汽缸套内壁的松孔镀铬技术表面工程课程设计.docx
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汽缸套内壁的松孔镀铬技术表面工程课程设计
1零件图
本次设计的气缸套材质为普通灰铸铁,采用砂型铸造,材料基体组织为珠光体。
见图1，图2，图3。
图1气缸套实物图图2汽缸套剖面图
图3汽缸套尺寸图
2服役条件分析
在内燃机中,气缸套是内燃机中的关键零件之一,其对发动机动力性、经济性和排放性能有重大的影响;同时气缸套是内燃机中工作环境最为恶劣的零件之一,它承受高温、高压的冲击和汽缸套的往复摩擦从而极大地影响着内燃机的可靠性。
气缸套的磨损可以分为下列3种情况:
（1）磨料磨损。
由干吸入的空气中混有尘埃,机油中有积炭、金属磨屑等外来坚硬杂质,形成磨料,磨料粒子在气缸镜面造成了平行于气缸轴线的拉痕,个别粗大的磨料也会留下粗大拉伤。
（2）腐蚀磨损。
燃烧过程中产生许多酸性物质,如果气缸上的润滑膜不足,就会对缸体腐蚀,形成腐蚀磨损。
（3）熔着磨损。
当气缸与活塞在润滑不良情况下滑动时,两者有极微小部分金属面直接接触,摩擦形成局部高热,使之熔融劲着、脱落,逐步扩大即产生熔着磨损。
如果油膜得以及时恢复起到清洗和冷却作用,则微小熔着部分脱落不会扩展,如果油膜恢复迟缓熔着扩展导致很大范围内发生异常造成熔着磨损,这是一种破坏性更大的磨损。
3性能要求
无论何种内燃机,对气缸套的基本要求都是相同的。
即:
抗磨损性、保油性、低摩擦因数、抗燃气腐蚀以及足够的机械强度。
缸套按材质可分为铸铁质和钢质2种。
前者通常是由含磷和含硼铸铁制造,其加工精度和成本较高,后者通常由无缝钢管或低碳钢板制造,其毛坯成型、机械加工、镀铬等工艺技术的难度较大，本次课程设计选用铸铁。
气缸套作为发动机的心脏部件,其性能的优劣对整台机车的大修周期起着举足轻重的作用。
目前提高气缸套使用寿命的途径大致有两种:
一是研究开发不同的耐磨材质;二是在原有的材质基础上进行不同的表面处理,提高材质的减磨性、耐磨性。
开发新材质是一个长期的过程,而采用表面处理工艺,提高气缸套的耐磨性是一种成本低、见效快的好方法。
4工艺选择
满足汽缸套的性能要求的表面加工技术有：
氮化处理
激光表面淬火技术
等离子处理技术
电镀铬技术
（1）氮化处理
在汽缸套的内壁上进行金属化学热处理，渗入氮元素，可以显著提高汽缸套的内表面硬度，使其耐磨性能显著提高，延长使用寿命。
（2）激光表面淬火技术
气缸套内表面经过激光硬化处理后,可显著提高硬度和耐磨性能,延长疲劳寿命,从而大大提高产品质量和经济效益。
我国在汽车缸套激光热处理方面已有较好的发展。
基体硬度在HV400左右的缸套,激光处理后显微硬度一般在HV600~700左右,耐磨性能大大增加,如石家庄机务段0204机车的0248号柴油机上激光淬火气缸套比非激光淬火气缸套的磨损量降低在30%~100%之间,可见效果显著。
利用激光设备的气缸套内壁硬化处理在国内应用较为广泛,
但激光淬火存在投资回收期过长,维修费用和气缸套成本高等缺点。
（3）等离子处理技术
等离子技术主要分为三类：
等离子淬火，等离子多元共渗，等离子喷涂
等离子淬火
等离子淬火不是淬硬整个内孔表面、而是通过程序控制,在气缸套表面形成连续的、不等间距螺旋线形的淬火轨迹硬化。
这样不仅能够提高气缸套的耐磨性,而且还能够克服正常的润滑油膜不能起保护作用。
