内燃机行业是一个资本和技术都高度集中的产业。它经历了一个漫长的发展过程, 始终以一个低档次、慢速度的步子前进。其中很大原因就是我国的内燃机技术水平较低, 而评价内燃机耐用的一个重要指标就是看其气缸套的耐用度。

　　气缸套是内燃机中工作环境最为恶劣的零部件之一, 承受高温、高压的冲击和活塞环的往复摩擦,磨损较快且易产生拉缸现象。气缸套的磨损可以分为下列三种情况:

　　(l) 磨料磨损, 由于吸入的空气中混有尘埃, 机油中有积炭、金属磨屑等外来坚硬杂质, 形成磨料,磨料粒子在气缸镜面造成了平行于气缸轴线的拉痕, 个别粗大的磨料也会留下粗大拉伤, 一般称为拉缸。

　　(2) 腐蚀磨损, 燃烧过程中产生许多酸性物质,如果气缸上的润滑膜不足, 就会对缸体腐蚀, 形成腐蚀磨损。

　　(3) 熔着磨损, 当气缸与活塞在润滑不良情况下滑动时, 两者有极微小部分金属面直接接触, 摩擦形成局部高热, 使之熔融、脱落, 逐步扩大即产生熔着磨损, 如果油膜得以及时恢复起到清洗和冷却作用, 则微小熔着部分脱落不会扩展, 如果油膜恢复迟缓, 熔着扩展, 导致很大范围内发生异常造成熔着磨损, 这是一种破坏性更大的磨损。

　　每年大量内燃机由于其缸套零件的磨损腐蚀而大大降低了使用寿命。为了克服上述缺陷, 延长发动机寿命, 提高气缸的耐磨性能显得尤为重要。国内外许多科技工作者一直在研究提高其使用寿命的新钢种, 从目前国内现状来看, 效果一直不明显。因此, 在缸套行业引用推广表面技术就显得尤为重要。

　　1 气缸套内表面处理的应用现状

　　无论何种内燃机, 对气缸套的基本要求都是相同的, 即抗磨损性、保油性、低摩擦系数、抗燃气腐蚀以及足够的机械强度。缸套按材质可分为铸铁质和钢质两种。前者通常是由含磷和含硼铸铁制造, 其加工精度和成本较高, 后者通常由无缝钢管或低碳钢板制造, 其毛坯成型、机械加工、镀铬等工艺技术的难度较大。下面是各种表面技术在气缸套上的应用现状。

　　1.1 电镀技术

　　电镀铬技术在提高缸套质量方面的应用在国内外都比较广泛和成熟。

　　缸套镀铬常用的方法有三种松孔镀铬, 硬质镀铬, 英国 Cromard 专利镀铬。

　　1.1.1 硬质镀铬

　　日本泉公司采用该工艺, 国内也有厂家采用。其特点是缸套内孔表面涂以高尺寸精度的硬质铬层,厚度为 0.05- 0.08mm, 以机械法( 布磨) 使镀铬层表面形成凹凸不平状( 微观), 以改善初期磨合性和抗拉伤性, 再通过磨料对镀铬表面进行研磨, 使其形成独立的沟状储油槽。因镀层较松孔镀铬薄, 故其内部的残余应力小, 这是一成本较低, 耐用性较好的镀铬工艺。

　　1.1.2 松孔镀铬(也称多孔性镀铬)

　　国内多数生产厂均采用该工艺 (其他行业也经常采用), 其特点是缸套内孔表面涂以较厚的铬层,厚度约为 0.04- 0.1mm, 最大达 0.15mm, 然后经逆电解处理(即反镀), 以形成沟槽状储油槽, 再进行布磨加工。故工序多、铬层厚、镀铬时间长、成本高, 并且在逆电解镀铬层形成沟槽时, 一旦沟槽达到或深入基体, 即会导致镀层剥落或影响基体与镀层的结合强度所形成的贮油沟槽连续相通, 贮油性能差, 故缸套的使用寿命比较短。

　　1.1.3 英国 Cromard 专利镀铬技术

　　该工艺的特点是点状储油构造不是靠反镀形成的, 而是在镀铬过程中直接形成的, 网纹不贯穿镀铬层, 是由不规则的平台和凹坑组成的, 厚度一般为0.019- 0. 025mm, 残留应力小, 与基体的结合强度高, 不易剥落, 贮油性能好。

　　众所周知, 镀铬层具有很多优点: 表面硬度高,镀铬层硬度一般在维氏硬度 800- 1000 之间, 抗磨料磨损性好, 熔点高达 1770°可改善。但是因镀铬有毒性、环境及费用问题, 世界各国正逐渐地限制其发展。其缺点将在后面详述。

