有越來(lái)越重要的意義。為了在鋁氣缸套曲軸箱中調(diào)整活塞環(huán)組與氣缸套工作表面之間摩擦狀況，促使其達(dá)到材料配對(duì)的最佳狀態(tài)，多采用不同結(jié)構(gòu)的氣缸套或直接在機(jī)體氣缸工作表面熱噴涂?jī)?nèi)部涂層。當(dāng)今，氣缸套應(yīng)用不僅采用鑲鑄或壓入各種不同壁厚的灰鑄鐵氣缸套，而且也應(yīng)用復(fù)合結(jié)構(gòu)氣缸套。這種灰鑄鐵氣缸套外部有AlSi12涂層，以改善其與鋁氣缸套曲軸箱的結(jié)合牢度。

Federal-Mogul公司利用熱噴涂工藝制造鐵與鋁復(fù)合材料整體噴涂氣缸套，其中鐵內(nèi)層類似于內(nèi)部熱涂層，提供了相同的摩擦性能優(yōu)點(diǎn)。而氣缸套的外部鋁涂層則能獲得最佳的熱傳導(dǎo)性能，幾乎能達(dá)到缸孔內(nèi)壁涂層的水平。這種性能與工業(yè)上創(chuàng)立的滑動(dòng)配合方法相結(jié)合，因此這種“Sprayfit”(“噴涂配合”，與滑動(dòng)配合相對(duì)應(yīng))工藝是可靠性與創(chuàng)新的最佳結(jié)合，將熱結(jié)合氣缸套優(yōu)點(diǎn)與內(nèi)部涂層功能性能融合起來(lái)。

Sprayfit氣缸套在摩托車賽運(yùn)動(dòng)和道路摩托車使用中已經(jīng)證明了其可靠性，而在轎車汽油機(jī)和柴油機(jī)上，也已經(jīng)在臺(tái)架試驗(yàn)中證實(shí)了其良好的功能性，并計(jì)劃在2016年年底首次投入量產(chǎn)應(yīng)用。

2 Sprayfit氣缸套的結(jié)構(gòu)

新開(kāi)發(fā)的Sprayfit氣缸套采用機(jī)械或熱工藝方法，壁厚僅1mm，適用于輕型結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)。出于質(zhì)量原因，鐵(Fe)的份額應(yīng)優(yōu)化到摩擦學(xué)所必需的最小值。Sprayfit氣缸套是由1層采用電弧金屬絲噴涂工藝形成的0.4～0.6mm碳鋼內(nèi)層和1層采用相同工藝直接噴涂在內(nèi)層上的0.4～0.7mm鋁噴涂層組成，在內(nèi)徑珩磨后，包括剩余的0.1～0.3mm鐵氣缸襯套在內(nèi)的最終氣缸套壁厚為1mm。Sprayfit氣缸套可制成20～300mm缸徑的氣缸套。圖1示出了輕型結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)常用的氣缸套工作表面工藝的概況，除了灰鑄鐵氣缸套之外，還示出Nikasil(NiSi碳化物)涂層、熱噴涂?jī)?nèi)部涂層(等離子自動(dòng)輸送金屬絲電弧噴涂(PTWA))和最新的Sprayfit氣缸套[1]。

3 Sprayfit氣缸套的一般性能

因鐵的份額較少，Sprayfit氣缸套在質(zhì)量方面與鑲鑄氣缸套相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，例如1臺(tái)4缸發(fā)動(dòng)機(jī)可減輕2kg，與質(zhì)量?jī)?yōu)化的熱結(jié)合灰鑄鐵氣缸套相比，Sprayfit氣缸套可使每個(gè)氣缸套曲軸箱的質(zhì)量減輕0.5kg。

除了質(zhì)量減輕之外，Sprayfit工藝的第2個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其薄的鐵涂層優(yōu)化了從燃燒室至氣缸體曲軸箱的熱傳導(dǎo)。在上面所述的鐵涂層厚度情況下，Sprayfit氣缸套的導(dǎo)熱能力接近于缸孔內(nèi)壁直接熱涂層的水平。圖2示出了各種不同氣缸套工藝在相同的情況下有限元(FEM)模型中的氣缸壁面溫度。在嵌入式氣缸套上的熱傳導(dǎo)測(cè)量證實(shí)了這些數(shù)據(jù)。鐵涂層的厚度可以在熱噴涂時(shí)靈活地進(jìn)行調(diào)整，因此能夠利用這種自由度精確地確定從燃燒室傳導(dǎo)出來(lái)的熱量，甚至必要時(shí)可限制散熱。

