表面技术在内燃机气缸套的应用与特点

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DOI：10.16661/ki.1672-3791.2016.19.061

摘 要：内燃机气缸套是内燃机关键零件之一，其内表面耐磨性对其寿命起决定性作用。该文阐述了内燃机气缸套内表面耐磨机理，论述了内燃机气缸套内表面强化处理工艺：等离子淬火、YAG激光表面处理、辉光离子氮化、挤渗SiC、松孔镀铬和喷钼合金表面处理的原理、应用及特点，为内燃机气缸套表面强化处理工艺选择提供技术理论依据，对指导生产实践具有显著应用价值。

关键词：气缸套 表面技术 应用

中图分类号：TG156 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）07（a）-0061-02

内燃机是汽车、摩托车、船舶建造、工业机械、农业等行业的配套产品，对经济的影响，重大而深远。气缸套是衡量内燃机耐用度的一个重要指标，然而气缸套工作环境十分恶劣，承受高温、高压和活塞环往复运动的摩擦，容易产生磨料磨损、腐蚀磨损、熔着磨损。因此，提高内燃机使用寿命，提高气缸套的耐磨性能显得更为迫切。为此，科技人员研究开发气缸套材质提高使用寿命效果一直不明显，而表面强化的技术在气缸套的应用更为重要。

1 气缸套内表面耐磨机理

气缸套内表面涂覆处理是提高气缸套的耐磨性能、使用寿命的行之有效措施，在气缸套内表面覆盖一层适当软度且富有弹性的保护膜，软质涂覆层是性良好的减磨物质，其基体能镶嵌外来的硬质点，而且能与基材有良好的亲和或共浮性能，不会从基体上成块剥离。保护性的软质涂覆层很薄，容易磨损，必须在基体上覆盖大量块状高硬质点，承担接触磨损，因为硬度高而耐磨，而基体组织和大量脱落后的孔洞贮存油，可提高耐磨性。气缸套内表面强化采用激光淬火、等离子淬火、氮化等工艺，使气缸套内表面硬化，形成局部硬化带从而提高气缸套耐磨性。

2 气缸套表面处理应用及特点

气缸套分为铸铁质气缸套是由含磷和含硼铸铁制造，钢质气缸套由无缝钢管低碳钢制造。下面介绍各种表面技术在气缸套上的应用及特点。

2.1 等离子淬火

等离子弧弧柱的中心温度和淬火层温度可达16 000 ℃～3 000 ℃，能快速冷却，形核率非常高，晶粒细化，等离子热原呈高斯亚态分布，热流密度沿深度方向中心大而外缘小，淬火硬化层深度中间大而两侧小，故呈“月牙”形态。等离子表面淬火组织由表面淬硬层、中间过渡层和边缘淬硬层三部分组成。表面淬硬层金相组织主要为超细化马氏体，而中间淬硬层和边界淬硬层主温度相对较低且加热时间短，显微组织主要是隐针马氏体、屈氏体和铁素体的混合体。等离子淬火随工作电流的增大，淬火层硬度也趋于上升，而随着扫描速度或波头数的增大，单道与交叉道的硬度均呈现下降趋势。淬火硬化层的显微硬度从外表层往内部呈现先提高再降低的趋势，交叉道的硬度高于单道，经等离子表面淬火热处理后的试样磨损量减少80%左右，磨损机制主要是氧化磨损和一定的磨粒磨损。

2.2 YAG激光表面处理

起初采用CO2气体激光器，设备尺寸大，投资大，工作气体的纯度高，其价格昂贵运行成本高。目前采用YAG固体激光加工机，其体积小，投资小，运行成本低，固体激光机的波长很短，因此金属容易吸收，热处理效果好，经YAG激光表面处理的气缸套内表面硬化差。组织主要为细针状马氏体，残留奥氏体和石墨。表面硬度可达750 HV0.1，淬硬层深度为0.3～0.35 mm，宽度约为 2.5 mm，在磨损实验机上做纯滑动的磨损实验，其磨损量降低约一半，硬化层可以阻止摩擦副表面犁沟的严重发展，磨损量减小，磨痕也较细。