由于采用了不等间距淬火,在上止点磨损最严重的部位采用较小的螺距,有利于提高整个缸套的寿命。
其缺点为:
经等离子表面硬化处理后的气缸套寿命提高幅度较小一般在60%~70%左右,这样就使它满足不了一些高度耐磨缸套的要求。
等离子多元共渗
气缸套用高能等离子束在常压下快速扫描涂敷合金渗剂的气缸套内表面,可实现多元共渗+自激冷淬火复合硬化,根据文献记载,获得的总硬化层深度大于150µm,硬化层显微硬度可达HV927。
优点:
生产过程稳定,成本低,效率高。
缺点:
耐磨性提高幅度大约只有26%。
等离子喷涂
气缸套喷涂钼合金可能是等离子喷涂在汽车工业的最大应用。
目前SULZERMETCO公司已研制了用于发动机气缸从清理、吹砂直至喷涂的一整套系统,涂层质量优良。
这一系统每天可喷涂十缸发动机缸套200件。
但由于喷钼后HV800~900左右,耐磨程度提高幅度不大。
当前,等离子喷涂金属陶瓷粉末而形成的陶瓷气缸套在国外已取得成功,并且已应用于生产,其耐磨性能提高幅度能达到原来的1~1.5倍。
用等离子喷涂新型金属陶瓷粉末后的气缸套耐磨度比原来提高120%以上。
（4）电镀铬技术
铬在常用金属中硬度最高，不断改进镀铬工艺的添加剂，HV值已提高到900以上，耐磨性较好；摩擦系数低，汽缸套磨损小；熔点高（1890℃），耐熔着磨损性好；镀铬件售价比镀锡减低10%左右，表面附着力强（适镀锡件的3～4倍），还具有良好的耐热性能、高抗硫性能和高抗碱性能。
镀铬层表面的润油性很差，尤其是承受高压、高速和高温等恶劣条件下工作的汽缸套，容易造成干摩擦的状态，因而汽缸套的使用寿命显著下降。
电镀铬技术在汽缸套上的应用比较成熟和广泛。
缸套镀铬常用的方法有三种:
松孔镀铬,硬质镀铬,英国Cromard专利镀铬。
硬质镀铬
缸套内孔表面涂以高尺寸精度的硬质铬层,厚度为0.05~0.08mm,以机械法使镀铬层表面形成凹凸不平状（微观）,以改善初期磨合性和抗拉伤性,再通过磨料对镀铬表面进行研磨,使其形成独立的沟状储油槽。
因镀层较松孔镀铬薄,故其内部的残余应力小,这是一成本较低,耐用性较好的镀铬工艺。
松孔镀铬（也称多孔性镀铬）
松孔镀铬是把已镀上的铬层在镀液中进行短时间的反镀,使表面呈清晰的网纹。
由于镀层比较坚硬,网纹可贮存润滑油,因而能保证摩擦副在工作过程中形成良好的油膜,减少表面磨损,延长使用寿命。
英国Cromard专利镀铬技术
该工艺的特点是:
点状储油构造不是靠反镀形成的,而是在镀铬过程中直接形成的,网纹不贯穿镀铬层,是由不规则的平台和凹坑组成的,厚度一般为0.019~0.025mm,残留应力小,与基体的结合强度高,不易剥落,贮油性能好。
（5）工艺选择
考虑到经济因素，成本问题，以及操作的实际稳定性，本次设计采用松孔镀铬技术对汽缸套的内壁进行表面处理。
松孔铬亦称网纹铬。
为了改善在摩擦状态下铬镀层的工作条件对已有的铬镀层进行松孔处理，使铬层原有的网状裂纹加深和加宽，这样的铬层具有吸油性，从而增加铬镀层的耐磨性。
镀硬铬与松孔镀铬的磨损情况，一般在低负荷下二者大致是相同的。
但负荷超过200MPa时，松孔铬层的磨损量要比硬格层的磨损量小得多。
镀松孔铬处理有三种方法：
（1）机械法在经过喷砂和磨光的基体表面上，用滚压工具使基体表面压成圆锥或角锥的小坑，镀铬后表面保留这些小坑。
这种方法较简单，易于控制，但与润滑油的附着性能不够理想。
