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熱噴塗新技術在發動機減摩性能方麵的應用和研究

時間:2014-03-14 08:54:06  來源:表麵技術  作者:王剛,焦孟旺,李賀,貢澤飛,魏元生,楊紅新

摘 要: 目的研究熱噴塗和噴丸新型複合技術塗層的組織結構和摩擦學性能。方法 在發動機主要摩擦副零件表麵製備塗層,對其表麵和橫截麵組織進行金相和 SEM 觀察分析,對處理前後零件進行尺寸、硬度、摩擦係數及發動機台架試驗測試分析。結果 零件表麵形貌得到明顯改善,但塗層膜狀組織不明顯,新技術對零件尺寸和硬度影響不大,塗層使零件表麵動摩擦係數略有增加,由0.142 增加至0.152,但其波動性變小,沉積塗層導致發動機的動力性和經濟性變差。結論 通過對複合工藝參數的調整,將製得兼具熱噴塗與噴丸兩種工藝優勢的塗層,則熱噴塗新技術將不失為一種優良的表麵處理工藝。
關鍵詞:熱噴塗和噴丸; 複合工藝; 表麵形貌; 動摩擦係數

        熱噴塗技術是利用熱源將噴塗材料加熱到熔融和半熔融狀態,用高速氣流將其吹成微小顆粒,以一定速度噴射到被塗敷的基體表麵,形成性能優於原基體材料的覆蓋層[1—3],使工件具有更加優異的表麵性能。熱噴塗技術受噴塗溫度、熔滴對基體表麵的衝擊速度及形成塗層的材料性能等3個要素的影響,使熱噴塗技術具有多功能疊加效果,其可賦予零件耐磨、減摩、抗高溫、抗氧化、隔熱、絕緣、防腐等性能。隨著工業和科技的發展,熱噴塗技術以其設備輕便、工藝靈活、操作程序簡便、可快速修複、較強的適應性、塗層厚度可控製等優點[4—6],被廣泛應用於國防、宇航、機械、冶金、能源、交通、石油化工和電力等行業[3,7—9]
        目前,對於熱噴塗技術的研究中,馮旭東等[3]針對熱噴塗 Ni60 和 Ni25 塗層進行了材料性能檢測,分析得出熱噴塗塗層在改善零件性能方麵的優良特性。周克崧[10]論述了熱噴塗技術的發展,並著重介紹高速火焰噴塗塗層的性能優勢。陳汝廣等[11]研究了一種免噴砂熱噴塗用塗料,並對相關性能進行檢測分析。張劍等[12]研究了軸套熱噴塗強化層的耐磨性能。郭雙全等[13]研究了未來航空發動機熱障塗層材料及製備技術。上述工作主要針對常規熱噴塗技術中噴塗溫度、衝擊速度及塗層材料性能等 3 個主導要素進行研究,針對塗層對零件的表麵摩擦係數、形貌影響研究較少,也不涉及熱噴塗工藝對發動機的節能減排性能的檢測論證。
        文中研究的熱噴塗新技術是熱噴塗與噴丸複合工藝。在高溫高壓的條件下,以表麵粘附潤滑物質的鋼丸作為載體對零件進行撞擊,同時在零件表麵沉積塗層的新工藝。該新技術同時兼具熱噴塗技術和噴丸強化工藝的性能特點,在增加零件表麵殘餘壓應力的同時,改善摩擦副接觸麵的儲油效果,增強零件表麵的油膜塗布能力,進而提高零件的減摩潤滑性能。
1 試驗內容與方法
        針對熱噴塗新技術的工藝特點和性能趨勢,文中以新技術的性能驗證與分析為目的,評價其在汽車發動機減摩耐磨方麵的應用價值與前景。以發動機的主要摩擦副零件為載體,涉及活塞、氣門挺柱、曲軸、活塞銷等 4 種零件,通過對比分析處理前後零件在零件尺寸、表麵粗糙度、表麵摩擦係數方麵的變化,分析該工藝對零件表麵狀態的影響。通過對處理前後材料的硬度和金相組織對比分析,評價該技術對材料性能的影響。通過對發動機摩擦功的台架檢測,分析新工藝對發動機動力性及經濟性的影響,並對摩擦副零件的摩擦機理進行分析討論。
