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汽车发动机缸体喷涂技术
摘要
实现汽车的节能减排，是整个汽车行业所面临的重大挑战。
减轻汽车的重量是实现这一宏伟目标的一条有效途径。
采用铝制发动机缸体，可以减轻汽车的重量，在其缸体内壁喷涂一层铁基涂层，可以增强铝制缸体的耐磨性。
本文采用电弧喷涂技术制备了三种铁基涂层：
H08Mn2Si、4Cr13、65Mn。
通过金相显微镜和扫描电子显微镜分析了涂层组织特征。
这三种涂层材料均具有典型的层状涂层结构特征。
三种涂层中以等轴非等轴孔隙居多，缝隙装孔隙最少，且孔隙在空间中呈星形拓扑结构分布。
涂层孔隙对于液体的渗透性良好，通过模拟实验证明涂层在润滑条件的磨损状态下，能够一直保持油液的渗入。
利用MMU-5G型万能摩擦磨损试验机分别在浸油润滑和干摩擦条件下，测试了涂层材料的摩擦系数，分析了涂层的耐磨性及磨损方式。
试验结果表明：
在所有磨损试验中，涂层磨损形式主要为磨粒磨损。
在干磨条件下，灰铸铁试样的摩擦系数最少，其中的石墨起到的润滑的作用，而铁基涂层中的孔隙无法发挥其减磨作用，导致摩擦系数高于灰铸铁。
在50N载荷浸油条件下，4Cr13涂层摩擦系数及耐磨性最好，孔隙起到了储油减磨的作用，三种涂层的摩擦性能均优于灰铸铁。
在200N载荷浸油条件下，4Cr13涂层摩擦系数及耐磨性依然优于灰铸铁且在三种涂层中最好，H08Mn2Si涂层的摩擦系数比50N载荷浸油条件下降低幅度最大，说明涂层的摩擦性能要从本身耐磨性与其各种减磨结构综合衡量。
关键字：
热喷涂;耐磨性;发动机缸体
Abstract
Torealizetheenergysavingandemissionreduction,isamajorchallengefacingtheentireautomotiveindustry.Reducetheweightofthecarisaneffectivewaytoachievethisgoal.Usingaluminumengineblock,canreducetheweightofthecar,inthecylinderwallcoatingalayerofFebasedcoating,canenhancethewearresistanceofaluminumcylinder.ThispaperusesthreekindsofFebasedcoatingbyarcsprayingtechnologysystem:
H08Mn2Si,4Cr13,65Mn.Theanalysisofthemicrostructureofthecoatingbymetallographicmicroscopeandscanningelectronmicroscope.Thesethreekindsofcoatingmaterialshavethetypicalcharacteristicsoflayeredcoatingstructure.Threekindsofcoatingwithequiaxednonequiaxedporesarearranged,slitporesatleast,andtheporespaceinastartopology.Theporesofthecoatingsforliquidpermeabilitygood,wearconditionthroughsimulationexperimentsprovethatcoatingonthelubricationcondition,hasbeenabletokeeptheoilinfiltration.UniversalfrictionandweartestingmachineweresoakedinoillubricationanddryfrictionconditionbyusingMMU-5Gtype,frictioncoefficientofthecoatingmaterialweretested,analyzedthewearresistanceandwearmodeofcoatings.Thetestresultsshowthat:
inallweartest,thewearmechanismsaremainlyabrasivewear.Indryfrictioncondition,andtheFebasedcoatingintheporesandunabletoplayitsroleinreducingwear,thefrictioncoefficientishigherthanthatofgraycastiron.Intheloadingof50Noilimmersedconditions,frictioncoefficientandwearresistanceof4Cr13coatingisthebest,theporetoreduceabrasionofoil,thefrictionpropertiesofthreekindsofcoatingsarebetterthanthatofgreycastiron.Intheloadingof200Noilimmersedconditions,thefrictioncoefficientandwearresistanceof4Cr13coatingisbetterthanthegraycastironandthethreekindsofcoatingsinthebest,thefrictioncoefficientofH08Mn2Sicoatingthan50Nundertheconditionofoilimmersedloaddecrease,thefrictionpropertiesofthecoatingitselffromthewearresistanceandantifrictionstructurecomprehensivemeasure.
