高性能环保内燃机镍基复合镀层铝气缸的技术及应用

张丹

（福州钜全汽车配件有限公司福建福州350014）

高性能环保内燃机镍基复合镀层铝气缸的技术及应用

张丹

（福州钜全汽车配件有限公司福建福州350014）

在摩托车发动机和其它小型汽油机铸造铝合金气缸内壁电镀镍基耐磨复合镀层，取代传统的铸铁缸套和电镀铬气缸，解决了电镀铬气缸生产过程中的污染问题，实现环保型生产。同时，能够提高发动机动力性能。采用灌入式技术取代国外浸泡式，以及开发的六工位加工设备，实现了复合电镀气缸的高效批量生产。

铝合金气缸镀镍-碳化硅灌入式

引言

随着内燃机工业的发展，气缸和活塞作为发动机的核心部件，其性能及匹配性直接影响内燃机的性能和排放指标的水平和稳定性。福州钜全汽车配件公司研究开发的高性能环保的内燃机铝气缸，是在气缸，活塞、活塞环摩擦付优化匹配研究的基础上.在铸造铝合金气缸内壁电镀Ni-SiC复合镀层。该技术代替硬铬，解决了部分产品生产过程中的六价铬污染问题。研制成功的先进灌入式电镀工艺，逐步取代了小槽浸泡式电镀工艺；同时，开发的具有特殊加工工艺的六工位气缸加工专用机台，使高性能环保的铝气缸在制造、技术工艺不断改进中实现大批量的稳定高效生产。目前，已经形成了表面复合电镀Ni+SiC的铝合金系列气缸生产能力。

1 镍基耐磨复合镀层气缸的电镀技术

1.1 Ni-SiC复合镀的基本概念

在电镀溶液中加入固体碳化硅颗粒并使其与基质金属镍（或称主体金属）共沉积在基体上的镀层称为Ni-SiC复合镀层，这种金属镍基的复合材料有时也称为金属陶瓷，获得复合镀层的工艺称为复合镀。

1.2 Ni-SiC复合镀层的磨损机理

复合镀层是两相组织，复合镀层与滑动摩擦面接触时，首先是基质金属镍受到磨损，再使镶嵌在金属中的固体碳化硅颗粒得以凸出，并承受磨损。此外，镀层表面离微粒周围稍远些位置部分镍被磨损掉，会形成深浅不等，方向不同的凹槽，它可以储存润滑油（剂），从而使其具有良好的耐磨性能。

1.3 Ni-SiC复合镀层的技术特征

1）Ni-SiC电镀层硬度高，HV0.2≥500；

2）电镀层孔隙率高，自润滑性能突出，磨擦系数小，气缸使用寿命长；

3）Ni-SiC气缸散热效率高，热负荷低，使用寿命长；

4）Ni-SiC电镀层采用环保电镀工艺，不含六价铬等有害物质，实现清洁生产，完全符合欧盟ROHS环保标准。

1.4 Ni+SiC复合电镀的关键技术问题

1.4.1 工艺稳定性

涉及镀层的均匀性，硬质颗粒分布的控制，硬度的控制，电镀槽液的稳定性问题。

1.4.2 电镀阳极的选择

气缸是内孔电镀决定了复合电镀阳极和普通电镀的不同。经过反复分析研究，所确定的氧化铱/钛不溶型阳极技术方案既满足了复合电镀的需要，也克服了传统铂/钛阳极的价格制约因素，实现了镀层厚度的均匀性，减少后续珩磨量及生产成本。

1.4.3 成本问题

镀液老化和再生、均匀问题。添加剂控制及槽液循环系统投入及控制，不良率的控制。

2 Ni-SiC复合镀气缸缸孔的机加工技术

由于Ni-SiC复合镀层有很高的硬度及耐磨性，复合电镀气缸缸孔的机加工和珩磨工艺方面需要进行系统的研究开发。

借鉴六工位专机专利技术开发了气缸加工专用机台，通过硬质加工刀具的优选试验保证设备高效、稳定的切削能力；气缸的进排气口，扫气口是锐角，针对其电镀后由于尖端放电所产生的尖锐的硬质毛刺，自制了球型刀NC加工专用机，通过电脑模拟编程刀具轨迹，实现了NC自动去毛刺，使Ni-SiC复合镀层气缸的大批量生产能力得到保证。在设备制造，工艺调整，标准工时的探讨上做了大量的试验，获得了很高的机加工生产效率。

针对复合镀层气缸机加工半成品孔加工后，出现的电镀腐蚀导致孔变大的问题，通过研究气缸孔电镀前后的变化规律，调整了电镀前的加工尺寸并实施二次加工工艺，保证了产品生产一致性。

Ni-SiC复合电镀后的气缸耐磨性能很高，给后续珩磨工艺带来了困难。通过镀层厚度的均匀性的控制，珩磨石的选用，珩磨量的调整及不同气缸机型立卧式珩磨方法的选用，降低了生产成本，实现了Ni-SiC复合电镀气缸大批量高效生产。

3 主要技术指标与对比分析

1）附着力良好，完全符合GB/T5270-2005/ ISO2819：1980附着力的检验中磨、锯要求及深引检验要求（罗曼诺夫凸缘帽检验），得到欧美及日本多家客户的肯定，并在台架实验中到验证，与基体结合牢固。

