热喷涂技术在汽车上的应用

热喷涂涂层技术在汽车上的应用

热喷涂技术是表面工程领域内表面改性最有效的技术之一。它是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。选择不同性能的涂层材料和不同的工艺方法，可制备减磨耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化、热障功能、催化功能、电磁屏蔽吸收、导电绝缘、远红外辐射等功能涂层。涂层材料几乎涉及到所有固态工程材料，包括金属、金属合金、陶瓷及它们的复合材料和其他非金属无机材料，广泛应用于汽车、生物、化工等领域。热喷涂可提供各种性能的涂层，用在汽车上可以提高汽车的性能，减少汽车零部件的磨损并延长使用寿命，因此广泛应用于汽车制造及维修业中。

1. 热喷涂方法及特点

1.1火焰喷涂

火焰喷涂是采用可燃性气体的燃烧作为热源，将金属丝材或粉末熔融、雾化，吹喷于基体表面的方法。由于燃烧气体的温度的限制，喷涂材料的熔点一般低于2500℃。因此在工业中被广泛应用。随着超音速火焰喷涂技术的开发，其喷射速度高达音速的两倍，熔融粒子的速度高达400m／s，约为普通火焰喷涂的4倍和等离子的2倍。故涂层更为致密，结合强度大，另外这种方法有沉积率高，涂层性能稳定，特别适合于喷涂碳化物涂层，非常适宜在专用汽车中的应用。

1.2电弧喷涂

电弧喷涂是利用两根连续送进的金属丝之间产生的电弧作热源来熔化金属，用压缩空气把熔化的金属雾化，并对雾化的金属细滴加速使之喷向工件形成涂层的技术。电弧喷涂技术与其他热喷涂方法相比，其特点是：结合强度高；生产效率高，成本低；安全性好，喷涂质量稳定，能源利用率高。

图l所示为电弧喷涂的原理示意图。此项技术可赋予工件表面优异的耐磨、防腐、防滑、耐高温等性能，在机械制造、电力电子和修复领域中得到广泛的应用。

电弧喷涂技术具有以下优点：(1)生产率相对较高：电弧喷涂的生产率与电流成正比，一般相当于火焰喷涂的4倍；(2)涂层结合强度高；(3)涂层质量易于保证；(4)能源利用率高，能耗低；(5)可以方便地获得“伪合金”涂层：当使用两种不同材料的喷涂丝材时，获得的是两种材料的粒子紧密结合的“伪合金”涂层，涂层中还存在少量的合金与金属间化合物；由于兼有两者的性能，因此“伪合金”涂层的性能较好；(6)设备造价低，使用维护方便：电弧喷涂的设备简单，体积小，重量轻，设备移动方便。不需要瓶装气体、燃料，没有水冷系统，且工作环境要求低，可以长时间在恶劣环境下工作。

传统的电弧喷涂技术，由于喷涂粒子速度低涂层受到严重氧化，使涂层质量和应用受到一定的限制。而高速活性电弧喷涂采用高压气流或燃料燃烧所产生的高速射流雾化喷涂材料熔滴，可以提高电弧稳定性，使喷涂粒子显著加速，减少粒子与空气的接触时间，达到减少涂层氧化，显著提高涂层质量的目的。资料表明，高速电弧喷涂在距喷枪喷嘴端面轴向距离80mm范围内，气流速度可达到600m ／s，金属熔滴的雾化效果显著提高，涂层粒径仅为传统电弧喷涂粒径的1／3～1／8，涂层结合强度是电弧喷涂的1．5倍～2．2倍，涂层孔隙率不大于2%。

1.3爆炸喷涂

爆炸喷涂是利用气体爆炸产生的高能量，将喷涂粉末加热、加速，使粉末颗粒以较高的温度和速度轰击工件表面而形成涂层。喷涂时，先将一定压力、比例的氧气和乙炔由进气口通入水冷喷枪内腔，然后由供粉口送入粉末，接着火花塞点火，氧气和乙炔的混合气体燃烧并爆炸，产生高温高速气流，将粉末加热，并以高速(超过音速约3倍)撞击到基材表面，形成涂层，然后通入氮气清理枪管，为下一次喷涂做准备。如此重复进行。爆炸喷涂涂层与基体结合强度可达100MPa 以上、涂层致密、孔隙率小于1％。工件热损伤小。涂层均匀、厚度易控制。涂

