汽油機(jī)鋁合金缸孔等離子噴涂摩擦學(xué)性能研究

戴基卉 姜 鈺 尹 琪

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司, 上海 201804)

0 前言

隨著國(guó)家對(duì)汽車尾氣排放要求日益嚴(yán)苛，各發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始將輕量化技術(shù)和減摩擦技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)上，以達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放，提高燃油經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)[1]。

目前，主流汽油機(jī)缸體內(nèi)孔一般采用鋁合金基體鑲嵌鑄鐵缸套。該方法成本較低，但其缺點(diǎn)是缸體散熱不良，易變形，且耐腐蝕性較差[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外企業(yè)開(kāi)始在發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金缸體內(nèi)孔表面采用熱噴涂方法，制備1層厚度約為150 μm的鐵基涂層，改進(jìn)傳統(tǒng)的鑄鐵缸套制造工藝。該方法有效降低了缸體質(zhì)量，以及發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失，同時(shí)也有效降低了燃油消耗及機(jī)油消耗，提高了缸孔的耐久性[3]。

大氣等離子噴涂(APS)是一種以等離子弧為熱源，以噴涂材料為粉末的熱噴涂方法[4]。圖1示出了APS方法的原理示意圖。APS方法的原理是噴槍噴嘴(陽(yáng)極)與電極(陰極)相互作用產(chǎn)生電弧，加熱工作氣體發(fā)生電離，從而產(chǎn)生等離子弧。此時(shí)，受熱的工作氣體急劇熱膨脹，通過(guò)噴嘴形成高速等離子射流噴出，成為送粉氣體。等離子射流的速度約為1 000～2 000 m/s，在出口形成的溫度高達(dá)15 000～20 000 ℃。送粉氣體通過(guò)噴嘴將粉末送入等離子射流中。金屬粉末被加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并被等離子射流加速，噴射到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基體表面形成涂層[5]。

圖1 APS方法原理示意圖

本文通過(guò)制備APS缸孔，將缸孔部位進(jìn)行切片，進(jìn)行了涂層的機(jī)械性能測(cè)試及摩擦磨損試驗(yàn)，分析了缸孔APS涂層對(duì)汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和耐久性的影響。

1 APS缸孔涂層的制備

以上汽集團(tuán)某汽油機(jī)缸體為研究對(duì)象。在該款汽油機(jī)缸體的鑄造過(guò)程中，去除鑄鐵缸套，并以鋁合金填充。采用歐瑞康美科(Oerlikon Metco)公司SUMEBore孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)等離子噴涂工藝，對(duì)缸孔涂層進(jìn)行制備。APS缸孔加工工藝流程為：預(yù)機(jī)加工—缸孔機(jī)械粗化—清洗—等離子噴涂—粗珩—鏡面級(jí)珩磨。選擇的噴涂材料為Oerlikon Metco公司的XPT 512粉末[6]，其成分見(jiàn)表1。從粉末的配方來(lái)看，該粉末為鐵基合金粉末，成本相對(duì)較低，產(chǎn)生的涂層具有較好的加工性，適合大規(guī)模量產(chǎn)。

表1 Oerlikon Metco公司的XPT 512粉末化學(xué)成分表

2 缸孔APS涂層的性能測(cè)試

2.1 涂層的微觀形貌

將帶有APS涂層的缸孔部分進(jìn)行切片，并采用掃描電子顯微鏡(SEM)掃描電鏡在背散射信號(hào)下逐級(jí)放大觀察涂層截面形貌(圖2)。由圖2可見(jiàn)，涂層中分布有黑色的孔隙、灰色的氧化物，以及未熔的粉末顆粒。

圖2 SEM掃描的APS涂層截面組織形貌

在噴涂過(guò)程中，由于焰流溫度很高，粉末顆粒在飛行時(shí)會(huì)發(fā)生氧化，生成氧化物。涂層中的氧化物含量及其狀態(tài)極大地影響了涂層的性能。氧化物在涂層中起到強(qiáng)化作用，可以提高涂層的耐磨性。