　　1.2 激光表面处理

　　1.2.1 激光淬火

　　从 20 世纪 70 年代初开始, 激光表面相变硬化技术得到迅猛发展, 目前也在气缸套领域得到应用。气缸套内表面经过激光硬化处理后, 可显著提高硬度、强度和耐磨性能, 延长疲劳寿命, 从而大大提高产品质量和经济效益。我国在汽车缸体激光热处理方面已有较好的发展。基体硬度在 HV400 左右的缸套, 激光处理后显微硬度一般在 HV600- 700 左右,耐磨性能大大增加, 如石家庄机务段 0204 机车的0248 号柴油机上激光淬火气缸套比非激光淬火气缸套的磨损量降低在 30%- 100%之间, 可见效果显著。利用激光设备的气缸套内壁硬化处理在国内应用较为广泛, 但激光淬火存在投资回收期过长, 维修费用和气缸套成本高等缺点。

　　1.3 等离子处理

　　等离子束与激光束同为高能量束, 具有能量密度高、加热速度快等特点, 特别适合于处理要求变形小、耐磨性好的零部件。我国在高能量束“激光束、电子束、等离子束”的应用研究领域起步较晚。尤其是等离子对钢铁材料的表面处理是 80 年代中期才开始的, 但发展极为迅速。

　　1.3.1 等离子淬火

　　等离子淬火缸套内壁时, 等离子束虽然能量密度不如激光, 但其总能量输入却比激光多。因此, 等离子处理的气缸套硬度带宽度比激光处理的宽。等离子表面处理不是淬硬整个内孔表面, 而是通过程序控制, 在气缸套表面形成连续的、不等间距螺旋线形淬火轨迹硬化。这样不仅能够提高气缸套的耐磨性, 而且还能够克服正常的润滑油膜不能起保护作用时, 滑动活塞环与气缸套内壁的咬紧现象。由于采用了不等间距淬火, 在上止点磨损最严重的部位采用较小的螺距, 有利于提高整个缸套的寿命。

　　其缺点为经等离子表面硬化处理后的气缸套寿命提高幅度较小, 一般在 60%- 70%左右, 这样就使它满足不了一些高度耐磨缸套的要求。

　　1.3.2 等离子多元共渗

　　气缸套用高能等离子束在常压下快速扫描涂敷合金渗剂的气缸套内表面可实现多元共渗 +自激冷淬火复合硬化。根据文献记载: 获得的总硬化层深度大于 150 μm, 硬化层显微硬度可达 927HV。

　　试验采用气缸套常压等离子束快速扫描合金化专用机床。气缸套在水平托辊的带动下作定轴旋转运动, 等离子炬沿导轨作往复直线运动, 从而在被处理的气缸套内表面扫描出规则的螺旋状硬化带完成等离子扫描多元共渗合金化过程。

　　优点: 生产过程稳定、成本低、效率高。缺点: 耐磨性提高幅度大约只有 26%。

　　1.3.3 等离子喷涂

　　气缸套喷涂钼合金可能是等离子喷涂在汽车工业的最大应用。目前 SULZER METCO 中已研制了用于发动机气缸的从清理、吹砂直至喷涂的一整套系统, 涂层质量优良。这一系统每天可喷涂十缸发动机缸套 200 件。国内在这方面也有比较成功的实践应用。但由于喷钼后 HV800- 900 左右, 耐磨程度提高幅度不大。

　　当前, 等离子喷涂金属陶瓷粉末而形成的陶瓷气缸套在国外已取得成功, 并且已应用于生产, 耐磨性能提高幅度能达到原来的 1~1.5 倍。而在国内还处于研究的初级阶段。最近, 山东科技大学材料研究院在完成山东省《陶瓷气缸套》项目研究的过程中,在这方面做了大量工作, 取得了极大成功。用等离子喷涂新型金属陶瓷粉末后的气缸套耐磨度比原来提高 120%以上。

　　除以上几种处理气缸套的表面技术, 另外还有氮化处理、感应淬火、低温离子硫化等方法, 在此不再赘述。

　　2 气缸套内表面处理的发展趋势

　　上面所述的缸套处理方法虽然各有其优点, 但也都存在着或多或少的缺点, 都不是非常理想。除了电镀铬强化应用比较广泛外, 其他的只是适合应用于某个小的范围。当前, 世界工业发达国家其内燃机用气缸套, 已从激光强化发展到缸套内壁氮化、电镀铬强化。

　　随着越来越多的内燃机向大功率、低燃油耗方向发展, 其更高的爆燃压力和温度导致了一般的镀硬铬处理、表面强化等方法的工作效率下降。特别是当使用高硫燃料时, 则需要更高的耐腐蚀性能, 以保持或增加其使用寿命。

