缸孔噴涂技術(shù)應(yīng)用分析

金則兵 李文軍 張貴強(qiáng) 王志高 閆大宇 陳 廣

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

隨著日益嚴(yán)格的油耗、排放法規(guī)開(kāi)始實(shí)施，活塞環(huán)組和缸套的減摩技術(shù)備受關(guān)注，缸孔噴涂技術(shù)便是其中之一。缸孔噴涂技術(shù)是一種熱噴涂技術(shù)，屬于一種表面強(qiáng)化技術(shù)，是利用熱源將噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，并以一定速度噴射沉積到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基體表面形成涂層的方法（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18719-2002 熱噴涂術(shù)語(yǔ)分類(lèi)）。

按照熱源不同，可分為等離子噴涂、火焰噴涂、電弧噴涂等，熱源溫度和粒子速度是有差別的，其中缸孔常用的是等離子噴涂PTWA（Plasma Transferred Wire Arc）、APS（Air Plasma）、電弧噴涂TWA、TWA（Thermal Wire Arc）。等離子噴涂溫度達(dá)10 000 ℃以上，噴涂材料選擇靈活性高，電弧噴涂溫度一般不超過(guò)6 000 ℃，能耗低。目前這3 種技術(shù)都有成熟的設(shè)備供應(yīng)商，市場(chǎng)上都有成熟應(yīng)用。

缸孔噴涂在現(xiàn)有缸體缸孔表面噴涂一層金屬材質(zhì)，目前主要是鐵的化合物，碳含量從0.1%～0.8%不等，通過(guò)合金或氧化物Mn、Cr、Mo、Ni、Al2O3、ZrO2、TiO2的不同組成，可分為耐磨型，減摩型，耐蝕型，表面硬度HV0.3 達(dá)到350～800，表面氣縮孔率1%～10%，氣縮孔大小、深度等均可通過(guò)工藝調(diào)節(jié)，涂層厚度可根據(jù)需求，新出廠乘用車(chē)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)一般0.1～0.3 mm 厚。噴涂前，為提高材料附著率，在缸孔內(nèi)表面毛化處理；噴涂后，為給缸孔內(nèi)表面的氣縮孔及時(shí)提供潤(rùn)滑油以及方便形成油膜，通過(guò)珩磨工藝，形成交叉網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)。

缸孔噴涂技術(shù)日益得到重視，主要有幾點(diǎn)：一是提高產(chǎn)品價(jià)值，具有減摩、耐磨、耐蝕、減重的優(yōu)點(diǎn)，能滿(mǎn)足當(dāng)前節(jié)能減排，輕量化、強(qiáng)化的趨勢(shì)需求；二是適應(yīng)性強(qiáng)，該技術(shù)不需改變缸孔直徑，活塞、活塞環(huán)、缸墊等零件幾何尺寸不需調(diào)整，平臺(tái)增加變型機(jī)，售后維修，混合動(dòng)力等均可使用，比如大眾EA211 1.5l TSI evo 低功率版和高功率版，兩者排量、缸徑、沖程都是1.498 L、74.5 mm、85.9 mm，功率分別是96 kW、110 kW，轉(zhuǎn)矩分別是200 N·m、250 N·m，后者相比前者發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化。前者是傳統(tǒng)的鋁合金鑲嵌鑄鐵缸套，后者采用鋁合金本體缸孔噴涂以及水套斜水孔來(lái)降低強(qiáng)化后的爆燃、高溫等風(fēng)險(xiǎn)；缸孔噴涂可適用于再制造，過(guò)去缸孔磨損一般采用擴(kuò)缸技術(shù)來(lái)恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)偏離了精確調(diào)教的出廠運(yùn)行特性，利用缸孔噴涂技術(shù)則不存在這個(gè)問(wèn)題。另外，缸孔噴涂由于獨(dú)特的表面結(jié)構(gòu)，不僅減少缸孔與活塞、活塞環(huán)組的摩擦損失，減少機(jī)油耗，也具有其它技術(shù)難以比擬的同時(shí)兼具節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)。

缸孔噴涂在國(guó)外是非常成熟的技術(shù)，在中國(guó)乘用車(chē)市場(chǎng)尚處于起步階段，考慮到缸孔噴涂廣闊的應(yīng)用前景，本文基于一款三缸機(jī)預(yù)研項(xiàng)目對(duì)缸孔噴涂開(kāi)展了應(yīng)用研究，對(duì)缸孔噴涂表面測(cè)繪結(jié)果，應(yīng)用matlab 軟件將測(cè)繪圖數(shù)值化，并在UG 三維軟件中建立數(shù)模，提取表面結(jié)構(gòu)后進(jìn)行了各項(xiàng)參數(shù)分析，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，為后續(xù)缸孔噴涂應(yīng)用提供參考。

