柴油機活塞裙石墨鍍層工藝改進及檢測方法驗證

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(tài)工作時，有效隔離活塞與缸套內(nèi)壁之間的摩擦，因此需對活塞裙石墨噴涂工藝及檢測技術(shù)進行深入研究。國外方面，法國Piestick公司設(shè)計的PA/PC型柴油機在其技術(shù)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(tǒng)工藝。國內(nèi)方面，主要有常州中車汽車零部件有限公司、山東濱州渤?；钊煞萦邢薰镜壬a(chǎn)廠家。石墨噴涂工藝區(qū)別之處[1]，主要在于對活塞進行預(yù)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(jié)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(yù)處理的前提下，基于現(xiàn)狀對石墨噴涂工藝做一些改進，以保障產(chǎn)品的質(zhì)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(tài)下的磨合性能，部分活塞在設(shè)計時要求對活塞裙部外圓進行“磷化”(預(yù)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(huán)、測等多方面影響，為保證工藝穩(wěn)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(zhì)量要求，研究制定石墨噴涂技術(shù)條件，規(guī)定涂層外觀、涂層厚度、涂層結(jié)合強度等要求，通過對比試驗，得出更有效的驗收規(guī)則。

2 石墨噴涂工藝

2.1 石墨噴涂工藝已存在的問題

技術(shù)文件《組合活塞(嵌入式鋼頂、鋁裙)》(SP 0193-03，1994年7月發(fā)布)要求石墨噴涂工藝如下： 在活塞裙外側(cè)表面上使用Graphoil公司生產(chǎn)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(yīng)在105～200 ℃烘30 min，或在200～300 ℃烘15 min，或按供貨商技術(shù)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(yù)熱的要求，而是直接進行石墨噴涂，在常溫下噴涂會產(chǎn)生石墨液流掛現(xiàn)象。

2.2 解決方案

根據(jù)現(xiàn)實情況對石墨噴涂工藝做一些改進，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，滿足客戶需求。

(1) 石墨粉型號問題。目前，在活塞生產(chǎn)領(lǐng)域，用于鋁裙表面噴涂的主流石墨粉是Dow Corning公司的D10，根據(jù)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(chǎn)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(fā)生石墨液流掛現(xiàn)象，表面不均勻，嚴重影響外觀和質(zhì)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(dǎo)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(xiàn)象。

圖2 常溫下的鋁裙進行石墨噴涂時發(fā)生的流掛現(xiàn)象

結(jié)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(yù)熱。改進后，石墨噴涂無流掛現(xiàn)象，活塞裙表面均勻一致，效果如圖3所示。

圖3 預(yù)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(guān)技術(shù)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?；钊M行預(yù)熱前需進行表面狀態(tài)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(yù)熱工序。

(2) 預(yù)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(guān)閉烘箱門。工件在烘箱預(yù)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(guān)閉隔熱門，在搬運過程中不得污染噴涂區(qū)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(zhuǎn)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(yīng)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(xiàn)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(nèi)。手動調(diào)整噴槍至活塞距離，調(diào)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(huán)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(jié)束后，將其放置于已噴區(qū)，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(guī)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(xué)沉積層附著強度試驗方法評述》的規(guī)定，采用剝離試驗對石墨層結(jié)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(guī)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(jié)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(zhì)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(xiàn)象，則表明結(jié)合強度合格(見圖8)；反之，則說明石墨鍍層結(jié)合強度不合格(見圖9)。

(3) 兩側(cè)長軸都需進行檢測。

圖8 石墨鍍層結(jié)合強度合格產(chǎn)品

圖9 石墨鍍層結(jié)合強度不合格產(chǎn)品

3.3 檢測方法有效性驗證

在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，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(jīng)現(xiàn)場試驗，發(fā)生某些活塞裙石墨鍍層脫落的現(xiàn)象。假設(shè)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(jīng)30 h跑合后拆檢兩缸，發(fā)現(xiàn)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(cè)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(fā)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(tài)如表1所示。