2 熱噴塗新技術的減摩性能分析
2. 1 材料性能分析
2. 1. 1 新工藝對零件表麵狀態的影響
        選取氣門挺柱作為研究對象,對零件在處理前後的表麵形貌、塗層成分、塗層厚度進行檢測,分析討論該種減摩塗層技術的基本性能。氣門挺柱頂麵處理前後形貌的照片如圖 1 所示。對比處理前後零件表麵狀態可知,新技術可改善零件表麵狀態,增強零件的精致感。通過表麵形貌的SEM 檢測,得到零件的微觀形貌照片如圖 2 所示。分析可知,經處理後,零件表麵的微觀狀態由溝槽狀變為灘塗狀,機加工磨痕消失,表麵由均勻的凹坑覆蓋。
        表麵凹坑增加了零件表麵的殘餘壓應力,提高零件表層材料力學性能的同時增加了表麵儲油能力,增強了零件表麵潤滑油膜的塗布和自修複能力,從該角度分析可得,該工藝具有改善零部件的潤滑狀態優勢。噴塗層表麵也存在隨機分布的氣孔、夾雜物等缺陷。由工藝原理可知,塗層是由無數變形粒子相互交錯呈波浪式堆疊而成的層狀結構組織,顆粒的陸續堆疊和部分顆粒的反彈失效,導致塗層粒子結合不佳,且塗層組織內不可避免的存在孔隙或孔洞缺陷。同時在高溫下,熔融的顆粒與周圍介質發生化學反應產生氧化物。據研究資料表明,在噴塗過程中,大約 20% ~60% 的噴塗材料以飛濺或燒損的形式被消耗掉[14],因此噴塗層中存在大量的由變形顆粒、氣孔和氧化夾雜物組成的缺陷[2]。這些缺陷必然導致塗層連續性下降,降低塗層的耐蝕性能。如圖2b,c 所示,1—4 區域所示為氣孔與夾雜物。同時由於新工藝中鋼丸的表麵撞擊,對塗層中顆粒間的附著與內聚造成不利影響,使塗層與基材的結合力和塗層的密度變小,降低塗層的使用性能。如圖 2c 所示,5 區域為撞擊造成的片層狀剝落缺陷區。因此熱噴塗新技術對零件減摩性能的影響是表麵狀態改善與引入缺陷綜合作用的結果。
2. 1. 2 零件表麵噴塗層能譜分析
        對氣門挺柱頂麵進行能譜分析,如圖 3 所示。通過對比能譜分析結果可知,經過處理後的零部件表麵引入了 S,Mo,Pd 等元素。結合工藝過程可知,此為複合材料中的潤滑材料 MoS2帶來的。
        選取氣門挺柱截麵進行微觀分析,如圖 4 所示。分析可知,零件表層無明顯的塗層膜狀組織。經能譜檢測,在臨近表層區域也不存在到 S,Mo 元素,塗層與零件界麵處無明顯的微冶金結合過渡層。結合新工藝的技術原理分析可知,工藝參數的精度、噴塗層的質量以及鋼丸撞擊對塗層表麵質量的綜合影響使零件表麵塗層膜狀組織不明顯,界麵結合處無明顯的過渡層。
結合 SEM 試驗結果分析可知,經熱噴塗新技術工藝處理後,引入 MoS2等潤滑物質,改善了零件表麵狀態,表麵形貌由原先的機加工溝痕變為平鋪的凹坑,有利於表麵油膜的形成與存儲。由於噴塗層自身結合力差,塗層內部顆粒附著力和內聚力較小,因此經過新工藝中噴丸的撞擊,使零件表麵的膜狀組織不明顯,且經過新工藝處理後塗層表麵中的氣孔、氧化夾雜物等缺陷,將影響零件耐磨、耐蝕性能。
2. 2 對基體材料性能的影響與討論