由于現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的爆發(fā)壓力越來(lái)越高，而氣缸之間鼻梁寬度越來(lái)越小，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的熱管理成為重要的研究課題，因而在部分鼻梁寬度非常小的情況下，氣缸之間鼻梁中要鉆冷卻水孔，以避免鼻梁溫度過(guò)高而降低強(qiáng)度。在這種情況下，氣缸套的熱膨脹性能是十分關(guān)鍵的。在嵌入式灰鑄鐵氣缸套的情況下，著火運(yùn)行狀態(tài)時(shí)鋁機(jī)體的膨脹要比氣缸套大得多。為了在熱狀態(tài)下氣缸套與機(jī)體之間具有足夠緊的擠壓配合，在室溫下兩者之間必須選擇足夠大的過(guò)盈量，這樣在冷態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生足夠大的機(jī)械負(fù)荷。表1表明具有較小過(guò)盈量的Sprayfit氣缸套在溫度變化的過(guò)程中仍能保持不變的過(guò)盈配合，而且氣缸之間鼻梁的負(fù)荷要比灰鑄鐵氣缸套小。

表1 在各種運(yùn)行狀態(tài)下使用嵌入式氣缸套時(shí)的氣缸鼻梁負(fù)荷

就摩擦學(xué)而言，Sprayfit氣缸套與缸孔內(nèi)壁鐵涂層優(yōu)于鑲鑄式灰鑄鐵氣缸套。有關(guān)這個(gè)主題的眾多公開(kāi)出版物表明[2]，在一定條件下Sprayfit氣缸套在摩擦和磨損方面的數(shù)值有所改善。當(dāng)然，對(duì)于燃燒室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)件的最佳配合間隙而言，始終要考慮到所有的部件，而所選擇的珩磨工藝、活塞環(huán)涂層、活塞環(huán)設(shè)計(jì)和活塞設(shè)計(jì)對(duì)此具有重大影響。

在腐蝕方面,與灰鑄鐵氣缸套或直接在鐵基上的缸孔內(nèi)壁涂層并無(wú)明顯的差異。根據(jù)要求也可以用熱噴涂工藝制成高耐腐蝕的FeCr涂層(Cr含量>13%)。

4 在摩托車上的使用經(jīng)驗(yàn)

在摩托車賽運(yùn)動(dòng)的使用中, Sprayfit氣缸套已顯示出比通常使用的NiSi碳化物(NiSi-Karbid=Nikasil)電鍍涂層具有更好的耐久性(使用壽命超過(guò)10次比賽)。這兩種目前所應(yīng)用的涂層類型在幾次比賽運(yùn)行(0.5 L單缸風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)，52 kW、8 500 r/min)后顯示出明顯差異(圖3)，NiSi碳化物電鍍涂層已顯示出明顯的磨損，即在垂直方向上拉出了溝槽，硬的SiC顆粒(深灰色)并沒(méi)有承受活塞環(huán)的機(jī)械負(fù)荷，而是被壓在軟的Ni點(diǎn)陣中，珩磨組織也被完全毀壞。而Sprayfit氣缸套均勻的硬鐵基工作表面經(jīng)過(guò)可相比的比賽運(yùn)行持續(xù)時(shí)間后并無(wú)磨損，珩磨組織也仍然存在。

即使在摩托車上，與直接在缸孔內(nèi)壁上的涂層相比，Sprayfit氣缸套也具有優(yōu)勢(shì)，有必要時(shí)可方便更換，成本也較低，而且無(wú)需重新進(jìn)行缸孔內(nèi)壁涂層。

5 在轎車發(fā)動(dòng)機(jī)上的試驗(yàn)

在Sprayfit技術(shù)成功地應(yīng)用于摩托車上后，在轎車發(fā)動(dòng)機(jī)上，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，與傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。Sprayfit氣缸套曾在1臺(tái)升功率超過(guò)63kW/L和爆發(fā)壓力大于18MPa的現(xiàn)代柴油機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)在4000r/min全負(fù)荷下運(yùn)行。這種量產(chǎn)機(jī)型原裝備嵌入式灰鑄鐵氣缸套，在上述試驗(yàn)條件下量產(chǎn)機(jī)型的機(jī)油耗為9～11g/h，而Sprayfit氣缸套的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果的機(jī)油耗為6～9g/h，處于略低的水平。發(fā)動(dòng)機(jī)所有其他性能數(shù)據(jù)表明2種氣缸套并無(wú)偏差。Sprayfit氣缸套與氣缸工作表面直接涂層的另1種對(duì)比證實(shí)，前者在潤(rùn)滑機(jī)油中的鐵殘留物份額要少得多，這表明Sprayfit氣缸套具有特別高的涂層品質(zhì)。

