表面技術在內燃機氣缸套的應用與特點

潘銘

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.19.061

摘 要：內燃機氣缸套是內燃機關鍵零件之一，其內表面耐磨性對其壽命起決定性作用。該文闡述了內燃機氣缸套內表面耐磨機理，論述了內燃機氣缸套內表面強化處理工藝：等離子淬火、YAG激光表面處理、輝光離子氮化、擠滲SiC、松孔鍍鉻和噴鉬合金表面處理的原理、應用及特點，為內燃機氣缸套表面強化處理工藝選擇提供技術理論依據(jù)，對指導生產實踐具有顯著應用價值。

關鍵詞：氣缸套 表面技術 應用

中圖分類號：TG156 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）07（a）-0061-02

內燃機是汽車、摩托車、船舶建造、工業(yè)機械、農業(yè)等行業(yè)的配套產品，對經濟的影響，重大而深遠。氣缸套是衡量內燃機耐用度的一個重要指標，然而氣缸套工作環(huán)境十分惡劣，承受高溫、高壓和活塞環(huán)往復運動的摩擦，容易產生磨料磨損、腐蝕磨損、熔著磨損。因此，提高內燃機使用壽命，提高氣缸套的耐磨性能顯得更為迫切。為此，科技人員研究開發(fā)氣缸套材質提高使用壽命效果一直不明顯，而表面強化的技術在氣缸套的應用更為重要。

1 氣缸套內表面耐磨機理

氣缸套內表面涂覆處理是提高氣缸套的耐磨性能、使用壽命的行之有效措施，在氣缸套內表面覆蓋一層適當軟度且富有彈性的保護膜，軟質涂覆層是潤滑性良好的減磨物質，其基體能鑲嵌外來的硬質點，而且能與基材有良好的親和或共浮性能，不會從基體上成塊剝離。保護性的軟質涂覆層很薄，容易磨損，必須在基體上覆蓋大量塊狀高硬質點，承擔接觸磨損，因為硬度高而耐磨，而基體組織和大量脫落后的孔洞貯存潤滑油，可提高耐磨性。氣缸套內表面強化采用激光淬火、等離子淬火、氮化等工藝，使氣缸套內表面硬化，形成局部硬化帶從而提高氣缸套耐磨性。

2 氣缸套表面處理應用及特點

氣缸套分為鑄鐵質氣缸套是由含磷和含硼鑄鐵制造，鋼質氣缸套由無縫鋼管低碳鋼制造。下面介紹各種表面技術在氣缸套上的應用及特點。

2.1 等離子淬火

等離子弧弧柱的中心溫度和淬火層溫度可達16 000 ℃～3 000 ℃，能快速冷卻，形核率非常高，晶粒細化，等離子熱原呈高斯亞態(tài)分布，熱流密度沿深度方向中心大而外緣小，淬火硬化層深度中間大而兩側小，故呈“月牙”形態(tài)。等離子表面淬火組織由表面淬硬層、中間過渡層和邊緣淬硬層三部分組成。表面淬硬層金相組織主要為超細化馬氏體，而中間淬硬層和邊界淬硬層主溫度相對較低且加熱時間短，顯微組織主要是隱針馬氏體、屈氏體和鐵素體的混合體。等離子淬火隨工作電流的增大，淬火層硬度也趨于上升，而隨著掃描速度或波頭數(shù)的增大，單道與交叉道的硬度均呈現(xiàn)下降趨勢。淬火硬化層的顯微硬度從外表層往內部呈現(xiàn)先提高再降低的趨勢，交叉道的硬度高于單道，經等離子表面淬火熱處理后的試樣磨損量減少80%左右，磨損機制主要是氧化磨損和一定的磨粒磨損。

2.2 YAG激光表面處理

起初采用CO2氣體激光器，設備尺寸大，投資大，工作氣體的純度高，其價格昂貴運行成本高。目前采用YAG固體激光加工機，其體積小，投資小，運行成本低，固體激光機的波長很短，因此金屬容易吸收，熱處理效果好，經YAG激光表面處理的氣缸套內表面硬化差。組織主要為細針狀馬氏體，殘留奧氏體和石墨。表面硬度可達750 HV0.1，淬硬層深度為0.3～0.35 mm，寬度約為 2.5 mm，在磨損實驗機上做純滑動的磨損實驗，其磨損量降低約一半，硬化層可以阻止摩擦副表面犁溝的嚴重發(fā)展，磨損量減小，磨痕也較細。

2.3 輝光離子氮化

輝光離子氮化是利用輝光放電原理進行的，在真空爐內充以含氮氣體，爐體為陽極、汽缸套為陰極，通電后氮原子被電離，氮和氫的正離子以高速向氣缸套表面轟擊，由于離子的轟擊工件表面產生原子濺射，并且由于吸附和擴散作用氮滲入氣缸套表面，使氣缸套表面得以硬化，完成氮化工，經輝光離子氮化處理的氣缸套，氮化層深度0.12～0.15 mm，氮化層表面硬度1000 HV0.1。氣缸套放在氮化爐中加熱到540 ℃，保溫10 h隨爐冷至20 ℃，由于氮化會使氣缸套2次失效，會導致氣缸套變形，并且氮原子附著在氣缸套內表面，會使尺寸縮小0.03～0.05 mm，因此氣缸套要做好失效處理，精度要求高的氣缸套要尺寸補償。輝光離子氮化處理氣缸套若未清洗干凈表面易產生斑點，若出爐早表面易發(fā)黑。