        選取曲軸的噴塗部位軸頸進行材料性能的分析,試驗在長城汽車股份有限公司金相分析室進行,主要進行金相組織和硬度的檢測,依據的試驗標準為《GB/T 4340.1—2009 金屬材料維氏硬度試驗第一部分: 試驗方法》,檢測試樣為曲軸軸頸。曲軸軸頸經熱噴塗處理之後的零件表層金相組織照片如圖 5 所示。由實驗結果分析可知,試樣的基體組織為片狀珠光體+少量鐵素體,珠光體含量大於 95%,石墨球化率為 2 級到 3 級,石墨大小為 5 到 6 級。外表麵無明顯的硬化層,界麵處也不存在微冶金結合過渡層( 與氣門挺柱分析結果一致) ,試樣的表麵硬度 HBW10/3000 為 260,零件基體材料組織和硬度與處理前無明顯差異。材料硬度是由材料各相的本征硬度決定的[15],熱噴塗新技術塗層成分和微觀結構的不均勻性,導致塗層的成分偏析。同時因工藝原因使塗層膜狀組織不明顯,在熱噴塗處理前後,塗層中的潤滑物質及其氧化物對材料零件硬度、金相組織無顯著影響。
2. 3 對零件尺寸及表麵粗糙度的影響
        對熱噴塗處理後零件進行外觀尺寸和表麵粗糙度的檢測,外觀尺寸經三坐標測量儀和入廠檢驗後,零部件符合裝機要求。表麵粗糙度在處理前後基本不變,因此該工藝對零件外觀尺寸和表麵粗糙度影響不大。
2. 4 對零件表麵摩擦係數的影響
        降低摩擦係數對發動機節能減排、提高零件使用壽命具有重要應用價值。試驗通過在相同工況條件下零件表麵摩擦係數的檢測分析,對比評價新技術對動摩擦係數的影響。選取氣門挺柱頂麵作為檢測表麵,接觸形式為線接觸,運動形式為滑動。試樣數量為 4,其中 1,2 號為經過處理試樣,3,4 號為未經處理試樣。摩擦係數試驗檢測條件為室溫,濕度為 30%~ 40% ,測試設備為日本 HEIDON 公司 Type 14FW 表麵性能測試儀,摩擦副為挺柱頂麵與10 mm 的不鏽鋼標準壓頭,運動方式為往複運動,往複 20 次,移動距離為 20 mm,試驗速度為 150 mm/min。
        4 組試樣的動摩擦係數檢測平均值如圖 6 所示,分析可知,經過處理之後,零件表麵的平均動摩擦係數略有增加,最大差值達 0.02。選取 2 號和 4 號試樣動摩擦係數的 20 次檢測數值進行分析,如圖 7 所示。未進行噴塗處理的試樣,初始動摩擦係數較大,前 5 個運動周期內,摩擦係數隨次數增加先減小後趨於相等,從第 6 次往複運動開始,動摩擦係數隨往複運動次數的增加而增大。沉積塗層後的各次運動的摩擦係數差值較小,波動性小。與未噴塗相比,摩擦係數較大,最大差值達0.015。隨著摩擦次數的增加,兩種表麵狀態下零件摩擦係數的差值逐漸變小。
        由圖 7 中數據結果對比分析可知,經過熱噴塗之後,零件表麵平均動摩擦係數由 0.142 增加至 0.152。結合上文分析可知,熱噴塗新技術工藝使零件的表麵微觀形貌變為均勻分布凹坑,使摩擦副表麵動摩擦係數數值穩定,波動性減小。由於噴塗層顆粒堆疊疏鬆,存在較多的孔洞和氧化夾雜物等缺陷,且塗層與基體結合力較差,導致塗層的連續性下降,降低零件的表麵耐磨性能,因此導致處理後零件的滑動摩擦係數變大。
2. 5 對發動機動力性與經濟性的影響與分析