层硬度高、耐磨性好。爆炸喷涂可用微机控制，易于实现自动化。

1.4等离子喷涂

等离子喷涂是采用非转移型等离子弧为热源，喷涂材料为粉末的热喷涂方法。利用电流电弧放电，把高温加热的氩气、氮气、氦气等气体部分电离成离子束，在电弧放电部位四周强制流过的低温气体，产生收缩效应，使电弧放电部位断面缩小，导致能量密度和电流密度升高，最高温度可达200O0℃。由于等离子喷涂温度高，气体可控制，可以用来喷涂各类高熔点的金属、氧化物和其他各种陶瓷材料。最近10年开发的真空等离子喷涂设备，不仅使涂层的品种扩大，质量提高，而且可以进行新材料的合成和材料表面改性。近几十年来等离子喷涂技术发展很快，目前已开发出真空等离子喷涂、可控气氛等离子喷涂、溶液等离子喷涂和超音速等离子喷涂。

2.0 热喷涂技术在汽车工业中的应用

2.1 在汽车制造业上的应用

在汽车发动机上，活塞环要承受气缸中高温、高压燃气的作用，在高速及润滑困难的条件下因磨损寿命很短，所以对活塞环材料除了具有高的强度及冲击韧性外，还要耐热、耐磨。对活塞环的合金钢、铸铁、不锈钢基体采用HVOF工

艺，喷涂上Cr

3C

2

．NiCr涂层，可以提高活塞环的耐磨性；采用等离子喷涂对气

缸孔喷涂钼合金，可以提高气缸的耐腐蚀、耐磨及耐高温性能；铝合金气门挺杆上采用电弧喷涂优质碳素钢涂层可以减轻挺杆质量并减少磨损；此外，对喷油嘴、传感器、气门、曲轴等喷涂钼、金属陶瓷、陶瓷和合金涂层可提高该零部件使用寿命3倍～5倍。

在汽车变速箱上，换档同步环，依靠摩擦作用实现同步，喷涂上一层铝钼合金后，可使齿轮工作时具有自锁紧功能，保证行车安全、平稳；换档拨叉对变速箱换档操纵性能、可靠性及其寿命影响很大，因此，在产品设计中，对拨叉的工作面进行Cu-A1和Ni—Al热喷涂处理，就可以提高拨叉的耐磨性、润滑性和疲劳强度。

在汽车制动系统中，在钢基体上喷涂氧化锆可以作为刹车盘材料，可以提高刹车盘的耐磨性。在车身成型过程中，在车顶与车前面板焊缝处会产生一凹陷区，以前弥补这一缺陷的方法是将多余的焊料打磨掉，因而降低了焊缝的强度。现在已开始采用电弧喷涂硅青铜的方法来添补这一接缝区，这样既美化了车身外观，又增强了焊缝强度。在汽车电器及控制装置上，氧传感器用于检测排气中氧的含量，传感器探头需要承受高温并且耐腐蚀，对铂和氧化锆基体采用等离子喷涂上

含Al

2O

3

-MgO陶瓷涂层，可保护传感器探头，对燃油喷射进行更加精确的闭环控

制，从而减少燃油消耗并降低汽车排放；在点火系统中，对分电器转子的钢基体

采用等离子喷涂上A1

20

3

-Ti0

2

陶瓷涂层，可以降低分电器噪音；在铝合金基体上

喷涂Fe

3O

4

涂层，作为磁性传感材料用于转矩传感器上。

2.2在汽车维修过程中的应用

在汽车行驶过程中因磨损而失效的零部件可以采用热喷涂技术将尺寸恢复到原始尺寸并进行加工处理，这样在不降低使用性能的条件下，可以减少维修成本。载重汽车发动机负荷大，工作时主轴瓦与主轴承座孔内表面沿圆周方向相对运动，导致轴承瓦背和座孔磨损，其圆度、圆柱度误差超差，严重时，还会发生“抱轴”故障，使缸体报废。对这种情况，可以对磨损量较大的轴承座孔采用热喷涂工艺，通过加工使之恢复到标准尺寸。对于气缸、活塞、曲轴等运动部件因磨损产生的失效，都可以采用热喷涂方法来修复。如对因磨损而失效的汽车齿轮