发动机气缸套渗陶试验

魏 剑 ，高 浩 ，刘建军 ，3，4，高广东 ，吴 龙 ，3，4

（1.三明学院 机电工程学院，福建 三明 365004；2.机械现代设计制造技术福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004；3.绿色铸锻及高端部件协同创新中心，福建 三明 365004；4.福建省铸锻零部件工程技术研究中心，福建 三明 365004；5.中原内配集团股份有限公司，河南 孟州 454750）

“金属陶瓷复合薄膜发动机”是适应节能、环保时代要求的新技术。缸套是发动机的核心零部件之一，工作环境非常恶劣。缸套的内孔表面受高温高压燃气的直接作用，并始终与活塞环及活塞裙部发生高速滑动摩擦，磨损较快，使气缸套内壁与活塞环间隙过早变大，造成发动机功率下降，启动困难，油耗增加，排放超标等问题。为了提高缸套耐磨性、耐腐蚀性，应用表面镀层、气相沉积、表面熔覆和热喷涂等涂覆技术，通过优化工艺和材料，制备出功能梯度镀铬涂层、陶瓷增强复合镀铬涂层、自润滑耐磨复合镀铬涂层等，以适应各种不同润滑及载荷条件，显著增强缸套表面摩擦学性能。

刘文科等研究铬铸铁、机车气缸套表面等离子喷涂Ni-Al-WC合金层、Al2O3-NiCrBSi和Mo-NiCrBSi复合涂层及组织性能，结果表明涂层中Mo颗粒熔化和铺展较好，使表面硬度、耐磨性和耐蚀性得到较大幅度提高，Mo含量对降低涂层摩擦系数有显著作用[1-2]。吴一飞等研究在柴油机气缸套内壁中的热喷涂WC-Co合金涂层和铁基涂层，该涂层可提高缸套的硬度、强度和耐蚀性,延长了其使用寿命[3-4]。毛俊元等通过研究发现，激光重熔-等离子喷涂陶瓷纳米涂层和NiCrBSi合金涂层在内燃机活塞环和气缸套内壁中均能达到提高活塞环和气缸套内壁的硬度、强度、耐磨性、耐腐蚀、抗高温和高压冲击性等要求[5-9]。李柏强等利用等离子喷涂技术分别在泥浆泵缸套、航空发动机缸套内壁制备WC-12Co、TiO2基涂层，该涂层具有优良的减摩耐磨性能[10-12]。郭圣刚等[13]采用磁控溅射方法在柴油机活塞销表面沉积了Cr、W、Cr与Ti 3种金属掺杂的类金刚石薄膜（DLC）涂层，掺杂Cr与Ti的DLC涂层以Cr、Ti单质和CrC、TiC化合物的形式存在，表面更加平滑，具有更高的膜-基结合强度、更优的摩擦学性能；掺杂W的DLC涂层，由于生成了WC化合物，涂层脆性高，韧性较差。Mohammad等[14-15]研究的在微压痕试验和划痕试验中多层Cr/CrCx梯度DLC涂层表现出良好的抗塑性变形能力和粘附强度，且在恒定的双层厚度下表现出结合高硬度和抗损伤性。由此可见等离子喷涂对基体的热影响小，具有较高的喷涂和沉积效率，且适宜的涂层能够很好地强化缸套等薄壁件的表面。本文利用极高温度等离子热源，在气缸套内表面制备出孔隙率低、硬度高、耐腐蚀的SiN、BN耐磨涂层，对其进行XRD分析，测量对比表层和基体硬度，与未渗陶缸套进行磨损性能比较研究，并进行腐蚀性能和台架试验，结果表明等离子喷涂SiN、BN耐磨涂层是一种可行的增强缸套性能的工艺方法。

1 试验材料与方法

实验用放电炉内的平均温度为150～180℃，压强为40 Pa左右。根据反应的化学平衡，按照1∶3.25∶7.5的比例通入硅烷、硼烷、氮气的混合气体。处理的时间一般为8 h，不翻转单次处理的时间一般为4 h，这之间冷却时间为0.5 h。实验工件是硬度在339 HV左右没有渗陶的气缸套。渗陶气缸套的表层相结构X射线衍射图谱由德国D8型X射线衍射仪测定，X射线波长为1.541 841×10-10m，CuKα靶，扫描范围20°～80°，扫描速度为 8°/min，步长为 0.02°。表层和基体的显微硬度采用 FMARS9000全自动显微硬度测量系统测定。摩擦磨损实验采用布鲁克公司生产的UMT-2摩擦磨损试验机，磨痕主要利用日本蔡司公司的场发射扫描电镜照片观察。

2 试验结果与分析

2.1 表层的表征与分析

利用X射线衍射仪对渗陶气缸套表层进行了测试，将得到的XRD图谱在MDI Jade 6软件中与标准 PDF卡片中的物质进行衍射峰的比较，从而确定出表层的物相组成（图1）。从图1谱图可知，涂层在2θ为26°和49°左右分别出现了BN和BxNy的衍射峰，在2θ为38°和55°左右分别出现了Si3N4的衍射峰，在2θ为45°和65°左右还出现了Fe的衍射峰。BN、BxNy和 Si3N4的存在说明在真空等离子喷涂过程中，硼烷、硅烷分别发生热分解并与N元素结合，在气缸套内表面附着了一层复合薄膜陶瓷。Fe的存在说明与气缸套基体材料间发生了相互扩散，在金属表面形成一种新型材料。