1 缸孔噴涂選型

本文選用排量1.5 L 的某三缸機(jī)來(lái)進(jìn)行缸孔噴涂預(yù)研。該三缸機(jī)采用傳統(tǒng)的鑲嵌鑄鐵缸套[1]、低張力活塞環(huán)、活塞減摩涂層、低粘度潤(rùn)滑油等技術(shù)，熱效率并不低。目前市場(chǎng)上主要有3 種缸孔噴涂工藝[2]，分別為APS 大氣等離子噴涂、PTWA 等離子電弧噴涂、TWA 雙絲電弧噴涂。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)：APS是粉末噴涂，材料靈活性高，涂層顆粒均勻性更好，但成本更高；PTWA 是絲線噴涂，正極為耗材，負(fù)極為專(zhuān)用電極，能耗高，需要開(kāi)發(fā)降能耗的新工藝；TWA 也是絲線噴涂，正極、負(fù)極均為耗材，量產(chǎn)工藝穩(wěn)定性高，加工工藝性好，能耗低，但需要定制材料，需開(kāi)發(fā)新材料，如圖1 所示。

圖1 不同噴涂工藝說(shuō)明

噴涂工藝選型中，本次研究的三缸機(jī)噴涂產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)合比較單一，所以對(duì)材料靈活性要求不高，考慮到APS 材料成本高，所以本次噴涂不包含APS。而缸體供應(yīng)商要面對(duì)各種不同產(chǎn)品需求，每種產(chǎn)品量不大，選材需要靈活，成本并不敏感，此時(shí)APS 為首選。

在三缸機(jī)上針對(duì)PTWA 和TWA 都做了預(yù)研，考慮到PTWA 是與其它技術(shù)一起做的試驗(yàn)，所以本文不作評(píng)論，僅對(duì)TWA 的試驗(yàn)結(jié)果加以分析說(shuō)明。

2 缸孔噴涂策劃

考慮到預(yù)研目的是確定噴涂技術(shù)是否有收益以及查看風(fēng)險(xiǎn)，為后續(xù)噴涂應(yīng)用決策提供參考。進(jìn)行了噴涂風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別分析，找到關(guān)鍵影響因子：涂層厚度、硬度、氣縮孔率、活塞環(huán)涂層、缸孔變形量，如表1所示。

表1 噴涂風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

缸孔加工時(shí)，是否一定需要帶模擬缸蓋？借助仿真分析得出：不帶模擬的工藝缸蓋，缸孔的二階變形量超出要求19 μm；帶模擬的工藝缸蓋，二階變形量超出要求10 μm，缸孔變形有改善，如圖2 所示。考慮到項(xiàng)目投資、周期原因，缸孔變形量控制放入后續(xù)試驗(yàn)計(jì)劃。

圖2 缸孔變形量仿真分析（運(yùn)行工況）

噴涂設(shè)備供應(yīng)商提供了2 種噴涂參數(shù)，Type A和Type B，主機(jī)廠提供了2 種涂層活塞環(huán)，PVD 和DLC，需完成摩擦功單體測(cè)試和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試，結(jié)果與基礎(chǔ)機(jī)型對(duì)比。結(jié)合之前供應(yīng)商建議以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，制定試驗(yàn)計(jì)劃，如表2、3 所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

表3 摩擦功能試驗(yàn)

3 缸孔噴涂生產(chǎn)

除缸孔模具外，預(yù)研缸體毛坯與傳統(tǒng)缸體來(lái)自于同一臺(tái)壓鑄設(shè)備。預(yù)研缸體毛坯為全鋁合金，沒(méi)有內(nèi)嵌缸套。缸體組件、整機(jī)的生產(chǎn)、裝配均來(lái)自于同一條生產(chǎn)線。缸體組件加工時(shí)，有2 種方式：一是缸孔噴涂前，曲軸孔留20 μm 余量，噴涂后，缸孔、曲軸孔加工到位；另一是缸孔噴涂前，曲軸孔加工到位。前一種方式，缸孔、曲軸孔精度更能滿(mǎn)足要求，后一種方式，可減少轉(zhuǎn)場(chǎng)次數(shù)，但對(duì)中間加工、清洗、檢測(cè)、包裝、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)管控要求高。本次預(yù)研，采用前一種方式。

三缸機(jī)缸孔噴涂順序，有六種組合，其中，1-2-3與3-2-1 影響類(lèi)似，1-3-2 與3-1-2 影響類(lèi)似，最終做了四組3-1-2，3-2-1，2-3-1，2-1-3 測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果顯示：缸孔噴涂對(duì)主軸孔直徑影響達(dá)0.048 mm，位置偏移量達(dá)到0.031 mm，其中3-1-2 最小，2-1-3 最大，如表4 所示。

