热喷涂技术在汽车上的应用

1、热喷涂涂层技术在汽车上的应用热喷涂技术是表面工程领域内表面改性最有效的技术之一。它是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。选择不同性能的涂层材料和不同的工艺方法，可制备减磨耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化、热障功能、催化功能、电磁屏蔽吸收、导电绝缘、远红外辐射等功能涂层。涂层材料几乎涉及到所有固态工程材料，包括金属、金属合金、陶瓷及它们的复合材料和其他非金属无机材料，广泛应用于汽车、生物、化工等领域。热喷涂可提供各种性能的涂层，用在汽车上可以提高汽车的性能，减少汽车零部件的磨损并延长使用寿命，因此广泛应用于汽车制造及维修业中。1.热喷涂方

2、法及特点1.1火焰喷涂火焰喷涂是采用可燃性气体的燃烧作为热源，将金属丝材或粉末熔融、雾化，吹喷于基体表面的方法。由于燃烧气体的温度的限制，喷涂材料的熔点一般低于2500°C。因此在工业中被广泛应用。随着超音速火焰喷涂技术的开发，其喷射速度高达音速的两倍，熔融粒子的速度高达400m/s,约为普通火焰喷涂的4倍和等离子的2倍。故涂层更为致密，结合强度大，另外这种方法有沉积率高，涂层性能稳定，特别适合于喷涂碳化物涂层，非常适宜在专用汽车中的应用。1.2电弧喷涂电弧喷涂是利用两根连续送进的金属丝之间产生的电弧作热源来熔化金属，用压缩空气把熔化的金属雾化，并对雾化的金属细滴加速使之喷向工件形成

3、涂层的技术。电弧喷涂技术与其他热喷涂方法相比，其特点是：结合强度高；生产效率高，成本低；安全性好，喷涂质量稳定，能源利用率高。图l所示为电弧喷涂的原理示意图。此项技术可赋予工件表面优异的耐磨、防腐、防滑、耐高温等性能，在机械制造、电力电子和修复领域中得到广泛的应用。压箱空勺基律电弧喷涂技术具有以下优点：(1)生产率相对较高：电弧喷涂的生产率与电流成正比，一般相当于火焰喷涂的4倍；(2)涂层结合强度高；(3)涂层质量易于保证；(4)能源利用率高，能耗低；(5)可以方便地获得“伪合金”涂层：当使用两种不同材料的喷涂丝材时，获得的是两种材料的粒子紧密结合的“伪合金”涂层，涂层中还存在少量的合金与金属

4、间化合物；由于兼有两者的性能，因此“伪合金”涂层的性能较好；(6)设备造价低，使用维护方便：电弧喷涂的设备简单，体积小，重量轻，设备移动方便。不需要瓶装气体、燃料，没有水冷系统，且工作环境要求低，可以长时间在恶劣环境下工作。传统的电弧喷涂技术，由于喷涂粒子速度低涂层受到严重氧化，使涂层质量和应用受到一定的限制。而高速活性电弧喷涂采用高压气流或燃料燃烧所产生的高速射流雾化喷涂材料熔滴，可以提高电弧稳定性，使喷涂粒子显著加速，减少粒子与空气的接触时间，达到减少涂层氧化，显著提高涂层质量的目的。资料表明，高速电弧喷涂在距喷枪喷嘴端面轴向距离80mm范围内，气流速度可达到600m/s,金属熔滴的雾化效

5、果显著提高，涂层粒径仅为传统电弧喷涂粒径的1/31/8,涂层结合强度是电弧喷涂的1.5倍2.2倍，涂层孔隙率不大于2%。1.3爆炸喷涂爆炸喷涂是利用气体爆炸产生的高能量，将喷涂粉末加热、加速，使粉末颗粒以较高的温度和速度轰击工件表面而形成涂层。喷涂时，先将一定压力、比例的氧气和乙炔由进气口通入水冷喷枪内腔，然后由供粉口送入粉末，接着火花塞点火，氧气和乙炔的混合气体燃烧并爆炸，产生高温高速气流，将粉末加热，并以高速(超过音速约3倍)撞击到基材表面，形成涂层，然后通入氮气清理枪管，为下一次喷涂做准备。如此重复进行。爆炸喷涂涂层与基体结合强度可达100MPa以上、涂层致密、孔隙率小于1。工件热损伤小