2.3 辉光离子氮化

辉光离子氮化是利用辉光放电原理进行的，在真空炉内充以含氮气体，炉体为阳极、汽缸套为阴极，通电后氮原子被电离，氮和氢的正离子以高速向气缸套表面轰击，由于离子的轰击工件表面产生原子溅射，并且由于吸附和扩散作用氮渗入气缸套表面，使气缸套表面得以硬化，完成氮化工，经辉光离子氮化处理的气缸套，氮化层深度0.12～0.15 mm，氮化层表面硬度1000 HV0.1。气缸套放在氮化炉中加热到540 ℃，保温10 h随炉冷至20 ℃，由于氮化会使气缸套2次失效，会导致气缸套变形，并且氮原子附着在气缸套内表面，会使尺寸缩小0.03～0.05 mm，因此气缸套要做好失效处理，精度要求高的气缸套要尺寸补偿。辉光离子氮化处理气缸套若未清洗干净表面易产生斑点，若出炉早表面易发黑。

2.4 挤渗SiC

气缸套挤渗SiC是以珩磨机为主要设备，将承载碳化硅粉末的液体搅拌均匀，加入珩磨头与缸套之间，以珩磨头压力将粉末状碳化硅挤压入气缸套内表面内，这样硬化物碳化硅磨损量很小形成第一摩擦面，基体铸体很快磨损形成储油第二摩擦面，挤渗SiC处理层深度为3.8～14 mm，硬度达HV400～56，工作中碳化硅会进一步向机体内渗入，不会脱落，与活塞匹配良好。

2.5 松孔镀铬

镀铬层硬度高熔点高摩擦系数小，松孔便于储存油，松孔镀铬层耐磨性很高，一般气缸套镀铬后寿命可提高2～10倍，其磨耗率为0.01～0.03 mm/min，常用于大功率高强载度柴油机，缺点是松孔镀铬成本高，使用中油消耗量大。气缸套镀层上常会出现抗滑“白斑”的酸蚀现象，使磨损加剧。可采用适当的碱性油来消除酸的影响，当气缸套镀铬、钼层后，使用中既无“白斑”现象，磨损量也降低。

2.6 喷钼、钼合金表面处理

热喷涂（或称熔射） 是指采用专用设备把固体材料熔化（ 或软化） 迅速喷射到工件表面形成涂层的方法，一般喷涂有以下分类：

用于活塞环、气缸套的喷涂主要有火焰喷涂、等离子喷涂及线爆喷涂等。喷钼层硬度可达700 HV0.1以上，一般为850～1 050 HV0.1，最高达1 300 HV0.1；摩擦系数低，抗拉缸性能好；松孔贮油性能好。喷钼与镀铬等表面处理相比较镀铬处理的缺点是：容易降低基体疲劳强度，且磨合性差，有拉缸倾向。喷钼的缺点是喷钼层的耐磨性比镀铬层差。

火焰喷涂。当涂层材料（钼、铁及合金制成的）熔滴喷射速度超过音速形成超音速喷涂。温度达2 500 ℃～3 000 ℃的火焰使涂层材料呈熔滴，随着高速火焰喷射向气缸内表面形成涂层。涂层硬度1 000～1 300 HV0.1，涂层孔隙率小于20%～30%，孔隙尺寸（在横截面上最大孔径）小于4 mm。美国20世纪末又开发了空气和柴油为燃气源的新方法，成本下降，使火焰喷涂方法广泛的推广和应用。火焰喷钼层的特点是缸套表面能有效地保持油膜，使其有良好的抗熔着磨损性能。

近年来喷涂技术从工艺、设备等方面有较大进步，从目前工艺来看，小气缸喷涂都采用线爆喷涂，活塞环与中大气缸孔则是火焰喷涂、等离子喷涂和线爆喷涂都有应用。已经开发出在气缸套表面涂抹固体剂，再行喷涂，改善耐磨性能及减磨性能，已开发了等离子和电弧结合为一体的喷涂设备，涂层质量进一步提高，喷涂工艺正在迅速发展，前景很好，活塞环或缸套喷涂后，易形成低表面粗糙度，有利于形成液力。选用喷涂材料时应选用热膨胀系数与所喷涂基材接近。

3 结语

气缸套表面强化处理的方法对提高使用寿命都是一些行之有效的措施。但这些表面强化处理工艺各自有优缺点，如镀Cr法成本高、污染大、工人劳动强度大；离子氮化具有渗层脆性小、无毒、变形小等优点，但它又具有生产周期长、渗层薄（最多只0.5 mm）、耐腐性能较差、设备复杂、离子氮化处理热胀量稍微偏大等缺点。挤渗SiC工艺成本低，可代替原光整加工的工序，生产周期很短，没有任何变形，应用前景较好。喷涂技术近年来不论从工艺、设备等方面都取得了很大的进展，前景不可估量。

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