2. 5. 1 發動機台架試驗結果
        選配沉積塗層的零件活塞、曲軸、氣門挺柱、活塞銷進行台架試驗,對實驗中油耗率、功率、扭矩指標進行對比分析,評價該種新工藝對發動機經濟型與動力性的影響。台架試驗結果如圖 8 所示。
        由圖 8 中結果分析可知,經過處理後油耗率明顯增加,在不同轉速條件下,油耗率平均增加 13.6g / kW·h,同時發動機的功率略有下降,扭矩也明顯下降,說明該工藝導致發動機的經濟型( 油耗率) 變差,動力性下降。
2. 5. 2 台架試驗結果分析與討論
        在發動機台架試驗初期磨合過程中發現,潤滑油中存在黑色顆粒狀脫落物,如圖 9 所示。通過對零件進行清洗發現黑色顆粒為噴塗層表麵脫落物。因塗層顆粒與基材之間以機械結合為主,且撞擊工藝在塗層中積累殘餘應力,使塗層中顆粒之間的內聚力和吸附力減小,且導致塗層與基體的結合力降低[2],影響零件表麵塗層質量,使零件在初期磨合中產生脫落顆粒。完成台架試驗後拆機分析發現,發動機主要摩擦副零件表麵磨損加劇,且存在異常磨損的現象,台架試驗後軸瓦和曲軸軸頸的磨損形貌如圖 10 所示。台架試驗前後曲軸軸頸表麵微觀形貌如圖 11 所示,分析可知,試驗後曲軸表麵存在明顯的犁溝形貌,零件表麵異常磨損嚴重。結合初期磨合階段塗層顆粒脫離的現象分析可知,外加塗層的引入,雖然使零件表麵狀態得到改善,但同時也引入了缺陷或磨粒。實際潤滑工況中油膜厚度基本不變[16],而塗層脫落的顆粒物進入潤滑係統,惡化發動機潤滑條件,導致摩擦副接觸麵磨損加劇,產生異常磨損,影響零件的穩定性和可靠性,且縮短零件的使用壽命。外在表現為發動機油耗率上升,功率、扭矩等指標下降。由實驗結果分析可得,零件表麵塗層的磨損類型主要為磨粒磨損和粘著磨損。
3 結論
         采用熱噴塗與噴丸的複合工藝,在發動機主要摩擦副零件表麵製備塗層,運用 SEM 及金相組織觀察、能譜分析、硬度測試、滑動摩擦係數測試及發動機台架試驗驗證等測試實驗,對塗層的形貌、結構、成分、性能進行研究,得出以下結論。
1) 熱噴塗新技術可改變零部件表麵形貌,零部件表麵微觀劃痕變為坑狀,增強了零件表麵的儲油效果。噴塗層中含有 MoS2等潤滑物質,但該塗層在零部件表麵無法形成連續的膜狀組織,且塗層物質附著力較差,脫落顆粒易進入潤滑係統,引起發動機零件的異常磨損,縮短零件使用壽命。
2) 經熱噴塗新技術處理後,零件尺寸和表麵粗糙度變化不大,滿足發動機裝機要求。
3) 熱噴塗新技術處理後,零件表麵的滑動摩擦係數略有增大,由 0.142 增加至 0.152,但摩擦係數數的差值變小,摩擦係數穩定性提高。
4) 經發動機台架試驗驗證,熱噴塗新技術處理後,發動機的經濟型( 油耗率) 變差,動力性( 功率、扭矩) 降低。
5) 熱噴塗新工藝對零件的基體硬度和微觀組織影響不大。
6) 根據熱噴塗新技術的工藝原理,及其對零件表麵狀態的改善作用,可推測通過對新技術工藝參數調整和優化,使該複合工藝同時發揮熱噴塗與噴丸性能優勢,達到“1+1>2”的效果,則文中熱噴塗新技術將不失為一種優良的表麵處理工藝。
參考文獻略

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