Keywords:
thermalspraying;wearresistance;engineblock
第1章绪论
1.1汽车发动机材料的发展
环境保护，能源消耗是如今的焦点问题。
在汽车行业中，也因此面临重大的挑战。
如何减少燃料消耗，同时降低有害气体排放，成为了各汽车厂商所要解决的难题。
减轻汽车重量是汽车轻量化的重要途径。
据研究表明，有六成的燃料消耗约用于汽车自身重量，所以汽车重量每减少一百公斤，百公里油耗便能减少0.4升左右。
由于发动机是汽车上最重的零部件之一，所以减轻发动机的重量是汽车轻量化的重要环节。
现在，铝合金已经广泛应用在工业自动化的各项领域。
其中之一便是代替传统铸铁，作为发动机缸体的材料。
这项技术推进了汽车轻量化的发展，有效地节约燃料。
铝合金有着质量小，易加工等优点，降低发动机自重的同时又减小了油耗。
据统计，市面上的汽车近乎有六成以上使用了全铝发动机。
但由于铝本身的特点，导致铝合金的磨损性能低下。
对此有三种解决方案：
一是在缸体内部嵌入厚度约1.5-3mm的铸铁缸套；二是研制高硅铝合金作为缸体的材料；三是通过热喷涂技术在缸体内壁喷涂一种磨损性能优越的涂层。
第一种方法虽说解决了铝合金的不耐磨问题，但是由于重新嵌入了铸铁缸套，会再次增加自身的重量。
同时，由于热传导性能差异，铸铁膨胀系数与铝制合金也不相同。
第二种方法，高硅铝合金的确有着良好的磨损性能。
但是高硅铝合金的制备技术在实践中还很难应用，并且制备成本大，应用受到局限。
第三种方法由于是采用热喷涂技术，通过喷涂技术，可以改善铝制发动机缸体的耐磨性，涂层厚度很薄，几乎不会增加发动机本身的重量，这也使铝合金发动机的重量明显低于铸铁发动机。
而且在涂层材料的选用上十分灵活，可以达到预期的耐磨目标。
另外，由于涂层厚度也可以根据实际情况设定，这也使得发动机在各零件的装配过程中，完全保证精度要求。
1.2热喷涂技术
发展至今，由于喷涂技术制备的涂层有着良好的性能，已经被广泛应用，在钢类零部件的维修和防护上也起到至关重要的作用。
在能源、冶金和汽车三大领域，热喷涂技术作为不可或缺的工艺手段。
同时随着新型材料的发展，势必推进热喷涂技术的进化脚步。
1.3电弧喷涂技术
电弧喷涂因其成本低、易于操作、喷涂质量良好等特点，已经广泛地实用。
将碳钢、不锈钢等作为喷涂丝材时，更可以起到负荷零件修复，钢结构防护等作用
1.3.1电弧喷涂技术的原理及特点
电弧喷涂技术的原理非常简单，喷涂所用的两根丝材经由送丝机构连续地被导入至喷枪的喷嘴。
丝材的尖端在送出导电嘴出处相互搭接，摆成一定角度，同时两根丝材会连接直流电源的正负极。
在电源接通的情况下，丝材尖端发生放电产生电弧。
高强度的电流下丝材很容易发生熔化，这时送丝机构会匀速转动，如果电弧燃烧稳定，则送丝装备会继续将丝材向前推送。
喷枪的前端同时会配有输出高压空气的喷嘴，在空压机的作用下，压缩空气会源源不断地从高压气喷嘴喷出。
熔融态的金属颗粒在气流的作用下产生雾化，迅速地被喷射至基材表面形成涂层。
电弧喷涂的流程大致可分为三个部分：
丝材熔化及雾化阶段；熔融态金属颗粒的飞行阶段；颗粒喷射至基材并堆积凝固阶段。
对比其他喷涂技术，电弧喷涂技术具有以下特点：
（1）涂层性能优异。
在不提高基材本身温度、不适用贵重基体材料的条件下，可以制备结合强度高的涂层。
相比火焰喷涂，电弧喷涂涂层的结合强度可以达到其两倍之多。
