未来高性能发动机活塞环的热喷涂发展
M.Deiaet C.Coddet 寇旭渤 李忠林 译
内燃机配件
〔摘要〕等离子喷涂由于适用材料广泛,能够满足许多摩擦学性能,因而在欧洲得到极大的发展。喷涂参数对于改进涂层结构,从而改进涂层磨损、结合力、内聚力及耐腐蚀性能非常重要。首先研究了喷涂用等离子气体,然后通过试验优选了所有喷涂参数。除喷涂参数外,粉末成份对涂层摩擦学性能也有较大影响。为降低活塞环-缸套摩擦副磨损,对几种粉末进行了对比试验。通过理想化试验与发动机试验相结合,表征了一些钼基涂层的摩擦学行为。
〔关键词〕发动机 活塞环 热喷涂
1 引言
高寿命与高性能是大功率柴油发动机的发展要求,其寿命至少应在1百万公里以上。
越来越多的涡轮增压发动机向大功率、低燃油耗方向发展,其更高的爆燃压力(≈160bars)和温度(高达300℃)导致了一般的镀硬铬处理活塞环被等离子喷涂活塞环所取代,这样才能保证更高的抗拉缸能力。当使用高硫燃料时,则需要更高的耐腐蚀性能,以保持或增加其使用寿命。从环保、空气污染及人类健康角度考虑,降低柴油机尾气排放污染已引起社会广泛关注,为降低微粒排放量,它主要由未充分燃烧的燃油与机油组成,我们希望降低油耗,这主要决定于第一道活塞环的外圆面轮廓形状。工业上已经应用的活塞环等离子喷涂层基本形状有三种,如图1所示。
镶嵌设计的活塞环无倒角,具有气密性好与油耗低的特点,能够达到发动机的期望寿命,这种环岸部还能保护涂层不受发动机内部有害粒子的擦伤或剥落,但是环岸部位的热应力与机械应力可能导致涂层的剥落(见图2)。当表面预处理时喷砂的角度以及热喷涂过程中粉末喷涂角度,不等于90°时,都可能导致界面结合弱点。全涂层设计尽管不象镶嵌设计那样具有高的应力,但它完全受到来自三个面的作用力,因此可能受到有害材料的擦伤,气体腐蚀也可能导致涂层结构的破坏。同镶嵌设计活塞环的尖边相比,全涂层设计需要倒角或倒圆,但这样会导致漏气量和油耗增加。半镶嵌设计活塞环兼具前面两种设计的优缺点,具有较好的气密性,环岸部位的涂层剪切应力也有所降低。尽管如此,一般仍然选择镶嵌设计作为活塞环工作面。
缸套内极高的气体压力导致作用于镶嵌设计活塞环上的负荷极高(见图3)。热喷涂层的好坏可通过两方面来评定:一是高的内聚强度,它可以抵抗作用于涂层的各种应力;二是高的结合强度,它可以保证涂层与基体材料的牢固结合。要注意界面结合强度部分地受控于活塞环-缸套摩擦副的互溶性及摩擦特性:磨损表面上的力越小,则界面结合处应力越小。内聚强度决定涂层的粘附力、内聚性能、硬度及表面粗糙度,因而是主要结构特性,它应满足未来大功率柴油机的发展需要.
元素钼仍然是活塞环涂层的主要成份,它具有优异的抗粘着特性。各国正在研究取代材料,如特级难熔材料,以便适用于更大范围的缸套材料与燃油成份。
尽管有其它热喷涂工艺值得考虑用以改进活塞环涂层,大气等离子喷涂工艺仍然是涂层生产中最广泛采用的。
发动机越来越恶劣的工作条件要求采用高强度材料基体,例如球墨铸铁,其硬度较高,接受等离子喷涂能力较强,所以,本研究中所有试验都是基于球墨铸铁的(见表1).
