提高发动机铝合金件耐磨性的表面处理工艺.doc

提高发动机铝合金件耐磨性的表面处理工艺责任编辑：双全机械 汽车、摩托车的轻量化是一个很重要的发展趋势。把车身材料的全部或是某一部分由密度大的钢铁材料换成密度小的铝合金材料，可以大大减轻车身质量。发动机的质量在车身质量中占很大比重，将发动机由原来的铸铁材料换成铝合金后，由于铝合金耐磨性差，如果不进行处理，将使发动机汽缸内壁与活塞接触的部分产生严重磨损，大大减少发动机。 目前一般采用的解决方法是在铝合金发动机内部加一铸铁缸套，活塞环与铸铁缸套而不是与铝合金材料进行摩擦，这样可以避免铝合金的磨损。但这种方法工艺复杂，同时又增加了铝合金缸体的质量。通过表面处理技术在铝合金工件表面形成附着牢固的金属、合金、陶瓷等表面层，可提高工件的耐磨性，因此受到国内外的广泛重视和研究。为此，本文将近年来一些研究成果介绍如下。1 等离子喷涂1998年德国戴姆勒一克莱斯勒公司发明用过共晶AlSi合金和或AlSi复合体涂覆内燃发动机的铝合金汽缸壁的工艺技术。由Al固态溶液、Si沉积物、金属间相(例如A1 Cu和Mg Si)和氧化物构成不均匀的层状结构。通过热喷涂，优选大气等离子体喷涂形成该涂层，具有很高的粘附力和耐磨性u 。2004年土耳其Turkel，V等人采用等离子喷涂技术在柴油引擎发动机AlSi合金活塞上制备厚度约400zm 的(A1Si)一SiC复合涂层。用光显微、SEM、X光散射等方法研究涂层微结构，发现涂层由于连续熔融或半熔融颗粒的沉积和固化而呈现出层状形态，SiC颗粒随机分散在Alsi层中。平均显微硬度达到167 HV(质量分数为3O 95的(A1-Si)一SiC涂层)，在10 N载荷和10 000 rmin下的磨损率为49510 Smmm E 。2 等离子弧焊1995年韩国机器和金属研究院发明等离子弧焊表面处理提高铝合金活塞环槽的耐磨性的工艺技术，包括以下步骤：1)将等离子焊炬置于铝合金活塞顶环槽之上；2)提供5O200xm铜粉；3)部分弧焊活塞；4)用铜熔体熔化活塞金属，形成A1一Cu合金涂层；5)在合金表层形成顶环槽。由于合金表层内成分分布均匀，顶环槽具有很高的耐磨性 。3 等离子扫描2001年山东科技大学机械电子工程学院发明了用等离子体扫描金属表面形成熔覆梯度涂层的方法，具体步骤为：1)在金属表面预涂Fe基或Co基或Ni基或根据要求配制的合金粉末与陶瓷粉末的混合粉末；2)用非氧化性气体在等离子炬中电离产生的等离子体在金属表面扫描，产生冶金结合的熔覆层或梯度涂层。其效果是a预敷涂层经等离子束熔覆后，在金属表面形成含有陶瓷颗粒的非平衡组织；b选择合适的粉末种类和工艺参数，经等离子体加热后自动生成陶瓷颗粒呈连续梯度分布的熔覆层 7。4 等离子电解2002年中国科学院力学研究所开发成功铝合金缸体内壁陶瓷涂层的等离子体电解沉积方法及装置：步骤为：1)对铝合金缸体进行清洗和除油预处理；2)将放在冷却池内的电解液，储液池中的电解液泵人铝合金缸体内，电解液为磷酸钠溶液或与硼酸钠溶液的混合溶液，电解液的质量分数为1 lO ，其中，磷酸钠与硼酸钠的比值为95100：50；缸体作阳极，放在缸体内的不锈钢棒作阴极，接通与之相连的非对称性交流电源，等离子电解2O150 min；便在铝合金缸体内制备一层550 m 的陶瓷涂层。