表面喷涂技术在内燃机缸套上的应用
李福村 孙宏飞 燕友增 高 鹏
工 艺 与 装 备
摘 要：气缸套是内燃机中工作环境最为恶劣的零部件之一，磨损快且易产生拉缸现象。基于表面技术在气缸套上的应用现状，采用等离子喷涂技术在缸套内壁喷涂耐高温、耐磨损的陶瓷涂层来增强缸套的寿命。试验结果表明：等离子喷涂Al2O3/ TiO2陶瓷气缸套耐磨性好，性价比高，非常值得在缸套行业进行推广应用。
关键词：表面技术 等离子喷涂 气缸套 磨损 陶瓷涂层
1引言
内燃机是汽车最关键的部件之一，内燃机技术水平的高低，直接影响着汽车工业的发展。评价内燃机一个重要指标就是气缸套的耐用度。气缸套是内燃机中工作环境最为恶劣的零部件之一，它承受高温高压的冲击和活塞环的往复摩擦，磨损较快且易产生拉缸现象。本课题组采用热喷涂方法在缸套内壁获得耐高温、耐磨损的陶瓷涂层。试验证明气缸套的应用寿命提高了两倍以上，使装有陶瓷气缸套的内燃机具有很强的竞争力。
该种陶瓷缸套将成为内燃机用缸套的替代产品，使安装有陶瓷气缸套的整机（如汽车等）使用寿命大大提高，不但能够占领国内市场，也同样使其在国际市场具有一定的竞争力。
2试验部分
2.1材料和设备
内 径102mm、长210mm壁 厚5mm的 缸 套 九 个 。50mm×50mm×5mm的试样九个。缸套及试样均为高磷铸铁。将九个缸套均分为 ABC 三个组。打底层均喷涂 NiCrAl粉末，粉末粒度直径20~50μm，喷涂厚度50~100μm。A组：喷涂TiO2+ Al2O3（13%TiO2）陶瓷涂层；B组：喷涂Cr3C2- NiCr（25% NiCr）陶瓷涂层；C组：喷涂Ni60／Mo（30% Mo）复合材料涂层。
2.2实验数据的处理与分析
（1）Al2O3+ TiO2涂层显微组织分析Al2O3+TiO2（下文中简称AT13） 复合陶瓷涂层呈层片状，涂层较致密，颗粒变形充分，尺寸细小均匀，涂层内部有少量孔隙，极少的氧化物夹杂。涂层之间、涂层与打底层以及打底层与钢基体之间都结合良好。整个涂层与基材的界面呈锯齿状，结合形式属于以机械锚合为主,同时产生部分微冶金结合。
由图1（b），可以看出涂层的主要物相是γ- Al2O3、TiO2及α- Al2O3。此结果与涂层的显微组织和成分分布吻合。由透射电镜的衍射结果可知，AT13等离子涂层主要含有面心立方结构的亚稳相γ- Al2O3、密排六方结构的稳定相α- Al2O3、正方结构的金红石 TiO2这几种相。图中的白色组织为富Al2O3区；涂层中鳞片状和斑点状黑色组织为富TiO2区；灰色组织为Al2O3和TiO2混合组织区，灰色组织为主要成分，是由于喷涂温度比较高,部分熔化的Al2O3和大部分熔化的TiO2混合在一起形成了Al2O3+TiO2机械混合组织。在 Al2O3中加入TiO2虽然会降低涂层硬度，但能提高涂层致密性和改善韧性，喷涂时高熔点的Al2O3（2030℃）形成了多孔的骨架，而熔点相对较低的TiO2会被熔融，填充在Al2O3的孔隙中，从而增强涂层韧性。
（2）Ni60- Mo（30%）涂层显微组织分析由图3（a）所示，组织形貌为堆积层片状，各层间有明显的界面。涂层较致密，颗粒变形充分，涂层内部有少量孔隙。整个涂层与基材的界面呈锯齿状，结合形式主要是机械锚合，还有部分微冶金结合。
图3（b）中，浅色区域为Mo基固溶体、深色区域主要为 Ni 基固溶体、Cr7C3、Cr23C6等硬质相。弥散分布的灰黑色小颗粒是 Cr7C3和Cr23C6相。
这些相的存在能大大提高涂层的耐磨和耐蚀性能。Cr的硼化物和碳化物以及少量的铁硼化物形成高硬度金属间化合物，提高了涂层硬度和耐磨性，改善了涂层在高载荷下的摩擦磨损性能。
（3）Cr3C2- NiCr涂层显微组织分析Cr3C2- NiCr涂层涂层致密、均匀，涂层与过渡层、过渡层与基体均结合良好，无裂纹、夹杂等缺陷。涂层由扁平粒子构成的层絮状结构，母材组织与喷涂前相比无晶粒长大现象，涂层晶粒渗入母材晶界。界面上有极少量孔洞，这些空洞是由于喷砂方向与喷涂层方向不一致造成的。黑相是 Cr3C2相，白相为NiCr相。由图 4 （b） 知：Cr3C2- NiCr涂层中主要含有γ- Ni（镍基固溶体）、Cr3C2、Cr7C3、Cr23C6、Cr2O3（硬质强化相）。这几种硬质强化相不但硬度高，还有很好的高温稳定性和抗氧化、耐腐蚀的性能，能大大提高涂层的耐磨和耐蚀性能。但含量过多会降低涂层的结合强度。
（4）涂层力学性能检测结果与分析
从图表中可以明显看出Al2O3+TiO2涂层的显微硬度值要高于Cr3C2- NiCr和Ni60/Mo,体现出了更强的耐磨性。
（5）涂层磨粒磨损性能的研究在三种涂层试样中，Cr3C2- NiCr涂层表现出了类似高磷铸铁的较平直磨痕，但Cr3C2- NiCr的磨痕较细较浅，有许多明显的凸起点和切削唇，这是涂层中的硬质相；主要磨削机理是犁削和切削。在图（a）中 AT13 涂层上几乎看不到贯穿整张图片的犁沟磨痕，变形被限制在一个靠近刻痕的窄区中，没有发现明显可见的剪切带，多数磨痕都不连续，磨痕的宽度非常窄，深度非常浅。其磨损机理是切削和脆性断裂或脱落磨损。Ni60/Mo的磨痕特征介于AT13与Cr3C2- NiCr之间，仔细观察可以发现有些条痕，沟槽(犁沟)、凹坑在一些硬质颗粒处断开，绕开后又继续产生新的磨痕。
4结论
（1）自行设计研制出了一种新型陶瓷气缸套，该缸套的综合性能优异，能够比目前市场上应用的未处理的缸套的使用寿命提高2倍以上。
（2）AT13陶瓷喷涂材料的耐磨性能突出，结合强度和热震性等性能完全符合缸套的工作环境，价格便宜，是喷涂缸套的最佳涂层材料。
（3） 在等离子喷涂层中设计了少量孔隙，试验证明：这些孔隙有储油功能，在油润滑的工作状况下能够很好的增强缸套的耐磨性。
对今后工作的建议：
1、陶瓷气缸套的台架试验以后有条件应进行检测。2、除上述材料外，以后还应扩大耐磨材料的研究种类，寻求最佳缸套表面处理材料。3、通过对涂层进行热应力分析，来寻求控制涂层应力，增强涂层结合强度的新工艺。
参考文献略
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