汽油机铝合金缸孔等离子喷涂摩擦学性能研究

戴基卉 姜 钰 尹 琪

(上海汽车集团股份有限公司乘用车公司, 上海 201804)

0 前言

随着国家对汽车尾气排放要求日益严苛，各发动机生产企业已经开始将轻量化技术和减摩擦技术应用于传统发动机上，以达到降低发动机排放，提高燃油经济性的目标[1]。

目前，主流汽油机缸体内孔一般采用铝合金基体镶嵌铸铁缸套。该方法成本较低，但其缺点是缸体散热不良，易变形，且耐腐蚀性较差[2]。近年来，国内外企业开始在发动机铝合金缸体内孔表面采用热喷涂方法，制备1层厚度约为150 μm的铁基涂层，改进传统的铸铁缸套制造工艺。该方法有效降低了缸体质量，以及发动机摩擦损失，同时也有效降低了燃油消耗及机油消耗，提高了缸孔的耐久性[3]。

大气等离子喷涂(APS)是一种以等离子弧为热源，以喷涂材料为粉末的热喷涂方法[4]。图1示出了APS方法的原理示意图。APS方法的原理是喷枪喷嘴(阳极)与电极(阴极)相互作用产生电弧，加热工作气体发生电离，从而产生等离子弧。此时，受热的工作气体急剧热膨胀，通过喷嘴形成高速等离子射流喷出，成为送粉气体。等离子射流的速度约为1 000～2 000 m/s，在出口形成的温度高达15 000～20 000 ℃。送粉气体通过喷嘴将粉末送入等离子射流中。金属粉末被加热到熔融或半熔融状态，并被等离子射流加速，喷射到经过预处理的基体表面形成涂层[5]。

图1 APS方法原理示意图

本文通过制备APS缸孔，将缸孔部位进行切片，进行了涂层的机械性能测试及摩擦磨损试验，分析了缸孔APS涂层对汽油机燃油经济性和耐久性的影响。

1 APS缸孔涂层的制备

以上汽集团某汽油机缸体为研究对象。在该款汽油机缸体的铸造过程中，去除铸铁缸套，并以铝合金填充。采用欧瑞康美科(Oerlikon Metco)公司SUMEBore孔内旋转等离子喷涂工艺，对缸孔涂层进行制备。APS缸孔加工工艺流程为：预机加工—缸孔机械粗化—清洗—等离子喷涂—粗珩—镜面级珩磨。选择的喷涂材料为Oerlikon Metco公司的XPT 512粉末[6]，其成分见表1。从粉末的配方来看，该粉末为铁基合金粉末，成本相对较低，产生的涂层具有较好的加工性，适合大规模量产。

表1 Oerlikon Metco公司的XPT 512粉末化学成分表

2 缸孔APS涂层的性能测试

2.1 涂层的微观形貌

将带有APS涂层的缸孔部分进行切片，并采用扫描电子显微镜(SEM)扫描电镜在背散射信号下逐级放大观察涂层截面形貌(图2)。由图2可见，涂层中分布有黑色的孔隙、灰色的氧化物，以及未熔的粉末颗粒。

图2 SEM扫描的APS涂层截面组织形貌

在喷涂过程中，由于焰流温度很高，粉末颗粒在飞行时会发生氧化，生成氧化物。涂层中的氧化物含量及其状态极大地影响了涂层的性能。氧化物在涂层中起到强化作用，可以提高涂层的耐磨性。

2.2 孔隙率及氧化物含量

经过测试，测得涂层的孔隙率为2%～4%，氧化物含量为10%左右(图3)。

图3 SEM扫描APS涂层截面

通常采用珩磨的制造工艺对发动机缸体内孔进行加工。发动机在运行过程中，活塞组件往复运动，缸孔内壁会产生交叉的网纹结构，发动机依靠该网纹结构来储油和布油。缸孔内壁珩磨网纹结构的过程复杂耗时，且网纹参数的设计与发动机的摩擦性能强相关。因此，如果设计不当，会产生相反效果。等离子喷涂制备涂层为多孔结构，具有2%～4%的孔隙，孔隙可储存润滑油。此外，涂层的多孔结构可使整个涂层实现均匀分布。涂层不会随着磨损而消失，可使发动机在整个生命周期中保持良好的润滑状态。

2.3 显微硬度

在同一试样的涂层横截面方向上选择5个不同的点位进行硬度测试(图4)。采用维氏硬度机，分别在这5个点位上加载了5 N的载荷力，得到涂层的维氏硬度(HV0.5)表现(表2)。经测试，该APS涂层的维氏硬度(HV0.5)平均值为335。与表面硬度在220 HB(布氏硬度)左右的铸铁缸套相比，APS涂层的缸套硬度较高，可以提高缸体的耐磨性和耐久性。

表2 APS涂层的显微硬度(维氏硬度)测试结果

图4 APS涂层的维氏硬度(HV0.5)测试

2.4 表面粗糙度

在缸孔喷涂后，对缸孔内壁进行了珩磨。珩磨采用粗珩加镜面级珩磨工艺。由于缸体内孔壁面光滑度接近镜面级别，其粗糙度非常低。采用德国Mahr公司的粗糙度仪进行了检测，其珩磨参数见表3。