2 喷涂参数对涂层耐磨损性的影响
2.1 等离子气体 涂层的结构特点例如孔隙率、均匀性,未熔粒子、氧化物夹杂等决定了涂层的机械与摩擦学性能,从而决定了活塞环的使用性能。目前,一种钼基粉末(其成份见表2)在欧洲被广泛用于等离子喷涂生产中,分别用氮和氢作主要的和辅助的等离子气体(见图4)。
分别用氮气和氩气作主离子气对长方形试样进行了等离子喷涂第一次试验。从微观角度对涂层的研究表明:这两种涂层的元素比例有些差异,这样就改进了涂层硬度(氩气600HV0. 3,而氮气才520HV0.3)。而且用氩气作主离子气对改进涂层内部Mo与NiCrBSi薄片之间的均匀性具有好的影响(见图5)。
这种现象源自从N/H到Ar/H等离子体热焓的变化。氮基等离子体是低粘性的(伴有高氧气比率和低粉粒速度的紊流喷射),这样就会导致氧化物、气孔率、粉末蒸发和非均匀的涂层。最后表现出:结构越精细,则研磨后表面越光滑(用氩作离子气Ra≈0.23μm,而用氮作离子气Ra≈0.54μm)。
由于我们要揭示涂层抗磨损性主要地依赖于初始表面粗糙度,所以这一讨论将是首要的。
2.2 摩擦学试验 为比较涂层的摩擦学性能方便起见,采用了基于Amsler装置的试验。在试验期间摩擦条件是极为严格的(无润滑、高负载),以便于达到可与那些重载发动机上所测值相比较的活塞环与缸套磨损。
Amsler试验装置由两个圆形的试样组成:厚度相等而半径不同(见图6)。试样一是铸铁(545HV0.3),表面热喷涂粉末后磨光,试样二是灰铸铁(199HV0.3),它是软缸套的代表物(详见后面“发动机试验”部分)。
如图6所示,试验中两个试样相接触放置;它们分别以不同的线速度作旋转运动,通过加载和滑动就产生一种摩擦状态。对所有研究的涂层,试验参数如下:
·施加载荷:20kgf
·试样旋转速度:V1=200tr/min
V2=180tr/min
·无润滑(为了缩短试验时间和保证试验足够严格)
·室温(试验过程中温度会升高,它是不可控的)
·试验时间:80min
这样的试验可以测量涂层摩擦系数和磨损,注意每一次试验中所测量的摩擦系数被定义为切向力与法向力之比。
通过Amsler装置对具有满意表面粗糙度和粘附性能的涂层进行了试验,结果详见图7。
试验过程中摩擦系数增大是因为试样表面粗糙度发生了变化(磨损、物质的转移)。另一方面,当涂层以Ar(取代N2)作离子气进行喷涂时,摩擦力减小。涂层越精细、越均匀,则摩擦系数越小。涂层与灰铸铁试样的磨损可以从它们的重量损失进行推算,结果见图8。
喷涂时用Ar取代N2作离子气则涂层与配对的缸套磨损量减小,这可以由涂层均匀性提高和因而产生的摩擦系数降低所解释。
2.3 发动机试验 现在进行发动机试验来证实先前的磨损试验结果。所选发动机上使用的活塞环组如图9所示。顶环采用一个斜角形镶嵌设计作为外圆面,第二道和第三道环均采用工业活塞环。
发动机试验包括了一组400 h试验,采用φ131mm缸径的软缸套(从180到260HV)和铝活塞,表3总结了发动机参数与试验条件。
磨损过的活塞环外圆面,通常可以观察到两种情况(见图10)。通过表面扫描方法测得的磨损值总呈现出非均匀地分布在整个外圆面上。此外,由于活塞环上负荷分布不一致,与相对边测得的磨损值相比,在环隙附近磨损值增加。用这种方法,所有活塞环外圆面的平均磨损值可通过间隙增加量推导出来(见图11)。
经过400h试验后测量环隙增加值,并转化为半径值,这样,通过半径磨损数据就可以进行直接比较。在一道环上止点(TDC,见图12)处缸套磨损值通过沿圆周四个位置进行表面轴向扫描方法测定。
活塞环-缸套磨损数据如图13所示。当环涂层以Ar/H2作离子气喷涂时活塞环和缸套的磨损有所降低,因此可以认定更精细的结构,更低的孔隙率、更光滑的表面粗糙度以及更高的硬度能够提高涂层摩擦学性能。这也证明了通过优选等离子喷涂参数改善涂层的可能性和必要性。