（2）效率高。
电弧喷涂在一定时间内喷涂的金属量很多，且电流越大，喷涂效率也越大。
比如，在300A的工作电流下，喷涂锌丝可以达到每小时30kg；喷涂不锈钢丝可以达到每小时15kg。
比火焰喷涂提高二到六倍。
（3）能耗低。
电弧喷涂能量消耗很低，电弧喷涂的能源有效利用率为百分之七十，等离子喷涂为百分之十二，火焰喷涂为百分之十三，相比之下，其能源利用率最低。
（4）经济性。
由于电弧喷涂的主要消耗能源是电能，且相比火焰喷涂所用的氧气和乙炔，其费用仅为火焰喷涂的十分之一，而且电弧喷涂设备简单，大约是等离子喷涂的三分之一以下。
（5）操作简单。
由于电弧喷涂设备简单，且在电压、电流、空气压力按要求设定完成之后，一般不需再调节。
同时电弧喷涂对喷涂距离要求也并不高，在一定范围内变动也可接受。
即便是经过长时间的使用，设备可能出现受损的部件只有喷嘴和送丝机构，无论是维护还是翻新都较为便利。
（6）安全性高。
因为其他的热喷涂方式可能会用到乙炔等易燃气体，相对于只使用电力与高压气体的电弧喷涂来说，危险系数高。
1.3.2热喷涂技术的优点
（1）涂层基体材料广泛。
可制备涂层的基体除了金属材料，还有无机材料（玻璃、陶瓷、石膏等）和有机材料（包括木材、布、纸类）等。
（2）能够喷涂的材料范围广，制备的涂层种类多。
有熔点且熔点远低于沸点或拟熔融态的材料均可用于喷涂，包括各种金属及合金、陶瓷、金属陶瓷、金属间化合物、非金属矿物、塑料等几乎所有固态材料。
此外，还能制成具有特殊性能的不同材料构成的复合涂层或叠加涂层，因而能够制备各种各样的保护涂层和功能涂层。
（3）沉积效率较高，特别适合沉积厚膜涂层。
与电镀、化学镀、离子镀、气相沉积等技术相比，热涂层的沉积效率、生产效率较高，且涂层厚度容易控制，可从几十微米到几毫米，甚至可达到20mm。
（4）节约贵重材料，降低成本。
在满足强度要求的前提下，制件基体可以用较普通的材料代替贵重材料，仅涂层使用优质材料。
（5）一般不受工件尺寸和施工场所的限制。
即可喷涂大型重型工件，又可喷涂小件、薄壁件；即可在厂内施工，也可在现场施工。
对大型构件的局部表面制备涂层，是既经济又方便的方法。
（6）对基题材料的热影响小。
与扩散渗镀、气相沉积、高温合成、烧结等工艺相比，除喷熔外，热喷涂对基体的热影响最小，基体受热温度一般不超过200℃，从而使基材的组织结构和性能不发生变化，工件的变形可以忽略，因此热喷涂也可以称为一种“冷工艺”。
（7）调整涂层成分比较容易。
通过调整涂层材料的种类、配比及涂敷工艺等，能够比较容易地调整涂层成分和涂层性能。
1.3.3热喷涂技术的缺点
（1）热喷涂涂层耐高应力、冲击和载重能力较差。
热喷涂涂层与基体的结合主要为物理和机械结合，结合强度较低，一般低于50MPa。
但气体爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、超声速等离子喷涂及超高速等离子喷涂等先进工艺正使热喷涂涂层的结合强度达到相当大的提高，最高甚至可以达到200MPa。
（2）涂层的力学性能及耐蚀、抗氧化、绝缘等性能都比致密实体的同种材料要差。
喷涂涂层含有不同程度的孔隙和夹杂，片层状涂层结构导致涂层的各向异性，降低了涂层的力学性能及耐蚀、抗氧化、绝缘等性能。