　　另外, 镀铬的确有一些缺陷。问题之一是, 在磨损中镀层突然剥落, 从而造成灾难性失效的倾向。问题之二是从镀铬表面上磨掉的细粒会分布到润滑油膜中去, 这些细粒是磨损性的, 并且会划伤配合面。

　　所以, 在那些润滑不足并出现金属—金属接触的情况下应用镀铬可能不会令人满意。问题三是: 镀铬有毒性、环境及费用问题。镀铬工艺产生几种分布于空气和固体垃圾废物中的对环境有毒的废物 (如六价铬), 根据目前接受的检验标准, 铬是普通化合物中致癌能力最强的。在美国、加拿大或欧洲, 为了履行环境保护署的规定, 镀铬设施不得不进行现代化, 以使有毒废物尽量减小。处理和处置镀铬副产品的费用的增加促进了对更具吸引力、费用更低的替代工艺的需求。

　　为了克服上述缺陷, 延长发动机寿命, 当前普遍采用的镀铬处理的气缸套的适用范围将会越来越受到限制。研究开发新材料新工艺, 发展提高气缸的耐磨性能将显得尤为迫切和重要。陶瓷作为一种新型工程材料, 有着耐高温, 耐腐蚀, 耐磨损等金属材料难以匹敌的特殊优良性能。因此, 在金属表面喷涂陶瓷涂层的方法来制备既具有金属的强度和韧性又有陶瓷耐高温、耐腐蚀等优点的复合材料的工作越来越受到人们的重视。随着表面技术中的热喷涂技术的飞速发展, 当前, 最先进的气缸套是采用等离子喷涂在缸套内壁喷涂一层耐高温、抗磨损的陶瓷涂层,即所谓的陶瓷气缸套。

　　等离子喷涂是热喷涂领域的一个重要分支, 由于等离子弧具有弧柱细、电流密度大、气体电离充分、温度高、能量集中、稳定性好和可控性好等优点,气缸套内壁采用等离子喷涂获得高硬度、耐磨损、低摩擦系数的陶瓷涂层, 其使用寿命提高一倍以上, 并且等离子内孔喷枪能喷涂的最小内径为 50mm。这将使内燃机的应用寿命有很大的提高, 使得安装有该内燃机的整机使用寿命大大提高, 使其具有很强的竞争力。开发陶瓷缸套产品, 不但能够抢占国内市场, 而且在国际市场也具有一定的竞争力。国产钢质气缸套最先进的工艺是电镀铬缸套, 至今尚未见生产陶瓷气缸套的报道。但是, 随着我国内燃机工业的发展, 特别是加入 WTO 之后, 国产内燃机要在国内市场占有一席之地, 并试图打入国际市场, 必须促进内燃机制造业尽可能地应用当今社会的科技成果,又因为镀铬的毒性造成的环境问题必将会被更先进的工艺所替代。这样内燃机用气缸套陶瓷化, 是我国内燃机工业发展的必由之路。

　　另外, 等离子喷涂工艺作为一种主要的实现气缸套陶瓷化的工业技术, 在未来工业中地位将会越来越重要, 应用范围也在随着高新技术的发展而不断拓展, 但仍存在下列问题, 有必要作深入系统的研究:

　　现代电子、计算机技术、传感器、测试技术、自动化技术、机器人技术、真空技术相结合, 通过对工艺参数、材料的规范化, 建立规范的热喷涂陶瓷涂层的质量保证体系, 从而实现工业化批量生产的产品的质量可靠性、稳定性和重现性。

　　寻求最佳的能从根本上解决陶瓷涂层同金属基体界面的结合问题的方法, 及以低成本、高效率获得无缺陷涂层的工艺。

　　一般的等离子喷涂设备工作时, 发出强烈的噪声, 损伤操作人员听觉器官, 并辐射出红外、紫外线等, 对人眼、皮肤伤害极大, 因此需研究开发出能有效防止光辐射、高噪音、有害衍生气体、粉尘等有害物质的新型热喷涂机械, 从根本上改善工作环境。

　　国产等离子喷涂机械设备的性能不稳定, 工作中常断弧, 其原因是电控系统工况不稳定, 喷涂材料和结构质量差, 有必要迅速改进。

　　3 结束语

　　有关陶瓷气缸套的生产, 国外在某些领域如高级赛车等方面已有应用, 国内还未见有报道。但是随着热喷涂技术的不断完善和发展, 相信热喷涂处理的陶瓷气缸套有着光明的应用前景。展望未来,陶瓷缸套将会在我国内燃机行业中获得广泛应用,并以其高的性价比支持我国内燃机行业步入国际市场, 为社会节能、节材做出巨大的贡献。展望 21世纪, 表面技术将在气缸套领域中显示出更广阔的应用前景。