6、。涂层均匀、厚度易控制。涂层硬度高、耐磨性好。爆炸喷涂可用微机控制，易于实现自动化。1.4等离子喷涂等离子喷涂是采用非转移型等离子弧为热源，喷涂材料为粉末的热喷涂方法。利用电流电弧放电，把高温加热的氩气、氮气、氦气等气体部分电离成离子束，在电弧放电部位四周强制流过的低温气体，产生收缩效应，使电弧放电部位断面缩小，导致能量密度和电流密度升高，最高温度可达20000°C。由于等离子喷涂温度高，气体可控制，可以用来喷涂各类高熔点的金属、氧化物和其他各种陶瓷材料。最近10年开发的真空等离子喷涂设备，不仅使涂层的品种扩大，质量提高，而且可以进行新材料的合成和材料表面改性。近几十年来等离子喷涂技

7、术发展很快，目前已开发出真空等离子喷涂、可控气氛等离子喷涂、溶液等离子喷涂和超音速等离子喷涂。表1一2几种热喷涂工艺参数对比喷涂方法火焰温度CC)粒子速度(ms*1)结合强度(N皿宼)气孔率(%)喷涂效率(Kg-h_,)相对成本火焰喷涂300030-1808-1210-302-61电弧喷涂4000-600025012-2510-2010-252高速火焰喷涂2500-3100>50070-110<10152-3爆炸喷涂3000800-1200大于700.1-114等离子喷涂20000-30000200-80050-80<102-1042.0热喷涂技术在汽车工业中的应用2.1 在

8、汽车制造业上的应用在汽车发动机上，活塞环要承受气缸中高温、高压燃气的作用，在高速及润滑困难的条件下因磨损寿命很短，所以对活塞环材料除了具有高的强度及冲击韧性外，还要耐热、耐磨。对活塞环的合金钢、铸铁、不锈钢基体采用HV0F工艺，喷涂上CrCNiCr涂层，可以提高活塞环的耐磨性；采用等离子喷涂对气32缸孔喷涂钼合金，可以提高气缸的耐腐蚀、耐磨及耐高温性能；铝合金气门挺杆上采用电弧喷涂优质碳素钢涂层可以减轻挺杆质量并减少磨损；此外，对喷油嘴、传感器、气门、曲轴等喷涂钼、金属陶瓷、陶瓷和合金涂层可提高该零部件使用寿命3倍5倍。在汽车变速箱上，换档同步环，依靠摩擦作用实现同步，喷涂上一层铝钼合金后，可

9、使齿轮工作时具有自锁紧功能，保证行车安全、平稳；换档拨叉对变速箱换档操纵性能、可靠性及其寿命影响很大，因此，在产品设计中，对拨叉的工作面进行Cu-A1和NiAl热喷涂处理，就可以提高拨叉的耐磨性、润滑性和疲劳强度。在汽车制动系统中，在钢基体上喷涂氧化锆可以作为刹车盘材料，可以提高刹车盘的耐磨性。在车身成型过程中，在车顶与车前面板焊缝处会产生一凹陷区，以前弥补这一缺陷的方法是将多余的焊料打磨掉，因而降低了焊缝的强度。现在已开始采用电弧喷涂硅青铜的方法来添补这一接缝区，这样既美化了车身外观，又增强了焊缝强度。在汽车电器及控制装置上，氧传感器用于检测排气中氧的含量，传感器探头需要承受高温并且耐腐蚀，