孔隙的存在，虽然使热喷涂涂层在用于防腐蚀、绝缘、耐高温等工况时不利，但在用于气敏元件（如氧探测器）、可磨耗密封、催化、生物功能等时，可获得意想不到的成功。
孔隙还是很好的储油结构，使涂层具有更好的减摩润滑性能。
（3）热能利用率比较低，成本相对较高。
热喷涂技术主体地位的等离子喷涂，其热能却只有10％～20％被用于熔化涂层材料；而等离子喷涂陶瓷涂层材料的沉积率根据喷涂材料的不同，在30％～80％之间变化，特别是喷涂小件时，涂层材料的沉积率低。
这些都使得热喷涂涂层的成本相对较高。
（4）热喷涂粒子呈线性飞行的特征，难于在易遮蔽的凹腔、复杂型面、细长内孔、盲孔等部位喷涂合格涂层。
1.4发动机缸体喷涂技术
随着历史的推移，热喷涂技术得到了迅猛的发展和日新月异的变化。
喷涂的方式可以有火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂等；喷涂丝材可以从金属到陶瓷，甚至在喷涂过程中加入其它合金粉末等。
热喷涂技术有着三大技术攻关方向，即喷涂温度、熔融颗粒飞行速度以及涂层的性能。
在满足工艺参数的基础上，喷涂技术一直在围绕这三个核心内容向前推进。
影响喷涂温度与颗粒飞行速度的是喷涂热源的种类。
为了获得质量更好，性能更优异的涂层，可以在一定范围内提高喷温度，加快粒子的冲击速度。
温度与速度的双重叠加作用，使热喷涂技术具有独特的特性，所以二者一直是各喷涂机构互相竞争与重视的要点。
热喷涂技术可以使基材表面拥有特殊的性能。
比如，时常受到摩擦损耗的工件表面可以制备耐磨或减磨涂层，有效的降低了损耗，同时又增强了工件之间的摩擦运动；此外，某些零件需要在有腐蚀的条件下工作，这时便可以喷涂一层抗腐蚀涂层，大大的延长的零件的使用寿命。
某些特殊的合金或纳米复合材料还同时具有抗磨抗腐蚀的双重特性。
第2章实验仪器、材料及方法
2.1实验仪器
本次实验采用XDP型电弧喷涂机。
如图2.1所示，为XDP-5型电弧喷涂设备与其系统组成。
图2.1XDP-5型电弧喷涂设备
电弧喷涂机分为喷枪、送丝机构、喷涂电源、喷涂控制箱、丝盘、空气压缩机、喷砂机等部分。
送丝结构由直流电源、减速器、送丝齿轮组成，主要作用是将两根金属焊丝经由齿轮的转送输送至喷嘴。
导电嘴连接至电源的正负两极，丝材在电流的作用下起弧，熔化。
喷枪的雾化机构此时会输出高压气体，熔融颗粒借由气流产生雾化，喷射至基材表面。
在反复的撞击之后，在表面凝固形成涂层。
喷枪具有的输出高压空气结构，可增加熔融粒子喷射速度，同时使其雾化。
枪体由导电嘴、导电管、绝缘体、高压气流喷嘴等构成。
一般的喷枪可喷涂2mm和3mm直径的丝材。
2.2涂层材料
本次试验选择了高碳钢65Mn、低碳钢H08Mn2Si、不锈钢4Cr13作为铁基涂层，其丝材直径均为2mm。
实验中各铁基材料的化学成分如表2.1所示。
表2.1各铁基材料的化学成分
材料
C
Si
Mn
Cr
Ni
Al
Mo
V
S
P
65Mn
0.60-0.90
0.18-0.38
0.90-1.30
≤0.25
≤0.25
-
-
-
≤0.035
≤0.035
08Mn2Si
≤0.10
0.55-0.85
1.80-2.20
≤0.25
≤0.30
-
-
-
≤0.035
≤0.035
4Cr13
0.20-0.35
0.6
0.8
12-14
-
-
-
-
≤0.030
≤0.035
2.3基体材料表面预处理
（1）待喷涂表面的清洗