（2）化学法在镀铬的表面上，用盐酸处理，使镀铬层原有的裂纹和空隙加以扩大和加深。
这种方法铬层损耗多，且溶解难于均匀。
（3）电化学法汽缸套经镀耐磨铬后，进行阳极松孔处理，是耐磨层上原有的浅窄网状裂纹扩大和加深，镀层表面就产生贮存润滑油的功能，提高汽缸套的抗磨性能。
此次设计即采用此法。
5工艺流程
研磨→汽油清洗→冷水洗→电化学除油→热水洗→冷水洗→酸洗除锈→冷水洗→中和→冷水洗→镀铬→冷水洗→热水洗→干燥→除氢（热处理）→研磨→冷水洗→松孔→冷水洗→热水洗→镀层检验
6各工序的具体分析与作用
（1）研磨
用于消除汽缸套内壁加工缺陷（划痕、擦伤、压痕等）和铸造缺陷。
研磨时间为：
镀铬前15～25min,镀铬后为25～35min可研好。
机加工时应注意，圆角的大小一定要保持均匀，没有任何可见的划痕，否则在镀铬时会出现很多的铬瘤，最后造成气孔而使汽缸套报废。
（2）汽油清洗
汽油清洗可作为除油的预处理操作。
利用汽油能溶解油脂的特点，除去黏附在汽缸套表面上的矿物油脂。
除油的方法是把汽缸套放在盛有溶剂的槽内，用刷子蘸溶剂擦刷汽缸套表面。
汽油除油的优点是速度快、操作方便、不腐蚀零件。
其缺点是除油不彻底、因为溶剂挥发后。
零件表面会留下一层极薄的油膜。
所以必须补充除油，可用手工刷洗、化学除油或电化学除油，一般操作场所要装排风机，过去应用不广。
但随着除油设备不断改进，使用过的溶剂可蒸馏再生，设备也基本密封，增加了安全囊可靠性，降低厂成本，有机溶剂除锈的应用就日益增多了。
（3）电化学除油
电化学除油也叫电解除油，是在电流作用下，将汽缸套作为阴极或阳极、置于碱性镕液进行电解，从而除去油污。
电化学除油时，除了有化学除油的皂化与乳化作用外，还在电流作用下，便零件表面析出氢气或氧气。
它们的气泡逐渐变大，将薄膜从内部撕裂带到液面上，并对溶液起到搅拌作用，加速丁油污脱离零件表面的速度。
所以，电化学除油比化学除油更有效。
为了彻底去除汽缸套表面的油脂，保证最精细的表面清理。
除油时汽缸套放在阴极上，阳极用不锈钢板或镀镍的铁板，阳极不应溶解。
除油液配方及参数见表1.
表1电化学除油液配方
组成及工艺
NaOH
Na2CO3
Na3PO4
Na2SiO3·12H2O
温度（℃）
电流密度（A/dm2）
时间（min）
配方（g/L）
30
25
30
3
80-90
5-7
3-5
各组分作用：
氢氧化钠（NaOH）除油溶液的主要成分，直接参与除油过程的化学反应，由于氢氧化钠的碱性极强，对金属有一定的氧化和腐蚀作用。
碱含量高时，皂化作用强，但过高时润湿性差，不易清洗干净，因此对除油不利。
碳酸钠（Na2CO3）除油溶液中的主要成分，碳酸钠溶于水后，即发生水解反应，生成的氢氧化钠与油脂发生皂化反应除去油污，碳酸钠在除油溶液中起到补充所消耗的氢氧化钠的作用，并对溶液的PH值起到缓冲作用（PH≤8.5时，皂化反应不能进行，PH≥10.2时，皂化物水解）。
磷酸三钠（Na3PO4）水解时生产的氢氧化钠参与除油的皂化反应；磷酸三钠润湿性好，对油脂有一定的乳化作用，容易清洗干净。
但磷酸盐能促进水中微生物大量繁殖，将大量消耗水中的氧，影响水生生物的生存，破坏生态平衡。
废水排放受到限制，现已普遍提供无磷型除油剂。
硅酸钠（Na2SiO3·10H2O）偏硅酸钠对油脂的乳化作用较强，可除去不能发生皂化反应的矿物油脂；同时硅酸钠的分子能在零件表面形成薄膜，保护表面免受氢氧化钠的腐蚀。