表4 噴涂順序?qū)Ω左w主軸孔變形影響 mm

測(cè)試結(jié)果顯示：缸孔噴涂方式對(duì)缸筒直徑有影響，2-1-3 缸筒壁變形最大，達(dá)到0.111 mm，2-3-1最小，達(dá)到0.090 mm。值得一提的是，3-1-2 缸筒壁變形次最大，達(dá)到0.109 mm，如表5 所示。本次選用的三缸機(jī)缸體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為1 缸的缸筒向周?chē)鷮?dǎo)熱能力比3 缸弱，即建議噴涂順序需要盡可能增加2 缸與1 缸噴涂間隔時(shí)間，減少2 缸變形量。

表5 噴涂順序?qū)Ω左w缸筒變形影響 mm

測(cè)試結(jié)果顯示：缸孔噴涂方式對(duì)缸孔壁面有影響，角度傾斜2-1-3 缸孔壁變形最大，角度傾斜達(dá)到0.1°，其中3-2-1 最小，達(dá)到0.055°。2-1-3 缸孔直徑變形最大，最大0.078 mm，其中3-1-2 缸孔直徑變形最穩(wěn)定，最大0.062 mm，如表6 所示。

表6 噴涂順序?qū)Ω卓妆诿孀冃斡绊?mm

缸筒壁測(cè)試凸臺(tái)F1～F10 如圖3 所示。

圖3 缸筒壁測(cè)試凸臺(tái)F1～F10 示意圖

整理表5、表6 得到表7，結(jié)果顯示：缸孔噴涂對(duì)缸體組件下底面、頂面，缸筒壁影響，2-1-3 綜合影響最大，其中缸筒壁面變形達(dá)到0.111 mm，2-3-1 綜合影響最小，其中缸筒壁面變形也達(dá)到0.090 mm。

表7 噴涂順序?qū)Ω左w缸筒變形影響 mm

綜合上述測(cè)試結(jié)果，缸體缸孔噴涂順序3-1-2影響最大，2-3-1 綜合影響最小。最終確定下來(lái)噴涂順序?yàn)?-3-1，且曲軸孔的精鏜、珩磨放在缸體珩磨后。缸孔的加工工序及缸孔直徑為：毛坯D-3.015，預(yù)加工后D+0.005，毛化后D+0.225，噴涂后D-0.915，精鏜后D-0.075，珩磨后D。在缸孔噴涂前曲軸孔的直徑加工余量1 mm。

在噴涂實(shí)施過(guò)程中，每個(gè)缸孔節(jié)拍為33 s。

4 噴涂缸孔質(zhì)量檢測(cè)

按照噴涂設(shè)備供應(yīng)商提供的缸孔噴涂參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，并重點(diǎn)關(guān)注噴涂缸孔的表面參數(shù)，如氣縮孔率、氣縮孔分布、硬度、表面參數(shù)（Rpk/Rvk/Rk/Mr1/Mr2/Hatch DIN EN ISO4287）、表面參數(shù)（Sa/Sk/Spk/Svk DIN EN ISO 25178）缸孔直徑、缸孔圓度、缸孔圓柱度、缸孔位置度。

表8 顯示噴涂鏡面珩磨Rpk/Rk 要小，Rvk 可以大，即更光滑。珩磨網(wǎng)紋均可以通過(guò)該方法實(shí)施。

表8 各種珩磨網(wǎng)紋參數(shù)對(duì)比（符號(hào)定義參考ISO 13565（DIN 4776））

噴涂缸孔測(cè)試結(jié)果如表9 所示。結(jié)果顯示：2 種工藝A 和B 的表面光潔度差別不大，但B 工藝孔數(shù)量多，氣縮孔率要高。每個(gè)缸孔測(cè)試12 個(gè)位置（3 個(gè)深度，每個(gè)深度4 點(diǎn)周向均布），每個(gè)位置測(cè)試區(qū)域尺寸5×5 mm2。經(jīng)測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)符合要求。

表9 噴涂缸孔測(cè)試結(jié)果（符號(hào)定義參考DIN EN ISO 25178）

5 噴涂缸孔試驗(yàn)測(cè)試

5.1 單體測(cè)試[2]（委托德國(guó)輝門(mén)進(jìn)行測(cè)試）

將DLC、PVD 的摩擦系數(shù)作參考基礎(chǔ)，設(shè)為100，其余為與之對(duì)比的結(jié)果。結(jié)果顯示：DLC 比PVD的摩擦系數(shù)要低，DLC+TWA-B 比DLC+TWA-A的摩擦系數(shù)要低，如表10 所示。