待喷涂工件的表面经常会有油污、氧化层等影响喷涂结合强度的杂物。
为了避免其对涂层性能的损害，可用丙酮或煤油对表面精洗。
如果表面严重者有铁锈之类的污染物，可用烧碱清洗，或是喷砂等方法处理。
（2）待喷涂表面的粗化处理
常用的粗化处理有喷砂、喷丸等，使基体表面获得一定的清洁度和粗糙度，改进基体表面的性能，增加与涂层之间的结合强度。
2.4喷涂工艺
喷涂工艺参数直接影响涂层的性能，所以若想制备质量过关的涂层，需要制定合理的工艺参数。
（1）喷涂电流
喷涂电流一般受送丝速度影响，喷涂电流会随着送丝速度加快而递增。
但是若送丝速度不稳定，会引发电流波动，影响涂层质量。
而送丝速度又受很多因素影响，比如丝盘的重量，丝材的曲直度，丝材上有无锈迹，内部阻力等等。
所以适当增加送丝速度，不但可以增加喷涂电流，还会增加工作效率，更会提高涂层的质量。
当工作电流增大时，会使熔融态粒子撞击工件表面的频率增加，使颗粒的内能与动能增加。
利于金属颗粒之间的结合，改善涂层的硬度及耐磨性。
与喷涂电压一样，不同材料的丝材也有着不同的最佳工作电流，成为临界电流。
当工作电流低于其值时，电弧也无法稳定燃烧。
因此，在适当的范围内，为了获得质量更好的涂层，尽量选用较大的电流值。
（2）喷涂电压
为了制备性能良好的涂层，稳定燃烧的电弧是必不可少的因素，而决定电弧是否稳定因素便是喷涂电压。
丝材尖部的间距会影响喷涂电压，所以电压越大，丝材在燃烧时的间距也会增加。
丝材燃烧的稳定与否和喷涂电压密切相关，若电压低于某一值，电弧会极不稳定，甚至熄灭。
而未熔化粒子会随着高压孔隙喷涂至工件表面，导致涂层孔隙率增大，严重影响涂层与基体之间的结合强度。
此外，电弧的时断时续会引发喷涂电流的浮动加大，降低设备的实用寿命；相反，若是电压值过高，会增大涂层的氧化程度。
为了获得稳定的电弧，在喷涂前需要设定合理的电压值，由于喷涂材料本身的性质不同，其最佳的电压值也会不同。
所以，只要能够保证丝材间稳定的燃烧，电压值尽量调小，不仅可以减少涂层的氧化程度，还可以降低能源消耗，最终制备高硬度高耐磨性的涂层。
（3）雾化空气压力
金属丝材在熔化之后需要通过空气压力将其喷射至表面，完成喷涂。
所以雾化空气压力越大，熔滴的氧化程度、喷射速度也越大，其对基体表面的撞击力也会越大。
在制备涂层时一定要结合材料本身的熔点高低来决定空气压力大小。
例如低熔点的材料就不必用过大的空气压力。
否则会加快熔融态粒子的冷却速度，导致颗粒在未喷涂至基体时就提前凝固，从而在撞击基体表面后会反弹回来。
相对的，在喷涂高熔点的材料时，则需要加大空气压力。
不同材料的最佳雾化空气压力不同，要结合需求选择合适的雾化空气压力，不宜过高过低。
如果空气压力过低，会延长熔融态颗粒在空气中滞留的时间，颗粒在空气中飞行时间越长，其结晶凝固的速度也就越快，当喷射至基材表面时，动能过小。
最终导致涂层组织稀疏，颗粒粗大，孔隙和氧化物增多。
如果雾化空气压力过大，喷涂热源会受到干扰，涂层质量反而降低。
此外某些涂层在较大空气压力下，会产生马氏体转变，会使涂层基体增大，补偿其喷涂后的收缩应力，降低变形。
可以防止涂层开裂、脱落等现象。
（4）喷涂距离
喷涂距离是喷涂工艺中重要的一项，最终涂层的质量好坏与否与其有着密切关系。
喷涂距离过大，相当于延长了熔滴在空气中的时间，更易被氧化。
且熔滴分散，得到的涂层组织稀疏，孔隙与氧化物含量过高。