表1 活塞裙狀態(tài)

按照剝離試驗方法對表1中5只活塞裙兩側(cè)石墨結(jié)合強度進行檢測，結(jié)果如下：

(1) 活塞裙A?；钊笰兩側(cè)均有嚴重的石墨層剝落情況。在剝落區(qū)域附近且未發(fā)生剝落的區(qū)域，使用膠帶法檢測發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)均出現(xiàn)明顯石墨脫落現(xiàn)象，如圖10所示。

圖10 活塞裙A石墨層結(jié)合強度檢測

(2) 活塞裙B?；钊笲一邊嚴重脫落、一邊輕微脫落，在剝落區(qū)域附近且未發(fā)生剝落的區(qū)域，使用膠帶法檢測發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)均出現(xiàn)石墨脫落現(xiàn)象，一側(cè)呈片狀脫落，一側(cè)呈線條狀脫落，如圖11所示。

圖11 活塞裙B石墨層結(jié)合強度檢測

(3) 活塞裙C?；钊笴一邊嚴重脫落、一邊未脫落，在剝落區(qū)域附近且未發(fā)生剝落的區(qū)域，使用膠帶法檢測發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)均出現(xiàn)石墨脫落現(xiàn)象，一側(cè)呈片狀脫落，一側(cè)呈點狀脫落，如圖12所示。

圖12 活塞裙C石墨層結(jié)合強度檢測

(4) 活塞裙 D?；钊笵在使用過程中未發(fā)生脫落。在未發(fā)生剝落的區(qū)域，使用膠帶法檢測發(fā)現(xiàn)，也出現(xiàn)石墨脫落現(xiàn)象，呈點狀脫落，如圖13所示。

圖13 活塞裙D石墨層結(jié)合強度檢測

(5) 活塞裙 E。活塞裙E在使用過程中未發(fā)生脫落。在未發(fā)生剝落的區(qū)域，使用膠帶法檢測發(fā)現(xiàn)，也出現(xiàn)石墨脫落現(xiàn)象，呈點狀脫落，如圖14所示。

圖14 活塞裙E石墨層結(jié)合強度檢測

從以上試驗可得出結(jié)論如下：

(1) 在活塞裝機使用過程中，石墨層剝離越嚴重的，膠帶法檢測脫落狀態(tài)也越嚴重。

(2) 在活塞裝機使用中未發(fā)生石墨層剝離的，使用膠帶法也發(fā)現(xiàn)了點狀剝離，說明膠帶法檢測對結(jié)合性能要求更為嚴格，膠帶法檢測合格的活塞裙均能滿足使用要求。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，之前進行的膠帶法檢測，未能按照規(guī)范中“將涂層表面使用酒精擦拭干凈，不得有油污、雜質(zhì)等”進行，導(dǎo)致檢測失敗。

3.3.2 驗證試驗二

在此試驗中，采用改進后噴涂工藝新造的1只活塞裙使用膠帶法檢測合格后的活塞裙，再使用破壞性試驗——劃格法(即先用百格刀劃格，再用膠帶檢測劃格區(qū)域是否剝落)進行檢測，如圖15所示，也未發(fā)現(xiàn)剝落現(xiàn)象。同時，經(jīng)改進噴涂工藝生產(chǎn)后的活塞裙，在后續(xù)試驗中均未發(fā)生石墨鍍層剝落問題，驗證了膠帶法的可靠性。

圖15 劃格法檢驗

4 結(jié) 論

(1) 采用改進后石墨鍍層噴涂工藝的活塞裙，表面石墨鍍層均勻，在使用過程中無剝落、脫落現(xiàn)象。

(2) 膠帶法檢測對結(jié)合性能要求更為嚴格，膠帶法檢測合格的活塞裙均能滿足使用要求，因此膠帶法作為活塞裙石墨層結(jié)合性能檢測方法有效。

(3) 膠帶法檢測對活塞裙原石墨層的結(jié)合強度影響較小，不會產(chǎn)生負面作用。