无缸套全铝合金气缸体缸孔内壁涂层的制备及性能研究

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喷涂及喷涂前后的尺寸、形位精度、表面质量要求 都很高[17]。
铸造
需遮蔽防护 表面粗化
粗加工
粗加工
喷涂
珩磨
清洗
精镗孔
清洗
图 2 无缸套全铝合金气缸体制备流程
喷涂前需对缸孔进行精镗，因为喷涂前缸孔的 状态对最终产品质量有着巨大影响，所以精镗缸孔 一般应达到的精度要求，尺寸公差 IT6～7；圆度和 柱度 7～8 级；表面粗糙度 Ra＜4。精镗缸孔后需对 缸孔进行彻底清洗，去除缸孔表面铁屑、切削液等， 以防止对下工序造成污染，影响涂层质量。
对 于 传 统 的 铝 合 金 气 缸 体 ，在 缸 孔 处 需 要 镶 入 铸 铁 缸 套 以 满 足 发 动 机 工 作 时 高 温 、高 速 冲 击
作者简介：黄勇（1969—），男，高级工程师，硕士学位，研究方向为 发动机制造工艺与材料。
2019 年 第 7 期
和摩擦的要求。但铸铁缸套镶入仍会带来诸如结 合 界 面 传 热 不 良 ，不 能 充 分 发 挥 发 动 机 效 率 等 不 良影响 。 [11，12] 为此，欧洲的大众、奥迪和保时捷等 公司采用了欧瑞康美科的 SUMEBore 内孔旋转等 离子喷涂工艺，制造出无缸套全铝合金气缸体，从 而实现降重、改善缸孔热力学特性、降低发动机摩 擦损耗、提高发动机整体效能等，部分机型已实现 了批量生产[13- 。 16] 如 Wolkswagen：EA211、W12TSI， Audi：2.5L TFSI，Porsche：V8，Yamaha，Rotax 等。但 是 该 技 术 在 国 内 还 没 用 获 得 普 遍 应 用 ，各 大 汽 车 厂 商 正 在 对 该 技 术 积 极 开 发 ，无 缸 套 全 铝 合 金 气 缸体替代传统铝合金气缸体已成为发展趋势。
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无缸套全铝合金气缸体缸孔内壁涂层的 制备及性能研究
黄勇 1 季强 2 何勇 1 刘瑶 2
（1. 成都正恒动力股份有限公司，成都 610504；2. 中国第一汽车集团公司研发总院，长春 130011）
摘要：为了研究铝合金气缸孔内壁涂层对发动机轻量化及摩擦磨损等性能方面的优势。 采用 SUMEBore 内孔等离子喷涂工艺制备全铝合金气缸孔内壁涂层，对涂层微观结构、结合强 度、显微硬度等性能进行了分析测试，测试结果表明涂层的微观组织均匀，与基体结合良好，平 均结合强度达到 35 MPa 以上，硬度在 374 HV0.3 左右，与传统的镶入铸铁缸套的某直列四缸气 缸体相比，实现降重 2.5 kg。在干摩擦和润滑两种条件下，利用 CETR UMT-3 多功能摩擦磨损 测试仪对涂层样块及传统的铸铁缸套样块进行摩擦磨损对比试验，结果表明在干摩擦和润滑 2 种条件下，涂层的摩擦磨损性能明显优于传统的铸铁缸套，缸孔表面性能得到显著改善。
主要采用 SUMEBore 内孔旋转等离子喷涂工艺 制造出无缸套全铝合金气缸体，并对制造工艺、涂层 微观组织及性能进行研究，为推动国内无缸套全铝 合金气缸体的应用进程提供试验数据及理论支持。
汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 37
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2 试验材料及方法
2.1 基体材料 喷涂试样采用牌号 ADC12 的铝合金铸造的气缸
为了保证涂层的结合强度，喷涂Baidu Nhomakorabea需采用内孔 旋转喷砂工艺对气缸孔进行粗化处理，同时需对非 粗化表面采用遮蔽工装进行遮蔽防护。粗化后表 面粗糙度需要达到 Ra 6～8，Rz 60～80。
喷涂试验采用欧瑞康美科生产 SUMEBore 内 孔 旋 转 等 离 子 喷 涂 设 备 ，选 用 喷 枪 型 号 为 SMF210。 该 喷 涂 工 艺 是 以 等 离 子 弧 作 为 热 源 ，通 过 特 定 的 喷 枪 结 构 设 计 ，使 产 生 的 等 离 子 射 流 与 喷 枪轴线之间呈 90°~135°夹角，进行喷涂，即喷枪沿 缸 孔 中 心 轴 线 方 向 伸 入 到 缸 孔 中 ，等 离 子 焰 流 沿 缸孔内壁径向上下循环往复，同时 360°旋转扫射 形成涂层 。 [19] 喷涂原理如图 3 所示，喷涂部分工艺 参数见表 2。涂层宏观状态要求无裂纹、不分层、 无脱落、颜色一致等。
关键词：内壁涂层 内孔等离子喷涂 组织与性能 摩擦磨损 轻量化 中图分类号：TG174.442 文献标识码：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20190162
1 前言
随着排放和油耗标准的不断提高，对汽车发动 机提出了更加严苛的要求，驱使着各汽车厂商寻求 各种新技术的应用，以期达到各阶段的要求[1]。以 汽车轻量化及动力总成的优化升级、降摩擦等技术 来实现传统燃油汽车节能和燃油经济性成为汽车 制造发展的趋势之一[2- 。 5] 在全铝合金气缸体缸孔 内壁喷涂一层涂层取代传统的铸铁缸套的工艺有 益于发动机摩擦损耗及质量的降低，因此受到越来 越多的关注[6-10]。
20 μm
图 1 XPT512 粉末的 SEM 照片
表 1 XPT512 粉末材料化学成分
Wt%
材料
C
Mn
Cr Mo Ni Fe
XPT512 1.0～1.3 1.4～1.6 1.4～1.6 — — 余量
2.3 制备工艺 无缸套全铝合金气缸体的制备工艺流程如图
2 所示，其中气缸孔是发动机最关键的部位，在工 作 时 缸 孔 表 面 需 承 受 活 塞 环 高 速 往 复 的 摩 擦 、直 接承受燃烧产生的热负荷，其加工精度、表面质量 会 直 接 影 响 到 发 动 机 的 性 能 和 寿 命 ，因 此 对 缸 孔
体，气缸体为直列四缸机，成品孔径尺寸为 74 mm，孔 深 124 mm。气缸体需进行热模拟分析，对缸体结构 进行优化，以满足取消缸套后缸孔的刚性要求；在 铸造过程中不再镶入铸铁缸套，直接制造出全铝气 缸体。 2.2 喷涂材料
欧瑞康美科针对于 SUMEBore 内孔旋转等离 子 喷 涂 工 艺 开 发 了 多 种 喷 涂 材 料 ，如 牌 号 为 XPT512、F2071、F4301、F205 等[17]，其中以 XPT512 的 合金粉末应用最为广泛，已实现大批量应用，其扫描 电镜照片如图 1 所示，粉末材料的化学成分见表 1。喷涂前需要将合金粉末置于 80 ℃烘箱内 1 h。采 用的喷涂材料为粉末状材料，其主要优点是材料的 种类几乎不受限制，其成分可以从金属合金扩展到 金属陶瓷复合材料，甚至是纯陶瓷，能够最大限度 地 满 足 不 同 内 燃 机 工 况 及 性 能 的 需 求 ，如 提 高 耐 磨、耐腐蚀、抗划伤、降低摩擦等[18]。