距离过小又会使基体温度升高，先喷射到涂层的颗粒还未充分凝固就被新的颗粒覆盖，导致涂层不均匀变形。
在过大的热应力下，涂层很容易出现开裂、脱落等现象。
在最佳的喷涂距离下，熔滴会获得合理的飞行速度与冲击力，在基材表面充分变形，提高结合强度，孔隙和氧化物含量降低。
所以，一定要将喷涂距离控制在合理的范围内，以保证涂层质量。
一般情况下，喷涂距离在一百五至二百毫米较好。
（5）喷枪移动速度和喷涂角度
在喷涂过程中，涂层与基材表面会因为金属熔滴的撞击而告知温度升高，如果热量在局部过度集中，会使热应力变大，使涂层脱离基材，出现开裂等现象。
为了避免此现象，在保证电压、电流、空气压力及喷涂距离的同时，还需要以合理的速度反复移动喷枪，令涂层较好的散热，以便获得良好质量的涂层。
同时为了保证熔滴对基材表面有效的冲击，喷枪要与基材表面呈90°角喷涂。
此时颗粒的动能几乎全部转化为变形能，提高结合强度。
2.5实验步骤
本次实验采用的工艺参数如表2.2所示。
表2.2电弧喷涂工艺参数
材料
空气压力MPa
喷涂距离mm
电压V
电流A
4Cr13
0.5
150
34
200
65Mn
0.5
150
34
200
08Mn2Si
0.5
150
32
180
一般来说,内孔涂层喷涂比普通平面喷涂除了喷涂设备体积的限制之外。
喷涂过程中,由于涂层厚度均匀性不易控制,会导致应力分布也不均匀,容易造成涂层开裂。
同时,随着涂层厚度的增加也会加剧涂层的开裂倾向。
如图2.5所示,将进行过预处理的铝套固定在可以自动旋转的花盘上;再将内孔喷涂装置的正负极与电源接通,实验选用XDP-5型电弧喷涂设备的电源,最后将压缩气体导管与内孔喷涂连接好。
花盘开始旋转后,操作人员手持内孔喷涂装置沿铝套内壁表面进行相对运动开始喷涂操作。
图2.2铝筒与旋转花盘固定
喷涂过程中会出现电弧不稳定,有喷涂飞溅产生,这些问题会影响涂层质量。
这都是设计和装置加工时需要额外重视的因素。
但总体上,利用本装置制作出的内孔涂层效果还是不错的。
图2.3、图2.4分别为喷涂操作过程中的图片和内孔涂层外观形貌。
图2.3内孔喷涂操作
图2.4图层外观形貌
本实验得到的内孔喷涂涂层表面比较粗糙,需要将表面打磨成光面,这样才能满足发动机汽缸的工作要求。
涂层的厚度一般为0.2mm～0.5mm。
第3章涂层的组织分析
3.14Cr13涂层的组织形貌及物相分析
如图3.1所示，涂层较为致密，呈典型的层状结构。
扁平粒子变形充分，且粒子之间夹杂着氧化物，形状呈带状结构，如薄膜一样包围在粒子周围。
同时涂层中还存在有少量的球形粒子，及未熔颗粒，粒子之间的孔隙清晰可见。
由于这种材料中含有大量铬元素，喷涂过程中快速冷却形成了马氏体，增大了涂层的硬度，成为涂层的主要组织。
a）500×b）1000×
图3.14Cr13涂层的SEM照片
由于喷涂过程中熔滴不断地在基体上堆叠，以及粒子的分散性，不可避免地在涂层中形成了孔隙。
同时凝固也会产生扁平粒子和氧化物体积的放大和收缩，导致粒子与粒子的边界有条状的孔隙包围。
熔滴在喷涂过程中与空气反应还会生成氧化物，弥散在组织中。
3.2H08Mn2Si的组织形貌及物相分析
从图3.2中可以看到08Mn2Si涂层中灰色的带状为氧化物，分布在粒子边界，黑色区域为孔洞。
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