10、对铂和氧化锆基体采用等离子喷涂上含AlO-MgO陶瓷涂层，可保护传感器探头，对燃油喷射进行更加精确的闭环控23制，从而减少燃油消耗并降低汽车排放；在点火系统中，对分电器转子的钢基体采用等离子喷涂上AlO-TiO陶瓷涂层，可以降低分电器噪音；在铝合金基体上232喷涂FeO涂层，作为磁性传感材料用于转矩传感器上。342.2在汽车维修过程中的应用在汽车行驶过程中因磨损而失效的零部件可以采用热喷涂技术将尺寸恢复到原始尺寸并进行加工处理，这样在不降低使用性能的条件下，可以减少维修成本。载重汽车发动机负荷大，工作时主轴瓦与主轴承座孔内表面沿圆周方向相对运动，导致轴承瓦背和座孔磨损，其圆度、圆柱度误差超差，

11、严重时，还会发生“抱轴”故障，使缸体报废。对这种情况，可以对磨损量较大的轴承座孔采用热喷涂工艺，通过加工使之恢复到标准尺寸。对于气缸、活塞、曲轴等运动部件因磨损产生的失效，都可以采用热喷涂方法来修复。如对因磨损而失效的汽车齿轮轴，采用G314铁基合金粉作为喷涂材料进行等离子喷涂，修复后可完全达到原来的质量要求，延长了使用寿命，具有明显的经济效益。3.0汽车上常用涂层简介3.1 Zn(-R)涂层随着全球环保法规越来越严格的要求、汽车制造技术的提高及汽车使用寿命的延长，现代汽车制造企业对汽车零部件防护性镀涂层的耐腐蚀性能提出了越来越严格要求的同时又对镀层提出了耐热性能、摩擦系数的要求，以适应现代汽

12、车发动机的工况环境及满足现代汽车装配技术发展的需要，具体要求和指标见表1。目标：功能性防腐12年，装饰性防腐6年。部分国悴汽辛镀锌及锌含金擢屢盐雾标准制遗商或层盐界试验前站冲击条件盐雾適过的吋间几厚度曲标准白锈红锈宝马锌-铁合金12orX24h-1&08GSSOT100锌1201CX彰h一480S粹-臻合金150JCX2h一7206菲豎特锌120TX1h200Y&500色7505-2595740S褊特悴-狐昔金无1的500WSSMJP87梅赛第斯-奔龜锌-铁合金12OTCX24h3两&QQ68及101&DBLE451锌-骡合金12O1CX24h480720E&#

13、163;灵1015通用-欧宝锌50X?Xh120芮色480815GME0D2S2锌-掠合金15QX?X：1h120Bl&Naeo6&标毁雪铁龙锌1201CX1h20010Bl54101锌-铁合金锌-牯合金i2orxih20010锌-镣合金12GX1h2007205TB1&41O2IftJiCXlh20060010OlTlOOSh锌-掠合金i2orxih240912&Cde4700Q大恢锌12OTCX24h1204805豺VW137&OTL24斗锌-镰合金120*CX24h2'40/4807205-8沃尔沃锌/锌铁合金120TCX1h(部分)200

14、400S-15STDS73210日产锌1&8480325M4O40丰田锌723125-25TSH&500G镀锌钝化是汽车零件最常见的防护性处理工艺，然而由于锌的电位较负，镀锌层作为阳极镀层会很快遭到腐蚀，进而发生基体材料的腐蚀。因此镀锌工艺已跟不上现代汽车严酷的使用环境与苛刻的质量要求。一批耐蚀性能更好，而且具有耐热、低氢脆性、良好加工性能的锌合金镀层如镀ZnNi、ZnFe、ZnTi、ZnCo、ZnSn等合金镀层在现代汽车上获得应用。ZnAl、ZnMg合金镀层的耐腐蚀性能更加优良，作为汽车钢板的镀层正在研究开发中。表4（数据来源同表1）列出锌合金镀层极其优良的耐腐蚀性能（在外部

