表面工程技术在发动机零部件修复中的应用(中)

　　2表面工程技术在发动机中的应用

　　分析发动机零部件损坏的形式和特点可以得出发动机零部件失效的主要形式为：磨损、腐蚀与疲劳等，它们多发生于表面，或者是先从表面开始，所以提高材料表面性能对延长零部件使用寿命和发挥潜力有着重要的作用。

　　提高材料表面耐磨性的强化方法往往是从提高表面硬度和减少摩擦系数两方面着手。迄今为止，传统的表面淬火和渗碳淬火还是提高零部件耐磨性的主要手段，曲轴、活塞销、凸轮与凸轮轴等大量零部件都是采用这种工艺方法。气体渗氮、碳氮共渗、离子氮化等主要是利用弥散分布的氮化物来提高材料的表面硬度；渗硼、渗钒、渗铬和沉积碳化物、氮化物处理所得到的高硬度和超高硬度的化合物层，具有更优异的抗磨料磨损能力和高的抗粘着磨损能力；表面镀层，如镀铬层等也是一种广泛应用的耐磨性镀层。

　　改善摩擦条件，降低摩擦系数的表面处理可从另一方面提高材料的耐磨性。渗硫、硫氮共渗、硫氮碳共渗、磷化、石墨化渗层都是在金属表面生成减摩的化合物层和非金属层，以降低摩擦系数，避免摩擦副之间直接接触，因而能防止粘着、避免擦伤。

　　提高材料表面抗疲劳性能的主要方法有：高频表面淬火、渗碳淬火的淬硬层，其马氏体硬度高，并存在有残余压应力，从而使疲劳强度有一定提高。喷丸、表面滚压等表面形变强化处理在提高表面硬度，造成表面压应力的同时，还能消除表面缺陷，因而能提高材料的疲劳强度和降低材料对缺口的敏感度。在表面淬火、渗碳淬火和渗氮后再进行喷丸和表面滚压处理的效果更好，特别是轴的轴径，齿轮的齿根等应力集中处，用表面滚压加工效果更好。

　　提高材料表面抗腐蚀性能的主要方法有：(1)镀铬，因为它在碱、硝酸、硫化物、碳酸盐及有机酸中非常稳定；

　　(2)氮化，因为它在零部件表层形成稳定性高的相层，对水、潮湿空气、燃烧产物，特别是对硝酸的抗蚀性很高；(3)渗铝、渗硅对酸有良好的抗蚀性；(4)含铬的镍基、钴基自熔性合金喷涂层具有良好的热腐蚀、燃气腐蚀的能力，因为形成了致密的Cr2O3氧化膜；(5)对钢铁零件，如活塞环进行磷化和发蓝处理，它们可以防止腐蚀和减轻机械磨损。下面重点介绍几种常用的表面工程技术。

　　2.1热喷涂

　　热喷涂法不仅能使零件具有耐磨、耐蚀、耐氧化、耐高温、隔热等不同功能，而且能使它具有复合性能，即能保护零件，又能修复零件。目前，在发动机中，主要用于曲轴、活塞顶部、活塞环、气缸套、排气门、阀座、凸轮、齿轮等零件的表面处理和修复[6]，表1给出了采用热喷涂修复发动机缸体及更换新件的经济效益对比，由表可见，热喷涂3Cr13材料修复仅需花费新件成本的4.2%。

　　在发动机中，用于提高零件表面耐磨性的喷涂材料主要有下列几种：

　　1)钼。钼作为喷涂材料，其纯度需在99.95%以上。钼主要作为活塞环的喷层，它可以得到具有氧化物层的层状钼层和大约10%~15%的孔隙率，其喷涂层厚度一般为0.25mm，具有良好的储油性能。钼层熔点高(约为2620℃)、摩擦系数低、硬度高(HV1070左右)。因此耐磨性好，一般用在第一道活塞环处。

　　2)钼基合金。钼基合金的等离子喷涂层的特点是抗拉缸性好，因为它是由低硬度的纯钼(HV350)和硬度相当高的(HV700)镍基合金两相组成。其热稳定性优于钼丝喷涂层，耐磨性能相当于镀铬，特别是在润滑条件不够充分时。

　　3)铬基合金。铬基合金等离子喷涂层不仅在边界条件下的耐磨性及抗咬和性能较好，而且还能提高配磨材料的耐磨性，可同时提高缸套和活塞环的耐磨性。在边界润滑条件下，这种涂层的活塞环比镀铬还更耐磨，因此，可做高速、中速和低速发动机活塞环的涂层材料。

　　4)陶瓷。陶瓷涂层如氧化铬和氧化铝/二氧化钛硬度较高(HV1500)，在一定条件下，活塞环的耐磨性能好，但对缸套磨损却很大，因此，只能在特殊要求的情况下使用。

　　5)金属陶瓷。金属陶瓷是比较复杂的，它是以碳化物为基(如碳化钨)的涂层，即使在恶劣的运转条件下，不但活塞环的磨损低，缸套的磨损也低。但金属陶瓷很贵。在发动机中，一般将陶瓷喷在排气阀面、活塞顶面、活塞环工作面上。

　　6)镍基合金。镍基合金有Ni-B-Si和Ni-Cr-B-Si系。镍基合金涂层除耐磨性较好外，还有很好的抗蚀性和较高的热硬性。主要用于发动机活塞环、阀座、阀门、凸轮的喷焊(也用于修复)，以提高这些零件的耐磨性。

　　7)高碳钢与不锈钢。高碳钢，如碳素工具钢T8常用于修复并强化发动机铸钢，球墨铸铁轴颈表面的线材气喷、电喷涂。而不锈钢由于具有优越的耐蚀性、耐热性，而用于气缸套内表面的喷涂(火焰喷)，具有很好的效果。

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