表10 環(huán)-套摩擦系數(shù)（單體測(cè)試）

PVD 比DLC 磨損要小，PVD+TWA-B 比PVD+TWA-A 的磨損要小，如表11 所示。

表11 環(huán)-套的磨損（單體測(cè)試）

DLC 比PVD 的摩擦系數(shù)要低，但PVD 比DLC磨損要小，估計(jì)DLC 與潤(rùn)滑油中微量元素反應(yīng)有關(guān)。

5.2 臺(tái)架測(cè)試

通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)摩擦功與曲軸摩擦功之差獲得活塞環(huán)組的摩擦功，可以借此來(lái)評(píng)估不同缸孔、活塞環(huán)的減摩效果。

油溫、水溫均為40 ℃，采用DLC 活塞環(huán)，噴涂A、噴涂B 比鑲嵌缸套C 總體有減摩效果，平均為1%～2%，部分轉(zhuǎn)速工況噴涂的摩擦力矩要高于鑲嵌缸套的摩擦力矩，高出約3%。油溫、水溫為90 ℃，采用DLC 活塞環(huán)，噴涂B 比鑲嵌缸套C 總體有減摩效果，平均約1%，部分轉(zhuǎn)速工況噴涂的摩擦力矩要高于鑲嵌缸套的摩擦力矩，高出約3%。噴涂A 比鑲嵌缸套C 總體增大摩擦，高出約3.2%，部分轉(zhuǎn)速達(dá)到約9.2%，如圖4 所示。

圖4 各缸體+DLC 摩擦功對(duì)比

油溫、水溫均為40 ℃，采用PVD 活塞環(huán)，噴涂A、噴涂B 比鑲嵌缸套C 總體有減摩效果，平均4.4%～5%。油溫、水溫均為90 ℃，采用PVD 活塞環(huán)，噴涂A、噴涂B 比鑲嵌缸套C 總體有減摩效果，平均約1.4%～4.7%，2 500 r/min 轉(zhuǎn)速工況噴涂的摩擦力矩要高于鑲嵌缸套的摩擦力矩，噴涂A 高出約0.6%～2.2%，噴涂B 高出約3.3%～9%，如圖5 所示。

圖5 各缸體+PVD 摩擦功對(duì)比

綜合圖4、圖5，總體來(lái)說(shuō)，噴涂B 要優(yōu)于噴涂A。選用噴涂B 進(jìn)行PVD 和DLC 對(duì)比，如圖6 所示。由圖可見(jiàn)油溫、水溫均為40 ℃，噴涂B，1 500 r/min 以下工況，PVD 比DLC 總體有減摩效果，可達(dá)11.4%；1 500 r/min 以上工況，DLC 比PVD 總體有減摩效果，可達(dá)3.8%。油溫、水溫均為90 ℃，噴涂B，PVD 比DLC 總體有減摩效果，平均為6.6%。

圖6 噴涂B 缸體+PVD/DLC 摩擦功對(duì)比

由于臺(tái)架資源有限的原因，更高油溫的試驗(yàn)未開(kāi)展。

6 結(jié)論

1）噴涂缸體比傳統(tǒng)缸體具有節(jié)能優(yōu)勢(shì)。本次采用具有PVD 活塞環(huán)、低粘度潤(rùn)滑油、平臺(tái)珩磨缸孔等先進(jìn)技術(shù)的環(huán)-套摩擦副作為對(duì)標(biāo)基礎(chǔ)，通過(guò)摩擦功試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得噴涂技術(shù)對(duì)環(huán)-套摩擦副的減摩平均可達(dá)3.3%以上。

2）噴涂缸體選型分析。涂層參數(shù)要嚴(yán)格控制，孔隙率相同的噴涂B、噴涂A，但孔數(shù)、孔大小不一樣，減摩效果差別達(dá)到2%以上。

3）噴涂缸體的技術(shù)特點(diǎn)。工作狀態(tài)下，噴涂缸孔比鑲嵌缸套缸孔變形大。需通過(guò)缸筒加強(qiáng)筋、閉式水套等結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)減少變形，或通過(guò)形狀珩磨加工補(bǔ)償方式來(lái)減少變形。

噴涂缸體比鑲嵌鑄鐵的傳統(tǒng)缸體對(duì)缸墊密封要求高。同樣的缸墊密封線壓力，噴涂缸體下沉量更大，需要缸墊具有更高的變形補(bǔ)償能力，比如增加缸墊的層數(shù)。

噴涂缸體的缸蓋螺栓沉孔深度應(yīng)結(jié)合缸孔變形、缸墊密封、水套深度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4）缸體噴涂的材料可根據(jù)需求進(jìn)行選擇。適用于對(duì)耐腐蝕、耐磨損、減摩、機(jī)油消耗量需嚴(yán)格控制等場(chǎng)合，比如頻繁啟?；蜷L(zhǎng)時(shí)停機(jī)的混合動(dòng)力車(chē)、重油動(dòng)力車(chē)等需求，也適用于同平臺(tái)下強(qiáng)化動(dòng)力的需求。