图1 涂层的XRD谱图

2.2 表层和基体硬度对比

试验中分别测量了真空等离子喷涂前后2个样品的基体表面显微硬度值、喷涂后表层及截面的显微硬度值和渗层深度，加载载荷设置为200 g，加载时间10 s，测量结果见表1～2。表1表明等离子喷涂表层硬度比基体有明显的提高，表2表明陶瓷薄膜与金属双相扩散形成梯度功能材料，不仅起到了过渡层结合牢固的作用，而且改善了陶瓷键连强度、提高了抗拉能力和抗弯曲能力，即提高了金属表面硬度，又改善了陶瓷的韧性，渗陶深度为20.5 μm。

表1 表层及基体维氏显微硬度

表2 横截面维氏显微硬度梯度及渗层深度

2.3 磨损实验

在相同载荷、旋转速度和试验时间条件下进行了摩擦学性能实验，结果如表3所示。最大摩擦系数略高于平均摩擦系数，因为在摩擦磨损初期，接触面之间凹凸微区的机械互嵌作用使得相对运动阻力较大，而进入稳定阶段，受摩擦面往复运动的剪切力作用，润滑剂产生外溢，变滑动摩擦为滚动摩擦，且接触面增大，温度急剧上升，降低了表面硬度，局部塑性变形加剧，使得相对运动阻力减小。

表3 渗陶气缸套表层磨擦系数

气缸套与活塞环是一对摩擦副，为验证两个零件在相对硬度、耐磨性和储油性的匹配性对磨损性能的影响，对渗陶气缸套、现生产缸套与不同活塞环进行磨损试验研究，图2为检测数据。从图2看出不同缸套和活塞环配合时缸套的磨损率远远高于活塞环的磨损率，无论是和铬基陶瓷复合镀（CKS）环还是DLC环配合，渗陶气缸套的磨损率都小于现生产缸套的磨损率，说明等离子喷涂表层的耐磨损性能提高了。采用DLC环时，无论与现生产缸套还是渗陶缸套配合，活塞环和缸套的磨损率都下降30%左右，DLC环与渗陶气缸套配合的磨损率均最低。图3展示了渗陶气缸套与现生产缸套对活塞连杆组摩擦磨损损失的影响。从图3可知采用渗陶气缸套，在1 700 r/min以下发动机活塞连杆组摩擦损失明显降低，平均有效压力（FMEP）平均降低0.002 MPa。

图2 不同缸套与不同活塞环配合的磨损检测数据

图3 不同缸套对活塞连杆组摩擦损失的影响

图4和图5分别为渗陶气缸套和现生产缸套快磨试验后的表面SEM图像。从图4可以看出试验前渗陶缸套内孔的沟槽网纹清晰，摩擦后表面相对光滑平整，可认为发生了轻微磨损，表面沟槽和划痕基本消失。从图5看出普通缸套内孔表面粗糙，试样表面已经产生明显的塑性变形，高载下极易产生干摩擦，导致了较为严重的黏着磨损和磨粒磨损，已经对试样表面及基体产生破坏。这说明渗陶气缸套的等离子喷涂表层硬度优于普通缸套的表层硬度。

图4 渗陶气缸套

图5 普通气缸套

2.4 耐腐蚀试验

表4是渗陶缸套和现生产缸套的耐腐蚀实验对比结果。实验条件是表面浸泡在质量分时为5%的HCl溶液中15 h，所采用的缸套内径112 mm，内孔总长224 mm，合计内孔表面积为78 776.32 mm2，两者腐蚀后损失量相差0.004 23 mg/mm2，未渗陶缸套比渗陶缸套表面多损耗333 mg。图6是耐腐蚀试验后渗陶表层与基体表面对比图，图6右图左边圆圈中经渗陶处理的内孔表面气泡极其微小，而右边圆圈中其它未经渗陶处理的表面气泡很多。

图6 试样浸在5wt%的盐酸溶液

表4 耐腐蚀实验损失量对比数据

2.5 台架测试

由于渗陶气缸套及刮碳环技术可以降低气缸套摩擦系数及提高气缸套使用寿命，将分别采用渗陶技术及刮碳环技术的试验样品各提供3台套，入库检验合格后，提供给某汽车技术中心进行台架试验。其中1套经过磨合、模拟工况、耐久、满负荷等实验，运行情况如表5。运行之后拆机，经检测渗陶气缸套内表面行程部位网纹清晰，无磨损现象，刮碳环表面无积碳。试验结果表明该渗陶气缸套节省机油效果明显，满足设计和使用要求。图7是台架测试后清晰的内孔网纹，网纹参数在装机前后几乎无变化。

表5 台架测试数据

图7 台架测试后渗陶气缸套内孔网纹

3 结论

本文对发动机气缸套进行渗陶试验研究，通过硬度、磨损、耐腐蚀和台架试验，获得以下主要结论：

（1）真空等离子喷涂可以实现陶瓷材料与金属基体间相互扩散，渗陶气缸套表层硬度、耐磨损性和耐腐蚀性都有所改善，HV0.1硬度提高200左右，平均摩擦系数达到0.898 9。

（2）陶瓷渗入金属约20 μm，由于金属在真空等离子状态下与氮化硼、氮化硅等发生双相扩散，形成梯度功能材料，故无论是高温或撞击，陶瓷薄膜均不会发生剥离。

（3）不同气缸套和活塞环的配合会影响二者磨损性能，调整组合零件、涂层和润滑条件也是今后研究的一个重要方向。

（4）台架试验表明装配渗陶气缸套的发动机油耗降低，符合设计和使用要求，促进汽车节能环保达标。