2）镍-碳化硅复合镀层的硬度：HV0.2≧500，耐磨性能良好，发动机台架含初期磨合100h实验中镀层磨损量为5～7.5μm，大大小于铸铁气缸的磨损量。

3）镍-碳化硅复合镀层膜厚均匀，平均厚度45± 11μm。

4）镍-碳化硅分布的空白率：10%～30%。

5）技术条件符合图面要求。内孔表面镀镍-碳化硅的气缸产品能满足并通过客户的发动机台架试验。

6）与国内外同类技术或产品比较（详见表1）。

表1 铝合金气缸主要技术指标与工艺性对比分析

4 Ni-SiC复合电镀技术研究分析

在铸造铝气缸上探索合理的工艺路线，改变传统的电镀溶液成分，通过采用专利技术NI-SIC复合电镀液[1，2]，实现复合电镀气缸的批量生产，镀层硬度高，强化气缸内孔摩擦面，增加气缸的使用寿命。

镍-碳化硅的复合电镀液成分组成包括，氨基磺酸镍300～400 g/L、硼酸40～60 g/L、次磷酸钠0.7～1.0 g/L、碳化硅2～5 g/L，其中的pH4.3～4.5 T（℃）50～60。本公司系统开展了复合电镀液的含量对镀层结合力、硬度、外观、电镀速度的影响研究（电镀条件：PH值4.4，50℃，20min）。

4.1 硼酸含量对镀层结合力的影响

ρ（硼酸）/（g·L-1）303540455055结合力情况脱落脱落好好好好

4.2 次磷酸钠含量对镀层硬度的影响

ρ（次磷酸纳）/（g·L-1）00.20.40.60.81.01.21.41.6硬度（HV0.2）280 300 380 500 560 620 650 700 760

4.3 电镀方法、电流密度对镀层外观、电镀速度的影响

电流密度/（A·dm-2）5101520253035镀层厚度/um12253850627580镀层外观（沉浸式）细致细致粗糙粗糙粗糙粗糙粗糙镀层外观（上流循环）细致细致细致细致细致细致粗糙

4.4 铝合金表面灌入式电镀工艺研究

开发设计的Ni-SiC灌入式电镀工装使电镀液在整个工作期间始终处于定量流动状态下，减少了碳化硅颗粒沉积的概率，该工装获得的碳化硅分散性优于传统浸泡式方法。其操作参数：电流密度20～36 A/dm2；温度50～58℃；沉积速度4～6um/min；pH值4.2～4.6；流速2.5～4L/（dm2·min）。电镀镍-碳化硅厚度80um仅需要18min～20min，而传统浸泡式电镀80um需要40min～50min。而且减少了镀液再生时间和费用，解决了生产周期长，电镀槽液老化和浪费严重问题及电镀质量不稳定性问题。

5 发动机台架验证及应用前景

铝合金气缸内孔表面镀Ni+SiC工艺已通过了瑞典、美国、日本及国内不同主机厂的二十多个不同型号气缸的发动机台架大于200 h的耐久试验，排放动力指标都达到标准。其中，日本主机厂用镀层检验严苛的检验方法钻孔检验法达到A级标准（参见表2）。

气缸和活塞是车用、非道路用发动机中的重要零件，Ni-SiC复合镀层铝合金气缸具有良好的耐磨润滑性能，符合国际环保标准。在欧美国际市场及国内主机与配件市场具有广阔的应用前景。目前国内市场对该技术产品的需求量较小，在国际市场已得到广泛的技术认可并大批量配套应用。

表2 主机厂对镀层附着力的检测结果

6 结论

Ni+SiC复合电镀铝合金气缸具有良好的耐磨润滑性能，可以有效提高内燃机性能及可靠性，减轻发动机的质量。在携带式小汽油机，高性能摩托车汽油机，中小排量车用汽油机和特殊的轻型汽油机上具有广泛的应用前景。本文通过Ni+SiC复合电镀新工艺的系统研究，保证了铝合金气缸复合镀层的稳定性、均匀性和质量，并降低了成本，为内燃机的应用创造了良好的条件。

1薛玉田.一种电镀镍-碳化硅的复合电镀液：CN，101302643A[P].2008-01-18

2王秋梅，方玉霞，袁孝友.纳米碳化硅复合化学镀镍-磷合金工艺[J].电镀与涂饰，2011，30（1）：30～33

3徐述荣，林勇钊，张旭，等.一种ALSiC复合材料及其制备方法，一种镀镍ALSiC复合材料：CN，102815048 A [P].2011-06-10

4刘俊元，苗金良，李美华.摩托车缸体电镀镍-碳化硅工艺[J].摩托车技术，2001（7）：19

The Technology and Application for Ni Plating Cylinder with High Environmental Performance Used in Internal-Combustion Engine

Zhang Dan
Fuzhou Jieh Chueng Automobile Fitting Co.，Ltd.（Fuzhou，Fujian，350014，China）

Nickle/silicon carbide plating for cylinder inner bore is used in motorcycle engine and other small gas engine，which has already replaced iron cylinder and chromated cylinder，solved the pollution issue during chrome production process，and achieved clean production.And meanwhile，it could enhance the engine power.Adapting injection technology to replace immersing and developing the 6 section dedicated machine have achieved high efficiency production.

Al-alloy cylinder，Nickel/silicon carbide plating，Injector

TK413.1

A

2095-8234（2014）05-0042-03

2014-07-07）

张丹（1969-），女，工程师，主要研究方向为高精密铝合金件的铸造加工，表面处理及活塞设计。