2.2 孔隙率及氧化物含量

經(jīng)過(guò)測(cè)試，測(cè)得涂層的孔隙率為2%～4%，氧化物含量為10%左右(圖3)。

圖3 SEM掃描APS涂層截面

通常采用珩磨的制造工藝對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)孔進(jìn)行加工。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，活塞組件往復(fù)運(yùn)動(dòng)，缸孔內(nèi)壁會(huì)產(chǎn)生交叉的網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)依靠該網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)來(lái)儲(chǔ)油和布油。缸孔內(nèi)壁珩磨網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)的過(guò)程復(fù)雜耗時(shí)，且網(wǎng)紋參數(shù)的設(shè)計(jì)與發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦性能強(qiáng)相關(guān)。因此，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生相反效果。等離子噴涂制備涂層為多孔結(jié)構(gòu)，具有2%～4%的孔隙，孔隙可儲(chǔ)存潤(rùn)滑油。此外，涂層的多孔結(jié)構(gòu)可使整個(gè)涂層實(shí)現(xiàn)均勻分布。涂層不會(huì)隨著磨損而消失，可使發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)生命周期中保持良好的潤(rùn)滑狀態(tài)。

2.3 顯微硬度

在同一試樣的涂層橫截面方向上選擇5個(gè)不同的點(diǎn)位進(jìn)行硬度測(cè)試(圖4)。采用維氏硬度機(jī)，分別在這5個(gè)點(diǎn)位上加載了5 N的載荷力，得到涂層的維氏硬度(HV0.5)表現(xiàn)(表2)。經(jīng)測(cè)試，該APS涂層的維氏硬度(HV0.5)平均值為335。與表面硬度在220 HB(布氏硬度)左右的鑄鐵缸套相比，APS涂層的缸套硬度較高，可以提高缸體的耐磨性和耐久性。

表2 APS涂層的顯微硬度(維氏硬度)測(cè)試結(jié)果

圖4 APS涂層的維氏硬度(HV0.5)測(cè)試

2.4 表面粗糙度

在缸孔噴涂后，對(duì)缸孔內(nèi)壁進(jìn)行了珩磨。珩磨采用粗珩加鏡面級(jí)珩磨工藝。由于缸體內(nèi)孔壁面光滑度接近鏡面級(jí)別，其粗糙度非常低。采用德國(guó)Mahr公司的粗糙度儀進(jìn)行了檢測(cè)，其珩磨參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 APS缸孔珩磨參數(shù)

測(cè)試結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)鏡面級(jí)珩磨后，APS缸孔表面粗糙度明顯降低，接近于鏡面級(jí)別?；钊h(huán)與缸套的摩擦系數(shù)處于較低水平。

3 APS缸孔切片-活塞環(huán)切片摩擦副的摩擦學(xué)性能試驗(yàn)

本研究采用測(cè)定摩擦磨損性能的試驗(yàn)機(jī)(SRV試驗(yàn)機(jī))模擬活塞環(huán)-缸套往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。將活塞環(huán)和缸套剖切成片，并將鑄鐵缸套切片、APS涂層缸套切片分別與活塞環(huán)切片組成摩擦副，進(jìn)行摩擦性能試驗(yàn)。

3.1 干摩擦階梯加載試驗(yàn)

設(shè)定試驗(yàn)條件為：干摩擦，載荷起始為50 N，加載頻次為20 N/min，試驗(yàn)溫度為150 ℃， 頻率為30 Hz，行程為3 mm。當(dāng)摩擦系數(shù)顯著升高時(shí)，試驗(yàn)停止。圖5示出了APS缸孔切片-物理氣相沉積(PVD)活塞環(huán)切片及鑄鐵缸套切片-PVD活塞環(huán)切片在干摩擦階梯加載試驗(yàn)中的摩擦系數(shù)曲線。

圖5 干摩擦階梯加載試驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)曲線

在干摩擦條件下，鑄鐵缸套切片-PVD活塞環(huán)切片摩擦副在加載初始載荷后，經(jīng)過(guò)6 s的運(yùn)行時(shí)間，摩擦系數(shù)會(huì)急劇上升至1.200以上，停止試驗(yàn)。而APS缸孔切片-PVD活塞環(huán)切片摩擦副在加載初始載荷后，初始摩擦系數(shù)為0.300。隨著載荷增加，其摩擦系數(shù)不斷降低。當(dāng)APS缸孔切片-PVD活塞環(huán)切片摩擦副載荷加載至170 N，并運(yùn)行6 min后，其摩擦系數(shù)降至最低，為0.220。繼續(xù)增加載荷，其摩擦系數(shù)會(huì)持續(xù)緩慢增加。當(dāng)載荷加載至290 N，并運(yùn)行13 min后，其摩擦系數(shù)升高至0.500。此時(shí)，停止試驗(yàn)。