2.4 擠滲SiC

氣缸套擠滲SiC是以珩磨機為主要設備，將承載碳化硅粉末的液體攪拌均勻，加入珩磨頭與缸套之間，以珩磨頭壓力將粉末狀碳化硅擠壓入氣缸套內表面內，這樣硬化物碳化硅磨損量很小形成第一摩擦面，基體鑄體很快磨損形成儲油第二摩擦面，擠滲SiC處理層深度為3.8～14 mm，硬度達HV400～56，工作中碳化硅會進一步向機體內滲入，不會脫落，與活塞匹配良好。

2.5 松孔鍍鉻

鍍鉻層硬度高熔點高摩擦系數(shù)小，松孔便于儲存潤滑油，松孔鍍鉻層耐磨性很高，一般氣缸套鍍鉻后壽命可提高2～10倍，其磨耗率為0.01～0.03 mm/min，常用于大功率高強載度柴油機，缺點是松孔鍍鉻成本高，使用中潤滑油消耗量大。氣缸套鍍層上常會出現(xiàn)抗滑“白斑”的酸蝕現(xiàn)象，使磨損加劇。可采用適當?shù)膲A性潤滑油來消除酸的影響，當氣缸套鍍鉻、鉬層后，使用中既無“白斑”現(xiàn)象，磨損量也降低。

2.6 噴鉬、鉬合金表面處理

熱噴涂（或稱熔射） 是指采用專用設備把固體材料熔化（ 或軟化） 迅速噴射到工件表面形成涂層的方法，一般噴涂有以下分類：

用于活塞環(huán)、氣缸套的噴涂主要有火焰噴涂、等離子噴涂及線爆噴涂等。噴鉬層硬度可達700 HV0.1以上，一般為850～1 050 HV0.1，最高達1 300 HV0.1；摩擦系數(shù)低，抗拉缸性能好；松孔貯油性能好。噴鉬與鍍鉻等表面處理相比較鍍鉻處理的缺點是：容易降低基體疲勞強度，且磨合性差，有拉缸傾向。噴鉬的缺點是噴鉬層的耐磨性比鍍鉻層差。

火焰噴涂。當涂層材料（鉬、鐵及合金制成的）熔滴噴射速度超過音速形成超音速噴涂。溫度達2 500 ℃～3 000 ℃的火焰使涂層材料呈熔滴，隨著高速火焰噴射向氣缸內表面形成涂層。涂層硬度1 000～1 300 HV0.1，涂層孔隙率小于20%～30%，孔隙尺寸（在橫截面上最大孔徑）小于4 mm。美國20世紀末又開發(fā)了空氣和柴油為燃氣源的新方法，成本下降，使火焰噴涂方法廣泛的推廣和應用?；鹧鎳娿f層的特點是缸套表面能有效地保持油膜，使其有良好的抗熔著磨損性能。

近年來噴涂技術從工藝、設備等方面有較大進步，從目前工藝來看，小氣缸噴涂都采用線爆噴涂，活塞環(huán)與中大氣缸孔則是火焰噴涂、等離子噴涂和線爆噴涂都有應用。已經開發(fā)出在氣缸套表面涂抹固體潤滑劑，再行噴涂，改善耐磨性能及減磨性能，已開發(fā)了等離子和電弧結合為一體的噴涂設備，涂層質量進一步提高，噴涂工藝正在迅速發(fā)展，前景很好，活塞環(huán)或缸套噴涂后，易形成低表面粗糙度，有利于形成液力潤滑。選用噴涂材料時應選用熱膨脹系數(shù)與所噴涂基材接近。

3 結語

氣缸套表面強化處理的方法對提高使用壽命都是一些行之有效的措施。但這些表面強化處理工藝各自有優(yōu)缺點，如鍍Cr法成本高、污染大、工人勞動強度大；離子氮化具有滲層脆性小、無毒、變形小等優(yōu)點，但它又具有生產周期長、滲層薄（最多只0.5 mm）、耐腐性能較差、設備復雜、離子氮化處理熱脹量稍微偏大等缺點。擠滲SiC工藝成本低，可代替原光整加工的工序，生產周期很短，沒有任何變形，應用前景較好。噴涂技術近年來不論從工藝、設備等方面都取得了很大的進展，前景不可估量。

參考文獻

[1] 黃勝.柴油機氣缸套表面強化工藝及磨損試驗的研究[J].內燃機車，2009（1）：23-26，29，56.

[2] 戴利民，林子光.機車柴油機氣缸套YAG激光表面強化處理的研究[J].中國鐵道科學，2007（4）：88-93.

[3] 張寧，王耀磊，孔祥力，等.工程機械缸套等離子表面淬火熱處理工藝及性能的研究[J].熱加工工藝，2015（6）：169-172，176.

[4] 申如弦.輝光離子氮化工藝在汽缸套生產中的應用[J].武漢船舶職業(yè)技術學院學報，2014（1）：16-18.

[5] 張世榮.表面加工工藝對氣缸套使用壽命的影響[J].天津工業(yè)大學學報，2002（4）：78-80.

[6] 邱復興，高陽.活塞環(huán)氣缸套的噴鉬及鉬合金表面處理[J].內燃機配件，2003（1）：7-9.