15、环境中暴露4年）表汽车使用环境测试结果序项目技术指标121外观涂层呈银灰色或黑色，不允许漏涂、起泡、流挂、堆积、变色、划伤及其他不良缺陷；不允许有明显粗沉积物、附有异物等缺陷存在；小的黄色斑点和轻微的划伤可视为合格。2附着力满足6.2.2的规定。3耐中性盐雾腐蚀试验（h）5007204耐湿热腐蚀试验（h）240h后无气泡或其他的剥离现彖，无基体金属腐蚀。经30min（23C±2-C）温度调节后仍能满足附着性要求。5耐二氧化硫腐蚀性能10个循环不出现基体腐蚀产物（三涂三烘）。6涂层厚度（um）418818注：螺纹件涂层厚度应满足需旋合性要求Zn-Al喷涂Zn.A1合金涂层主要集中在Zn

16、.15wt%Al合会涂层上。因为当Al含量大于15时，材料将变硬变脆致使材料不易拉拔成丝材，因此铝含量的提高十分困难。Zn-15%A1合会涂层兼具纯Zn、纯Al涂层优异性能、又相互补充了各自技术的缺陷，因此，综合了Zn、A1涂层各自的性能优点。首先，Zn能够为涂层提供有效的电化学活性，使涂层具有优异阴极保护性能，其次，Al在喷涂时能够形成A1O强化涂层，从而使其耐磨性和抗蚀性都就明显提高。Zn.15wt%23A1合金涂层电化学性质在静特性与相似电位方面接近Zn，在动特性方面与Al相似，腐蚀速率与Al相近，其综合性能要明显优于纯Zn、纯Al涂层。另外，锌铝合会丝材在热喷涂时，与纯锌丝喷涂时相比，

17、喷涂过程稳定，不易产生有毒烟雾，生产环境友好。因此，近年来获得了广泛的应用。Zn-Al-Mg涂层和Zn-Al-Mg-Re涂层为了进一步提高涂层的耐蚀性能，研究者在喷涂材料中添加了少量的Mg或者Mg+Re元素，并通过喷涂不同材料的丝材或喷涂粉芯丝材的方法获得相应的Zn-Al-Mg涂层或者Zn-Al.Mg-Re涂层。对于Zn-Al-Mg涂层来说，Mg元素在涂层中的作用是形成尖晶石氧化膜以改善涂层中Al的阴极保护作用，且Al-Mg薄层具有一定的自封闭能力。Zn-Al-Mg系列合金涂层也展开了研究，徐滨士等采用高速电弧喷涂粉芯丝材技术制备了不同Al.Mg含量的Zn-Al-Mg系列合金涂层，并通过盐雾腐

18、蚀试验和电化学腐蚀试验研究了Al.Mg对涂层耐腐蚀性能的影响。对于Zn-Al-Mg-Re涂层来说，RE元素的主要作用是细化雾化熔滴的尺寸，改善喷涂雾化效果。试验表明RE加入后涂层中扁平颗粒厚度明显变薄，喷涂层的孔隙率明显较小，涂层的抗腐蚀性能有所提高。3.2 纳米结构金属陶瓷涂层纳米结构金属陶瓷涂层就是采用喷涂技术，在金属基体上制备具有金属和陶瓷优点的纳米结构的金属陶瓷涂层，使材料具有更加优异的性能。它的特点是能有机地把金属材料的强韧性、易加工性等和陶瓷材料的耐高温、耐磨和耐腐蚀等特性结合起来。而且涂层的可加工性好，涂层损坏后可再进行喷涂。喷涂涂层技术的应用领域十分广泛，主要有：1) 热障涂层

19、。对于承受温度高达1100的燃气轮机部件，已超过了镍基高温合金使用的温度极限(1075°C)，有效的解决办法是涂敷绝热性好的高熔点金属陶瓷涂层，称热障涂层。热障涂层主要用于航空、舰船及陆用燃气轮机的受热部件以及民用内燃机、增压涡轮、冶金工业用喷氧枪等器件。2) 抗高温黏着磨损涂层。热处理炉辊、支承辊、烧结炉辊等高温辊子多在8001200C高温下运行，采用喷涂技术，在高温炉辊表面喷涂金属陶瓷涂层，具有良好的耐高温、抗氧化、抗黏着、防节瘤和自清理净化功能，既可显著提高炉辊使用寿命，又能生产表面光洁质量优良的钢材。3）耐磨损耐腐蚀涂层。化工厂用高压往复式计量泵柱塞，采用喷涂AlO，23一T