电流密度提高电流密度，可以提高脱脂速度和改善深孔与不通孔内的脱脂效果。
但电流密度太高时，会形成大量的碱雾，污染车间里的空气，还可能腐蚀工件。
合适的电流密度，保证析出足够的气体，才能将工件表面的油污清除干净，一般选择5-7A/dm2。
时间对于不同材料，不同极性，电化学除油的时间有所不同，大致为：
铸铁：
在阴极3～5min在阳极0.5～1.5min钢：
1～2min.本次设计汽缸套的材料为铸铁，且电化学除油时放在阴极，因此除油时间为3～5min。
（4）酸洗除锈
汽缸套在经电化学除油后表面已经处于无油污状态，但在现实工业环境中，其表面还存在氧化皮和锈迹。
如果不经过酸洗除锈是不能得到完整的磷化膜的。
因此，用酸洗除锈是汽缸套磷化前的一道重要工艺。
酸洗剂采用15%-20%的硫酸，另外加缓蚀剂0.5%-1%的若丁，温度50℃-80℃即可，时间0.5-1min
缓蚀剂若丁的作用是：
其分子吸附在基体金属表面，阻止酸对基体金属的侵蚀。
（5）中和
将汽缸套浸入0.2%-1.0%的常温纯碱水溶液中2-3min中和残液。
（6）镀铬
防镀处理
由于本次设计是对汽缸套的内壁进行电镀铬，所以在电镀前对于不需要镀铬的部位，要进行保护，在电镀前，除内壁的其它部位，先涂上可剥离的防镀涂料，镀铬完毕后，此涂料可轻易剥离。
镀铬槽
镀铬槽主要构件包括槽体、溶液加热及冷却装置、导电装置和搅拌装置等。
槽体有时直接盛装溶液如热水槽等,有时作衬里的基体或骨架如钢槽的基本要求是不渗漏和具有一定的刚度与强度，以免由于槽体变形过大造成衬里层的破坏；钢槽底面应离地面100㎜~120㎜，以防腐蚀严重。
确定电镀槽尺寸大小时，必须满足以下3个基本条件：
a满足被加工零件的电镀要求，如能够完全浸没零件需电镀加工全部表面；
b防止电解液发生过热现象；
c能够保持电镀生产周期内电解液成分含量一定的稳定性。
本次所用电镀铬槽的尺寸为（600mm×400mm×400mm）
镀铬池的结构示意图如图4
图4镀铬槽
夹持
电镀时将汽缸套用夹子沿径向夹持，电镀时将汽缸套沿径向慢慢伸入电镀槽，完全没入后开始施镀。
施镀
电镀液的配方及工艺参数如表2所示：
表2电镀铬配方及工艺参数
组成及工艺
CrO3（g/L）
H2SO4（g/L）
Cr3+（g/L）
温度（℃）
电流密度（A/dm2）
时间（h）
配方
250
2.4
3
50～55℃
40～50
3.5～4.5
配方中各组分作用
铬酐（CrO3）铬酐的水溶液是铬酸，是镀铬层的唯一来源。
铬酐浓度可以在很大范围内变动。
铬酐的浓度对镀液的电导率起决定作用，每一个温度下都有一个相应于最高电导率的过铬酐浓度；镀液温度升高，电导率最大值随铬酐浓度增加想稍高的方向移动。
因此，单就电导率而言，宜采用铬酐浓度较高的镀铬液。
但采用高浓度镀铬液，由于随汽缸套带出损失严重，一方面造成材料的无谓消耗，同时还对环境造成一定污染。
故一般生产上采用的铬酐浓度为150～400g/L。
硫酸根（SO42-）硫酸根在电镀液中起催化作用当SO42-含量过高时，对胶体膜的溶解作用强，基体露出的面积大，真实电流密度小，阴极极化小，得到的镀层不均匀，有时发花，特别严重时还可能露出基体金属。
硫酸的含量主要取决于铬酐与硫酸的比值一般控制在CrO3/SO42-=（80～100）：
1，最佳值为100：
1。
三价铬（Cr3+）镀铬液中Cr6+离子在阴极还原产生Cr3+与此同时在阳极上被氧化，三价铬浓度很快达成平衡，平衡浓度取决于阴阳极面积比。