采用輪廓儀對(duì)試驗(yàn)后的樣件磨損情況進(jìn)行了檢測(cè)(圖6)。APS缸孔切片-PVD活塞環(huán)切片階梯加載試驗(yàn)在運(yùn)行13 min，載荷加載至290 N時(shí)，涂層幾乎無(wú)磨損，而鑄鐵缸套切片-PVD活塞環(huán)切片加載試驗(yàn)運(yùn)行6 s，載荷加載至50 N時(shí)，涂層磨損深度約為6.2 μm。

圖6 干摩擦階梯加載試驗(yàn)?zāi)p量分析

干摩擦階梯加載試驗(yàn)表明，APS缸孔切片-PVD活塞環(huán)切片摩擦副的摩擦系數(shù)較低，APS缸孔切片耐磨性優(yōu)異，抗拉缸性優(yōu)異。這是因?yàn)锳PS缸孔的涂層硬度高，且涂層內(nèi)含有氧化物、碳化物等增強(qiáng)相，提高了涂層的耐磨性。

3.2 在潤(rùn)滑條件下的往復(fù)摩擦試驗(yàn)

設(shè)定潤(rùn)滑條件下的往復(fù)摩擦試驗(yàn)條件：采用相同牌號(hào)、相同劑量潤(rùn)滑油(0W-20)，溫度175 ℃，載荷為100 N，摩擦頻率為300 Hz。圖7示出了APS缸孔切片-PVD活塞環(huán)切片及鑄鐵缸套切片-PVD活塞環(huán)在潤(rùn)滑條件下進(jìn)行往復(fù)摩擦試驗(yàn)的摩擦系數(shù)曲線圖。在相同條件下，APS缸孔切片-PVD活塞環(huán)切片經(jīng)過(guò)磨合后，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在較低水平，比鑄鐵缸套切片-PVD活塞環(huán)切片摩擦副的摩擦系數(shù)低。試驗(yàn)也表明，APS缸孔切片-PVD活塞環(huán)切片在磨合期間的摩擦系數(shù)較高，且需要較長(zhǎng)的磨合時(shí)間才具有較低的摩擦系數(shù)。這是因?yàn)锳PS涂層較硬，活塞環(huán)外圓面的PVD硬度也比較高，二者之間需要較長(zhǎng)時(shí)間的磨合。APS缸孔切片-PVD活塞環(huán)切片經(jīng)過(guò)磨合后，涂層表面粗糙度接近鏡面級(jí)別，涂層內(nèi)部和表面的孔隙儲(chǔ)存有潤(rùn)滑油。在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，APS涂層會(huì)產(chǎn)生流體動(dòng)壓效果，進(jìn)一步降低摩擦，具備優(yōu)異的摩擦學(xué)表現(xiàn)。

圖7 潤(rùn)滑條件下的往復(fù)摩擦試驗(yàn)

4 結(jié)論

在汽油機(jī)鋁合金缸體內(nèi)壁，采用APS方法制備涂層缸套，替代傳統(tǒng)鑄鐵缸套，顯著改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦學(xué)性能。APS涂層通常采用鐵基合金配方。該涂層硬度較高，耐磨性好，抗拉缸性能好。APS涂層采用鏡面級(jí)珩磨制造工藝，使表面粗糙度較低，可降低摩擦副的摩擦系數(shù)。此外，涂層內(nèi)含有一定孔隙率，能起到儲(chǔ)油潤(rùn)滑的作用。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，APS涂層增加了流體動(dòng)壓效果，進(jìn)一步改善了摩擦學(xué)性能[7]。汽油機(jī)缸體應(yīng)用APS噴涂技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)可減小缸套質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化目標(biāo)。

(2)涂層導(dǎo)熱性更好，能使缸體承受更高的極限溫度，使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率運(yùn)行區(qū)間更為寬廣。

(3)涂層厚度較薄，與鑄鐵缸套相比，APS涂層可以降低缸體鼻梁區(qū)厚度，使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更為緊湊。

(4)與傳統(tǒng)鑄鐵缸套相比，APS涂層硬度高，更耐磨，抗拉缸性能更優(yōu)，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性。

(5)具有APS涂層的發(fā)動(dòng)機(jī)的抗拉缸性能優(yōu)異，尤其適合發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起停的工況。

(6)涂層表面粗糙度低，接近鏡面級(jí)別，空隙率能達(dá)到4%左右，可降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失，降低燃油耗。

目前，由于設(shè)備成本高等原因，國(guó)內(nèi)主機(jī)廠還未大規(guī)模應(yīng)用APS涂層工藝。隨著該工藝的日益成熟和成本的降低，該項(xiàng)技術(shù)將在發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其在混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上得到更為廣泛的應(yīng)用。