20、iO复合涂层代替传统的镀铬工艺，其使用寿命提高了6倍。在低应力滑动2磨损和磨蚀工况下，几乎所有原有镀铬的制品都可以用热喷陶瓷涂层代替。3.2.1 纳米陶瓷涂层在活塞环上的应用如果说内燃机的质量好坏、性能优劣及科技含量的高低影响和制约了汽车工业的发展，那么，完全有理由相信：内燃机活塞环技术的发展同样深刻地影响着内燃机的生存与发展。在往复式内燃机中，活塞环既是运动件，又是密封件。活塞环要在高速的往复运动状态下，在高温、高压燃气的作用下完成对汽缸壁的密封作用。活塞环与汽缸这对摩擦副的耐磨性能至关重要，它直接影响到内燃机的使用寿命、可靠性和效率。发动机工作时，活塞及活塞环在汽缸内做高速往复直线运动，并

21、通过机油所形成的油膜与汽缸内壁紧密接触。在正常情况下，由于油膜的隔离和缓冲作用，活塞及活塞环并不与汽缸直接接触，但是，在某些特定的情况下，两者会直接接触，发生滑动摩擦，并产生大量的热量，若散热条件得不到有效改善，可能会融化活塞、活塞环或汽缸内壁金属表面，使滑动摩擦面融合在一起，在活塞的高速运动中产生纵向拉痕，严重时两者抱死，即发生所谓的拉缸现象。为了提高汽缸和活塞环之间的耐磨性和活塞环的耐热性，通常采用的方法是将活塞环进行镀铬处理以及对汽缸表面进行渗氮处理。而采用等离子喷涂纳米结构金属陶瓷涂层工艺，在活塞环的表面涂上一定厚度的纳米结构的金属陶瓷涂层可以提高活塞环的耐磨、耐热性。由于纳米材料和陶

22、瓷材料均具有特殊的性能，因此，喷涂了这种涂层的活塞环，即使内燃机在长时间过热的情况下工作也不会出现环被“烧伤”的现象，而且活塞环的工作表面仍保持良好润滑状况。3.2.2 纳米陶瓷涂层在曲轴轴瓦上的应用发动机曲轴与轴瓦之间是滑动摩擦。柴油机轴瓦的理想工作状态是处于完全液体润滑状态，即轴瓦与轴颈表面被一层油膜完全隔开而不直接接触。轴瓦失效的直接原因是润滑不足或油膜间隙被破坏。润滑不足会导致润滑局部恶化或短期没有润滑油，当严重不足或持续时间长时，轴承表面温度显著上升。随着温度升高，轴瓦和轴颈产生膨胀和变形，二者的间隙逐渐减小，导致金属与金属接触的严重程度提高，轴颈中的润滑油发生燃烧，使得温度在原来的

23、基础上进一步升高。然后发生粘结、撕裂轴承表面或使轴承在轴承孔中旋转，严重时会发生上下瓦重叠，使曲轴和轴承孔损坏。为了提高轴瓦的耐磨性、耐热性，采用在轴瓦内测表面喷涂一层耐摩擦、耐高温的纳米结构金属陶瓷涂层，可以使耐磨性提高数倍甚至数1O倍。正是由于纳米材料的加入，在使涂层致密化的同时，又起到了增韧补强的作用，这是涂层耐磨性能得以提高的根本所在。同时，纳米材料和金属陶瓷材料自身所具有的耐高温性能，降低了曲轴和轴瓦之间的干摩擦，使损失减小到最低限度。3.2.3纳米陶瓷涂层在离合器摩擦面片上的应用汽车离合器靠摩擦来传递动力。当汽车行驶时，离合器的主动部件和从动盘相互压紧而一起旋转，但在起步、换档过程

