热喷涂技术及其在汽车上的应用

　　热喷涂技术及其在汽车上的应用
　　万春锋　代新雷　刘红霞
　　山西建筑
　　摘　要:详细地介绍了喷涂的工艺方法和特点,阐述了热喷涂技术在汽车制造业、汽车维修中的应用,最后提出了热喷涂技术的发展方向,以推广热喷涂技术的应用。
　　关键词:热喷涂,汽车,表面处理
　　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。文中主要对热喷涂技术的工艺方法及其在汽车工业中的应用现状、发展趋势进行分析和论述。
　　1　热喷涂的方法及特点
　　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2 500℃。火焰喷涂方法比较简单,设备也不复杂。
　　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。
　　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80 mm范围内,气流速度可达到600 m/s,金属熔滴的雾化效果显著提高,涂层粒径仅为传统电弧喷涂粒径的1/3~1/8,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]。
　　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100 MPa以上、涂层致密、孔隙率小于1%。工件热损伤小。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。近几十年来等离子喷涂技术发展很快,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。
　　1.5　冷喷涂
　　冷喷涂全名为冷空气动力喷涂法(CGDS: Cold Gas DynamicSpray),是指当具有一定塑性的高速固态粒子与基体碰撞后,经过强烈的塑性变形而发生沉积形成涂层的方法。试验发现,要使高速固态粒子在基体表面沉积,粒子的速度需要超过某一临界值,该临界速度与金属材料种类有关,一般认为在400 m/s~500 m/s。
　　2　热喷涂技术在汽车工业中的应用
　　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。
　　2.1　在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HVOF工艺,喷涂上Cr3C2-NiCr涂层,可以提高活塞环的耐磨性;采用等离子喷涂对气缸孔喷涂钼合金,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-Al和Ni-Al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,对铂和氧化锆基体采用等离子喷涂上含A12O3-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A12O3-TiO2陶瓷涂层,可以降低分电器噪音;在铝合金基体上喷涂Fe3O4涂层,作为磁性传感材料用于转矩传感器上。
　　2.2　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,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　热喷涂技术的发展方向
　　在汽车工业上,为了减轻整车质量达到降低能耗,逐步采用铝合金取代传统金属材料,同时还要保持或提高原设计和选用材料的性能。因此,在轻质合金上喷涂不同涂层,针对不同需求进行处理,可以简化工艺过程、降低成本,并提高整车性能。新型的功能性涂层,如高隔热涂层、低噪声涂层、磁性传感功能涂层、高精度抗蚀涂层、代铬涂层均有较好的应用前景。为适合汽车零部件生产大批量、低成本、高质量的要求,对喷涂过程自动化、智能化、高精度、高效率要求越来越高。同步环、活塞环、发动机的气门挺杆以及氧传感器探头等部件的热喷涂技术现在已比较成熟,而其他部件上的应用还没有被广泛推广。
　　同时,热喷涂技术基本上还处于工艺性的阶段,涂层质量主要依靠经验和严格的规程来保证。涂层质量与喷涂工艺方法及工艺参数有十分紧密的关系,标准工艺参数的重现性和稳定性是保证涂层质量的最基本环节。工艺参数变化影响因素诸多,热功率的大小、热温度的分布、喷涂粒子的速度等,均成为影响涂层质量的重要因素。热喷涂技术在汽车工业上广泛使用,还需要从以下几个方面进行发展:
　　1)提高涂层质量的检测手段,并简化检测工艺。通过采用光学显微镜、电子显微镜、X射线衍射等检测技术,研究涂层的显微组织特性,分析喷涂过程对涂层结构和涂层性能的影响,预测涂层使用性能。
　　2)加强新型涂层材料的研究,改进涂层材料的制备工艺,以提高涂层材料的结合强度、降低制造成本。
　　3)开发新型智能热喷涂设备,实现涂层质量的在线控制。
　　参考文献:
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　　[2]赵文轸.材料表面工程导论[M].西安:西安交通大学出版社,1998.
　　[3]张健全.热喷涂技术的发展及应用[J].山西焦煤科技,2006(8):64-65.
　　[4]申振华.热喷涂技术的发展及其在航空工业中的应用[J].航空发动机,2001(2):29-30.
　　
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