表3 APS缸孔珩磨参数

测试结果显示，经过镜面级珩磨后，APS缸孔表面粗糙度明显降低，接近于镜面级别。活塞环与缸套的摩擦系数处于较低水平。

3 APS缸孔切片-活塞环切片摩擦副的摩擦学性能试验

本研究采用测定摩擦磨损性能的试验机(SRV试验机)模拟活塞环-缸套往复运动，进行摩擦磨损试验。将活塞环和缸套剖切成片，并将铸铁缸套切片、APS涂层缸套切片分别与活塞环切片组成摩擦副，进行摩擦性能试验。

3.1 干摩擦阶梯加载试验

设定试验条件为：干摩擦，载荷起始为50 N，加载频次为20 N/min，试验温度为150 ℃， 频率为30 Hz，行程为3 mm。当摩擦系数显著升高时，试验停止。图5示出了APS缸孔切片-物理气相沉积(PVD)活塞环切片及铸铁缸套切片-PVD活塞环切片在干摩擦阶梯加载试验中的摩擦系数曲线。

图5 干摩擦阶梯加载试验摩擦系数曲线

在干摩擦条件下，铸铁缸套切片-PVD活塞环切片摩擦副在加载初始载荷后，经过6 s的运行时间，摩擦系数会急剧上升至1.200以上，停止试验。而APS缸孔切片-PVD活塞环切片摩擦副在加载初始载荷后，初始摩擦系数为0.300。随着载荷增加，其摩擦系数不断降低。当APS缸孔切片-PVD活塞环切片摩擦副载荷加载至170 N，并运行6 min后，其摩擦系数降至最低，为0.220。继续增加载荷，其摩擦系数会持续缓慢增加。当载荷加载至290 N，并运行13 min后，其摩擦系数升高至0.500。此时，停止试验。

采用轮廓仪对试验后的样件磨损情况进行了检测(图6)。APS缸孔切片-PVD活塞环切片阶梯加载试验在运行13 min，载荷加载至290 N时，涂层几乎无磨损，而铸铁缸套切片-PVD活塞环切片加载试验运行6 s，载荷加载至50 N时，涂层磨损深度约为6.2 μm。

图6 干摩擦阶梯加载试验磨损量分析

干摩擦阶梯加载试验表明，APS缸孔切片-PVD活塞环切片摩擦副的摩擦系数较低，APS缸孔切片耐磨性优异，抗拉缸性优异。这是因为APS缸孔的涂层硬度高，且涂层内含有氧化物、碳化物等增强相，提高了涂层的耐磨性。

3.2 在润滑条件下的往复摩擦试验

设定润滑条件下的往复摩擦试验条件：采用相同牌号、相同剂量润滑油(0W-20)，温度175 ℃，载荷为100 N，摩擦频率为300 Hz。图7示出了APS缸孔切片-PVD活塞环切片及铸铁缸套切片-PVD活塞环在润滑条件下进行往复摩擦试验的摩擦系数曲线图。在相同条件下，APS缸孔切片-PVD活塞环切片经过磨合后，摩擦系数稳定在较低水平，比铸铁缸套切片-PVD活塞环切片摩擦副的摩擦系数低。试验也表明，APS缸孔切片-PVD活塞环切片在磨合期间的摩擦系数较高，且需要较长的磨合时间才具有较低的摩擦系数。这是因为APS涂层较硬，活塞环外圆面的PVD硬度也比较高，二者之间需要较长时间的磨合。APS缸孔切片-PVD活塞环切片经过磨合后，涂层表面粗糙度接近镜面级别，涂层内部和表面的孔隙储存有润滑油。在活塞往复运动过程中，APS涂层会产生流体动压效果，进一步降低摩擦，具备优异的摩擦学表现。

图7 润滑条件下的往复摩擦试验

4 结论

在汽油机铝合金缸体内壁，采用APS方法制备涂层缸套，替代传统铸铁缸套，显著改善了发动机的摩擦学性能。APS涂层通常采用铁基合金配方。该涂层硬度较高，耐磨性好，抗拉缸性能好。APS涂层采用镜面级珩磨制造工艺，使表面粗糙度较低，可降低摩擦副的摩擦系数。此外，涂层内含有一定孔隙率，能起到储油润滑的作用。在运动过程中，APS涂层增加了流体动压效果，进一步改善了摩擦学性能[7]。汽油机缸体应用APS喷涂技术，具有以下优点。

(1)可减小缸套质量，实现发动机的轻量化目标。

(2)涂层导热性更好，能使缸体承受更高的极限温度，使发动机的功率运行区间更为宽广。

(3)涂层厚度较薄，与铸铁缸套相比，APS涂层可以降低缸体鼻梁区厚度，使发动机结构更为紧凑。

(4)与传统铸铁缸套相比，APS涂层硬度高，更耐磨，抗拉缸性能更优，可提高发动机耐久性。

(5)具有APS涂层的发动机的抗拉缸性能优异，尤其适合发动机频繁起停的工况。

(6)涂层表面粗糙度低，接近镜面级别，空隙率能达到4%左右，可降低发动机摩擦损失，降低燃油耗。

目前，由于设备成本高等原因，国内主机厂还未大规模应用APS涂层工艺。随着该工艺的日益成熟和成本的降低，该项技术将在发动机，尤其在混合动力汽车发动机上得到更为广泛的应用。