最后值得提出的是Amsler试验与发动机试验结果之间可能存在一种关系(见图14)。这意味着Amsler装置可被用来预选一些新的涂层。但发动机试验对于最终被选的涂层是必要的。
2.4 设计试验来优选等离子喷涂参数 在优选等离子喷涂参数方法上,预先进行试验以辨别那些可能象等离子气体一样改变涂层特性的其它干涉因素。
首先,在喷涂粉末前试样用等离子焰进行预热(对于所有其它试验均选用Ar作主离子气),试样温度不超过80℃。然后,通过在喷涂过程中改变试样冷却条件进行试验。实际上,每次试验通过改变压缩空气射流轴线来实现冷却条件的改变(见图15)。
在涂层内部孔隙率、硬度、Mo和NiCrBSi粒子比率对活塞环摩擦学性能具有很大作用,对试样进行了测量。涂层内聚力也必须改进以避免在发动机内剥落。通过对薄钢板进行等离子喷涂并测量最终变形量,可以得到涂层内部拉应力的信息(见图16)。图17中显示的结果表明试样预热与冷却条件均改变涂层结构特点,与等离子气体的作用类似。因此,使用基于Tagushi方法学的一个工程工具,通过优选等离子弧喷涂参数,可用来开发一种新的活塞环涂层。
这一质量工程方法使用L12正交试验及方差分析以减少实际试验次数。本次研究筛选的因素列于表4。在所设计试验中使用试样,涂层内部气孔率、内应力可从薄钢板变形量推算出来。硬度与喷涂速率直接测量(见表5)。
能够影响环-套摩擦行为和涂层结合力的主要参数是孔隙率、内应力和硬度。方差分析揭示出这样一些因素,它们应被考虑用来优选所有的涂层性能,这样就从所设计试验中推导出新的喷涂参数,目的是为了生产出具有最佳摩擦学性能的涂层(见表6)。现在可以进行活塞环喷涂和发动机试验。
3 粉末的化学与结构组成对涂层磨损行为的影响
3.1 选择粉末 不仅喷涂参数,粉末的化学与结构组成也对涂层摩擦学性能产生重要影响。因此研究了新的粉末配方以降低环-套系统磨损。
所研究粉末可用于大量生产的如下表所示,对它们的化学与结构组成也进行了表述。关于工业用涂层,一种提高涂层硬度的方法是等离子喷涂钼基粉末,并加入占优势的NiCrBSi粒子(PC2)。分别使用N2和Ar作主离子气进行热喷涂试验,这种涂层的显微分析表明初始元素比例保持不变而粒子分布比较均匀。然而硬度(580HV0.3)类似于用Ar喷涂得到的结果(PC1/Ar:600 HV0.3)。此外,涂层/基体界面出现裂纹,证明涂层的结合力是弱的。
现在研究钼和碳化物基涂层。PC3粉末由Mo、Cr3C2和NiCrBSi粒子的机械混合物组成。根据化学成分和粒子尺寸(见图18),这种粉末的不纯性也可以从低倍涂层组织观察到,甚至发现了一些未熔化的Cr3C2粒子。然而其结合力似乎是满意的(涂层/基体界面无裂纹),且涂层硬度很高(≈600HV0.3)。
为减少涂层结构不纯性,Cr3C2和Mo粒子被预先合金化,然后和NiCrBSi粒子机械地混合(PC4—PC6)(PC7使用Mo2C取代Cr3C2粒子)。PC4粉末当用N2作离子气进行喷涂时,涂层结合力较高(界面无裂纹),并具有高的抗腐蚀能力和高的硬度(600HV0.3),并且研磨后表面粗糙度与其它涂层相比特别光滑。
PC5、PC6与PC7当用Ar作离子气进行喷涂时,得到的涂层与PC4粉末有类似的碳化物比例,而且分布均匀。另一方面,Cr3C2比例的增加将使硬度增加(当Cr3C2比例增加约4%时,从731HV增加到790HV),但不能提高涂层结合质量(当Cr3C2比例高时,界面产生裂纹)。另一方面,Mo2C增加,涂层的硬度降低(599HV),这是Mo2C采用大气等离子喷涂时发生脱碳的结果。
下一个要研究的涂层使用超音速喷涂方法,依赖其高的粒子速度可以提高涂层密度和结合强度。因此,一种高速氧燃料(HVOF)喷枪被用来喷涂Cr3C2和NiCrBSi混合粒子(PC8)。硬度达到了我们的目标(1000HV0.3),然而涂层结合力很弱(界面产生裂纹);喷涂过程中基体冷却不充分(温度≈150℃),这样会降低涂层的机械性能。