Cr3+离子是阴极形成胶体膜的主要成分，只有当镀液中含有一定量的Cr3+时，铬的沉积才能正常进行。
当Cr3+的含量偏高时，可用小面积的阴极和大面积的阳极，保持阳极电流密度为1～1.5A/dm2电解处理，处理时间视Cr3+含量而定，镀液温度为50～60℃时，效果最好。
温度和电流密度当电流密度不变时，电流效率随温度升高而下降；若温度固定，则电流效率随电流密度的增大而增加。
然而，当CrO3/SO42值减小时，变化相应变小，因此通常采用较低的温度和较高的阴极电流密度。
（7）除氢热处理
在180～200℃干燥箱中除氢1.5～2h。
主要是使大部分残留氢气排出，减少工件的脆性，提高其疲劳强度。
同时，热处理还能改善镀层与基体金属之间的结合性，当基体金属承受压力变形时，镀层有良好的变形适应性，不至于发生剥落现象。
（8）松孔
松孔处理可在同一镀液中进行，将汽缸套接阳极，铬镀层受逆向电流的作用。
开始的1.5～2min，用电流冲击，电流密度为正常阳极的2倍，以除去铬上面的氧化薄膜。
硬铬镀层的优点是表面硬而致密平滑，这样的性质有利于具有较好的耐磨性，在硬铬层表面虽然也有裂纹，但深度和宽度都不大。
无法贮藏润滑油，因而润滑性差。
而在苛刻条件下使用的镀层，如随着重负荷机械摩擦的汽缸套，必须有良好的润滑性，以减小摩擦系数。
松孔镀铬可使原始裂纹加深加宽，表面呈现清晰的网状裂纹，成为沟状松孔镀铬层。
这些沟纹或深孔能很好地储存润滑油，在工作过程中保证良好的润滑，大大降低零件表面的磨损。
因此采用松孔处理，可以大幅提高零件的使用寿命。
松孔镀铬的工艺参数见表3.
表3松孔处理工艺参数
工艺
温度（℃）
电流密度（A/dm2）
处理时间（min）
参数
50
45
10～11
7检验
对于经松孔镀铬处理的汽缸套的检验主要有以下几项：
网纹密度，镀层的硬度，结合力，厚度。
（1）网纹密度
一般的镀铬层表面的润油性差,难以形成均匀的润滑油膜。
松孔镀铬层表面具备肉眼难以看见的细密、均匀、深度合适的不规则网纹,以保证表面的良好润滑性能。
目前可以划分为A、B、C、D、E五个等级。
分类的方法,拍摄样品的100X金相图片，把照片置于1000mm2方格中,计算其中的网格数,标准如表2。
D、E两类单位面积内的网格数太少,容易造成缸套内表面拉伤;A、B、C三类符合使用要求。
表2网纹密度分类
网纹等级
A
B
C
D
E
网格数
＞180
90-180
30-90
6-30
＜6
（2）镀层的硬度
取样后，用显微维氏硬度计测量镀层的硬度。
镀层的显微硬度值应不低于800HV。
（3）结合力
用锤击法定性测试镀铬层的结合力，在铬层与金属附着状况检验机上进行，汽缸套置于重锤下，锤质量为1kg，在距检查物150mm处自由落下，锤击端面一次，不得加外力，亦不得重复锤击一次。
合格与否判定方法如下：
铬层与基体铸铁均不脱落，合格；
铬层与基体铸铁同时脱落，合格；
铬层脱落一层，但仍有铬与基体铸铁粘牢，合格；
铬层从基体铸铁全部脱落，不合格。
（4）镀层的厚度
制取样品，在金相显微镜下观察膜的厚度。
按日本标准JISHS615和JISD3103规定，柴油机用镀铬气缸套的铬镀层厚度应）＞0.10mm,汽油机的应为0.05mm左右。
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