24、中，主、从动件之间相对摩擦，从动盘摩擦片发热并发生磨损。离合器的使用寿命主要取决于其从动盘摩擦片的耐磨性J。通常汽车离合器从动盘摩擦片采用树脂基石棉材料做成。在160°C以上树脂片自身及其对偶件的磨损量都急剧增大，而金属陶瓷片在250C以上仍保持很好的耐磨性，其对偶的磨损也很小。另一方面，金属陶瓷摩擦材料对铸铁的摩擦系数要比树脂石棉片对铸铁的摩擦系数高一些，因此用金属陶瓷摩擦片的离合器在同一夹紧载荷下，能比采用树脂片的离合器提供更大的摩擦力矩，亦即在保证相同的扭矩容量下所用的夹紧载荷可减小125，从而使离合器接合更柔和，在相同夹紧力下扭矩可提高28以上。另外，还可以在离合器摩擦片表面

25、喷涂一层纳米结构金属陶瓷涂层材料，可以进一步增强其耐磨性和耐热性能，提高了离合器摩擦片的使用寿命3.3 WC-Co涂层热喷涂WC-Co涂层具有较高硬度和耐磨性，广泛地应用于提高基体金属耐磨性的许多领域。WC,Co基合金中，WC是弥散硬质相.Co是粘结剂，把WC弥散硬质相颗粒粘结在一起，随着Cc含量的增加，合金耐磨性提高。因此广泛应用于汽车领域的的耐磨性构件，如活塞环，曲轴等。目前制备wcCo涂层的热喷涂方法主要有等离子喷涂(APS)、爆炸喷涂(DGun)、冷喷涂(ColdSpray)及超音速火焰喷涂(HV0F)四种方法。等离子喷涂技术的显著特点是等离子体射流温度高，由于等离子焰流温度过高(&g

26、t;10000°C),速度较低，因此在制备WC-Co涂层时WC颗粒会因高温及在等离子射流中停留时间长，导致过热、氧化、脱碳及烧结，从影响涂层的耐磨性，致使等离子喷涂在制备WC-Co涂层方面的应用受到了限制。爆炸喷涂制备的WC-Co涂层，结合强度是等离子喷涂的2倍以上，涂层硬度比等离子喷涂高50以上，涂层孔隙率可低于05，因此它发明以来就是制备WC-Co涂层的主要工艺方法，其不足之处是喷涂成本高，生产效率低。冷喷涂技术的出现，为WC-Co涂层的制备提供了另一种可选择的制备方法。对于WC-Co涂层，冷喷涂可以有效避免其它喷涂方法带来的WC的分解问题。但是由于冷喷涂是在温度低于熔点的环境中

27、进行，沉积过程是依靠WC-Co粒子的塑性变形来进行的，喷涂中WC-Co粒子变形能力有限，使得WC-Co涂层难以实现高效沉积，这种工艺方法目前仍在不断发展及完善。超音速火焰(HighVelocityOxyFuel，简称HVOF)喷涂技术是20世纪80年代发展起来的一种高速火焰喷涂工艺，其突出的特点是火焰速度高，可达2000m/s以上，温度较等离子喷涂低，约为3000C，可有效防止喷涂过程中粒子的过度氧化，特别适合喷涂加热后易于分解的WC-Co金属陶瓷材料。HVOF喷涂优异的低温、高速特性使WC-Co金属陶瓷涂层保持良好的组织结构，涂层具有结合强度高，致密性好，耐磨性能优越等优点。由于HVOF喷涂的WC-Co涂层质量与爆炸喷涂的质量相当，并且HVOF喷涂成本相对爆炸喷涂低，喷涂效率高，因此HVOF工艺出现后快速地取代了爆炸喷涂。HVOF工艺发展迅速，根据使用燃料及助燃剂种类的不同，目前已有JetKote、JP5000、DiamondJet、HVAF、ACHVAF等不同种类的超音速火焰喷涂方法可供选择，因