最后为了优选涂层硬度、提高耐腐蚀性能、避免粘着剥落,研究了一种Al2O3-TiO2基陶瓷粉末(PC9),使用Ar进行等离子喷涂,就制造出一种致密的、均匀的低孔涂层:密度较低、硬度为885HV。只是熔敷效率较低(45%),需要通过改进喷涂参数加以改善。总结(见表8)表明粉末中Cr3C2比例增加对涂层硬度的增加有必然的影响;从提高涂层硬度方面来说,粉末中加入Cr3C2要比Mo2C效果好得多,这可以由喷涂过程中Cr3C2的高硬性以及Mo2C的高温分解来解释;增加NiCrBSi含量会降低结合强度。最后,上述研究表明HVOF方法可以制造高硬度涂层但必须优选基体冷却方式,这样才能提高涂层结合性能。
我们的目标是采用Amsler装置与发动机试验两种手段对上述开发的涂层进行摩擦学性能表征。
4 摩擦学Amsler试验
4.1 摩擦系数分析 图19表示了与一些Amsler试验涂层相关的所测得的摩擦系数。在试验最后,按照摩擦系数分类,涂层被分成三组。使用PC9陶瓷基涂层达到了最好的结果,尽管在试验的最后摩擦系数有些增加。
试验还表明钼基涂层的摩擦系数受到NiCrBSi和碳化物粒子的影响,尽管如此结果却不尽相同:摩擦系数随碳化物含量的增加而增加,而NiCrBSi粒子则相反。
4.2 磨损的分析 值得注意的是一些涂层磨损值是负的(见图20)。这表明一些物质已经从缸套转移到活塞环,这样,此宏观的磨损测量就不能作为参考,将来使用微观分析可以获得真实的涂层磨损值。涂层对缸套的磨损(通过缸套磨损值来推断)应作为一个参数单独分析(见图21)。
缸套磨损与上述测得的摩擦系数之间似乎存在一种关系,考虑到它的摩擦性能,Mo与Cr3C2基涂层(PC5、PC6)比预期的磨损值要低。在这种情况下,涂层结构对提高耐磨损性能可能起到较大作用。
4.3 发动机试验 现进行发动机试验来证实一些新涂层的技术效益。在先前叙述的12升6缸重载发动机上进行了400h试验,磨损结果如图22所示。Cr3C2基涂层有降低活塞环磨损的趋势,然而,即使这种涂层的表面粗糙度是光滑的(PC4),但缸套磨损值超过了接受极限。因此,希望通过减少涂层内碳化物含量来避免较大的缸套磨损。
HVOF喷涂环(PC8)在发动机试验中出现粘着剥落,因此中断对其研究。然而由于采用HVOF方法可生产致密涂层,研制开发被持续。我们的目标是在基体Cr3C2/NiCr粉末中加入一些Mo粒子以保证在喷涂过程中好的粒子熔化效果。最后,使用Amsler装置对陶瓷基粉末涂层(PC9)进行摩擦学研究得到了较好的结果,正在被尽快的优化以进行发动机试验。
5 结论
上述研究表明喷涂条件对优选涂层结构是极其重要的,这样可降低滑动材料的磨损。
用氩作主离子气可提高熔敷效率,比使用氮可以得到更加致密的涂层。均匀的致密的涂层结构可以降低环-套摩擦副的磨损和摩擦系数。其它喷涂参数也对涂层结构特性表现出较大的作用:主离子气与辅助离子气的比例,预热和冷却条件等。所设计试验使我们能够优选喷涂参数,并进行了试验以证实我们的研究。不仅喷涂参数,粉末配方也对涂层摩擦学性能有重要影响,研究了多种具有不同化学和结构组成的粉末,并进行了热喷涂试验。
相对于NiCrBSi粒子来说,减少Mo粒子比例可以提高缸套耐磨损性能,但会影响到结合强度。
Cr3C2作为加强钼基涂层的硬质粒子,对硬度和抗断裂性能比Mo2C有更好的作用,但这种Mo2C粒子在Mo-Mo2C大气等离子喷涂时由于发生氧化而产生较大的脱碳。
最后用HVOF喷涂NiCr/Cr3C2粉末得到的涂层具有高的耐磨损性能,但由于在发动机试验中发生粘着剥落,摩擦性能不好。为制造出高耐磨损性、低摩擦系数的涂层正在进行更多的研究。下一步进行陶瓷基涂层发动机试验以证实这种涂层的效益,它在Amsler试验中显示出很好的摩擦学性能。
表9总结了涂层三种性能的数据,它对发动机应用是很重要的。要注意验证新涂层时发动机试验是必要的,尽管可以与Amsler装置上模拟试验结果相比较。
参考文献略
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