该发明的装置包括：一个具有阳极接头和接有金属棒阴极的非对称性交流电源，一个放在冷却池中的电解液储液池，其正上方设一固定缸体绝缘支架；循环泵的进液管位于储液池中；绝缘支架上端装一呈n型的导管 J。5电 镀1997年以后，日本丰田技术研究院逐渐开发了高速电喷镀，在铝合金基体表面制备(NiP)一SiC复合梯度涂层的工艺技术，沉积层的粒径在63Onm。表面层沉积了Ni。P后，铝合金基体表面硬度最高可达1 035 HV_6。与传统的锌酸盐处理方法相比，这种涂层具有超高的结合强度 。1996年日本ASAHI技研工业株式会社的专利技术为向铝合金汽缸的内壁表面喷涂金属电镀液，以改善金属镀层的结合力 。1997年美国通用汽车旗下的休斯电子公司开发成功在铝合金活塞上电镀铁一钴合金的工艺并申请了专利g，包括如下步骤：1)通过化学镀镍电解液，在铝合金基体镀上镍薄层；2)通过铁一钴电解液，在镍层上电镀铁一钴合金。所得到的铁一钴镀层的铝合金零部件具有良好的粘结性、摩擦、导热和耐腐蚀性。2001年中国台湾三阳工业股份有限公司发明了全铝复合电镀汽缸的制造方法：首先提供一汽缸胚体模具，接着制备铝金属液，然后施行压铸制造，以压力超过2O MPa、低速速度大于003 ms且高速速度大于10 ms填充铝金属液进入汽缸胚体模具以形成一汽缸胚体；电镀汽缸胚体内径以形成NiSiC复合镀层_】 。1999年上海康适达轮圈有限公司发明的铝合金发动机汽缸内壁(NiSiC)复合电镀工艺，电镀液的成分为硫酸镍41O500 gL，氯化镍59 gL，硼酸4160 gL，碳化硅5Ol00 gL，应力消除剂13 gL，分散剂0103 gL。该工艺使发动机汽缸经久耐用，废气排放量下降，冷启动性能提高 。6 物理气相沉积1999年美国通用汽车公司研究了各种铝合金活塞群部涂层对390 A1发动机汽缸孔的刮擦和摩擦行为，被试验的涂层包括NiW 镀层、化学镀Ni层、带有BN或SiC或Si。N 陶瓷颗粒的NiP涂层以及TiN 物理气相沉积(PVD)涂层、类金刚石(DLC)涂层和硬质阳极氧化处理。NiP陶瓷复合镀层是通过传统电镀方法制备的，(NiP)一SiC涂层的硬度约为55 HRC，(NiP)一Si。N 涂层的硬度在50 55 HRC，(NiP)一BN涂层的硬度在50 HRC左右。评价了这些涂层的耐刮擦性和耐摩擦性，与电镀锌和电镀铁进行了比较。TiN PVD涂层对390 A1孔的磨损最严重 。7 激光熔覆成形2004年华中科技大学激光国家重点实验室采用横流5 KWCO 激光器对HBS320铝活塞环槽两岸直接进行镍基合金粉末激光合金化的试验研究，获得了无气孔、裂纹、组织细小均匀的合金化层。SEM 研究表明合金化层与基体铝合金形成了牢固的冶金结合，合金化层组织为靠近基体铝合金的具有定向凝固特征的树枝晶+细小均匀的等轴晶，组织过渡均匀。表面硬度达到650 HV，是基体铝合金的56倍，实际使用表明，使用寿命较未经处理的铝活塞得到较大提高口 。2006年天津大学通过激光熔覆在2024铝合金基体上原位合成TiB 颗粒增强的金属基复合镀层。表面显微硬度最高为900 HV左右。18 N载荷10min，磨损量在23 mg_1 。8结 语近年来，根据汽车轻量化发展的需要，铝在汽车上应用量增加很快。北美轿车平均每车用铝已达124 kg；日本2005年每车用铝估计达到150kg。就其发动机部件而言，1995年宝马4阀6缸奥托发动机(2、25、28 L)，其铝缸体较铸铁缸体轻31 kg；日本汽车公司开发的全