此外， 將Sprayfit氣缸套在1臺(tái)1.8L排量和175kW功率的汽油機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，證實(shí)并無(wú)出現(xiàn)任何異常情況。

6 與氣缸內(nèi)壁直接噴涂的比較

在轎車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁氣缸套工作表面內(nèi)部直接噴涂的情況下，采用同樣熱噴涂的方法，但因邊界條件的不同，氣缸內(nèi)壁直接噴涂是1種較復(fù)雜和較昂貴的制造工藝：(1)鋁氣缸套曲軸箱必須鑄造得無(wú)微孔，這對(duì)鑄造工藝提出了最高的要求[3-4]；(2)鑄造表面必須活化，即表面粗糙化，并緊接著清洗和干燥；(3)為了避免廢品率過(guò)高，在表面活化后氣缸工作表面的品質(zhì)必須進(jìn)行單獨(dú)檢驗(yàn)；(4)缸孔底端必須封閉，以防止帶入曲軸箱中無(wú)法控制的物質(zhì)；(5)在進(jìn)行氣缸內(nèi)壁噴涂時(shí)，噴涂器具必須伸入到缸孔中，并要在其中旋轉(zhuǎn)，當(dāng)氣缸直徑小于70mm時(shí)，實(shí)際無(wú)法操作，這就限制了這種場(chǎng)合的應(yīng)用，特別是小排量發(fā)動(dòng)機(jī)；(6)當(dāng)氣缸內(nèi)壁噴涂過(guò)程中發(fā)生差錯(cuò)時(shí)，整個(gè)氣缸套曲軸箱將會(huì)報(bào)廢，Sprayfit氣缸套的品質(zhì)要按制造工藝過(guò)程進(jìn)行檢驗(yàn)，工藝過(guò)程中產(chǎn)生的廢品應(yīng)立即挑選出來(lái)，然后仍可將這些氣缸套曲軸箱再嵌入灰鑄鐵氣缸套用于量產(chǎn)。

由于Sprayfit氣缸套的生產(chǎn)方法是從外面噴涂在1個(gè)回轉(zhuǎn)的圓柱形載體上,因而存在產(chǎn)生最佳涂層結(jié)合的自由度，即獲得高的過(guò)程動(dòng)力學(xué)和抽走飛濺顆粒的可能性，這也在與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中常用的氣缸內(nèi)壁涂層進(jìn)行直接比較中顯示出來(lái)。因高的過(guò)程動(dòng)力學(xué)，能夠獲得非常緊密和良好壓緊結(jié)合，因此Sprayfit氣缸套的結(jié)合甚至在極端負(fù)荷下都無(wú)法使其分離(圖4)，而在窄小缸孔中的內(nèi)壁涂層卻表現(xiàn)得差得多，但是其結(jié)合牢度用于當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)仍然是足夠的。

除了缸孔外面形成的噴涂層的品質(zhì)一般，Sprayfit氣缸套制造方法還為優(yōu)化工作表面提供了許多其他自由度，因此未來(lái)這種功能性還能通過(guò)摻入硬質(zhì)材料進(jìn)一步優(yōu)化，也能通過(guò)使用高鉻含量材料形成抗腐蝕的氣缸工作表面。

7 結(jié)語(yǔ)

氣缸套能夠采用熱噴涂方法制造，能將氣缸內(nèi)壁涂層的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)與嵌入式氣缸套的經(jīng)濟(jì)性和耐久可靠性結(jié)合起來(lái)，Sprayfit氣缸套將缸孔涂層從氣缸體曲軸箱中移出來(lái)，并轉(zhuǎn)變成1個(gè)氣缸套，它在氣缸體的設(shè)計(jì)參數(shù)、涂層工藝和材料選擇等方面具有很大的自由度?？傊?，Sprayfit技術(shù)提供了1種創(chuàng)新的經(jīng)濟(jì)和可靠的解決方案，滿足了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輕型結(jié)構(gòu)和熱管理方面的重要要求。

[1] Bobzin K. Thermal spraying of cylinder bores with the plasma transferred wire arc process[J]. Surface and Coatings Technology,202(18),2008:4438-4443.

[2] Schommers J, u.a. Reibungsminimierung bei verbrennungs-motoren[J]. MTZ, 2013,74 (7-8):566-573.

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范明強(qiáng) 譯自 MTZ，2015，76(4)

何丹妮 編輯

2015-06-10)