摩托车发动机气缸体应用新型镍钴铁涂层技术的探讨

摩托车发动机气缸体应用新型镍钴铁涂层技术的探讨目前，摩托车常用的硬铬电镀涂层工艺，因涂层硬度、光洁度高，在厚度为0.0127～0.02286mm时，成本较低；但当镀层厚度增加时，成本会增加几倍，而且这种工艺还有以下缺点：a）镀层粘接力不强：特别是与铸铁基材料（如球墨铸铁）粘接不牢，主要原因是电镀中存在严重的微裂。虽然电镀工艺微裂有助于消除剩余应力，但微裂过分，特别是从表面至基体发生微裂，会导致电镀层与基体分离。b）工艺控制困难：目前还难以通过工艺变量控制获得可依赖、可重复的电镀层，如铸件浸入到镀槽中时，会滤出铸铁影响电镀液的导电性。c）生产率很低：一般厚度为0.0254mm的电镀层，施工时间长达1h。d）要求大功率电源：一般645mm2的工件电镀，需要14～16W的电源。e）难以完全遮蔽：由于电镀时工件须完全浸入到镀槽中，故局部不需电镀的工件表面也将被电镀，还需要再加工。f）防浸蚀能力差：电镀工艺中镀层的微裂会使一些腐蚀性介质渗入到基体材料上。g）电镀时：会在拐角或尖缘处形成小结，导致粘接不牢。h）镀槽中的污染物：会影响电溶液的导电性及其它电镀工艺参数。i）维护和处理电镀排液费用高。1、热喷涂涂层由于硬铬电镀涂层存在上述缺点，从硬度、表面粗糙度、抗磨损、抗腐蚀及承温能力等方面对比看，高速氧燃料热喷涂涂层均优于硬铬电镀涂层，因此有可能会部分取代硬铬电镀涂层。热喷涂涂层的涂层材料有88WC-12Co和75CrC-25NiCr两种，美国技术人员试验表明，这两种涂层材料与基体材料的粘接强度均超过10000PSi，耐磨能力更优于硬铬电镀涂层。正确选择热喷涂涂层要遵循一定的原则，即工件的尺寸、涂层的厚度（是否超过0.0254mm）、涂层的功能（抗磨损）等，一般情况，提高大工件的抗磨损能力，用热喷涂涂层为宜。如直径为200mm的印刷筒，要求电镀层厚0.25mm，如用硬铬电镀涂层的话，由于电镀层厚，需完全浸没该工件，电镀槽要足够大，时间长达12h，成本将增加，很不经济；而采用高速氧燃料热喷涂，工件固定在车床上匀速转动，喷涂枪由控制器控制，沿工件以一定的速度轴向移动（工件涂层尺寸偏差0.05mm），加工快且成本低。但气缸内壁不适合热喷涂。2、发动机用镍-磷基陶瓷复合材料镀层通常，往复发动机由于部件的摩擦要耗费约40%的总能量，而这种能耗多半是由活塞、活塞环和气缸之间摩擦引起的，另外发动机部件还会受到如丙烷、乙醇和汽油混合物之类的腐蚀性液体的腐蚀。为减轻这些摩擦和腐蚀性问题，日本怕卡公司开发了镍-磷基陶瓷复合材料（NCC）。20世纪70年代早期，人们曾进行过铁基、镍基复合材料的电镀工艺试验，并在小型二冲程摩托车、船舶、雪地摩托车及某些豪华客车的发动机部件上少量应用。铁基、镍基复合材料镀层均抗磨损，因镍基复合材料比铁基复合材料更抗腐蚀，被用于工作在高甲醇含量环境中部件的镀层，但是随着工作温度的增加，镍基复合材料镀层的硬度会减少，这是它的一个最大缺点。NCC镀层（分Ni-P-hBN、Ni-P-SiC两种）中由于含有磷化物（如次磷酸、次磷酸纳等），即使在恶劣的环境和在较高温度下，也能保持较高硬度，与无磷的Ni-hBN和Ni-SiC相比，抗磨损能力优异。除了高硬度和抗腐蚀性能好以外，NCC镀层的摩擦系数还低，Ni-P-hBN由于含有优异的自身润滑性氮化硼，摩擦系数只有0.08～0.12，它比硬铬镀层的摩擦系数（润滑条件下：钛合金上的NCC摩擦系数约0.10～0.12，硬铬的摩擦系数为0.28～0.48）要低得多，使滑动部件间的磨擦损失明显减小。经几家日本公司在它们开发的发动机上应用Ni-P-hBN镀层表明，抗腐蚀性能优异，有取代铸铁缸套的趋势，能使缸壁温度、油耗、车质量均有不同程度改观，同时发动机转矩和功率增加约3.5%。为此，NCC镀层有助于轻量、高效、低耗发动机的开发。日本丰田发动机公司曾验证过两个未来全铝发动机设计方案：1）采用NCC铝缸套与常规的亚共晶A1（AA319或356）合金活塞组合，以防止气缸与活塞间卡死和磨损；2）无缸套组合，过共晶高硅A2（AA390）合金缸体（或MMC缸体）与铁-磷电镀活塞组合以抗磨损。在这两种设计方案中，活塞环的磨损均是采用NCC氮化钢环来减轻的。目前，有两种方法可把NCC镀层用于铝缸套或直接用在铝气缸体上：1）采用完全浸渍法；2）电镀液流动法，但电镀液只流在气缸内壁上，不与其它部分接触，这是一种经济有效的新工艺，适用于大排量发动机部件，如直立和V型四冲程发动机，费用与典型的铸铁缸套相当。日本铃木发动机公司已将开发的NCC工艺用在该公司生产的摩托车、船舶、豪华客车的二冲程全铝发动机上；雅马哈和川崎公司也把NCC镀层用于大批量的二冲程铝合金发动机上，此外，部分四冲程发动机也在应用这种镀层。3.发动机用镍钴铁合金镀层采用电沉积方式电镀镍钴铁合金，结合力优于NCC，耐盐雾性高于NCC，尤其耐丙烷、乙醇和汽油混合物之类的腐蚀性液体的腐蚀，硬度高，摩擦系数小，运行成本低。镍钴铁合金还有以下优点：a）镀层粘接力强：b）工艺控制简单：c）生产率很高d）要求小功率电源e）难以完全遮蔽：由于电镀时工件须完全浸入到镀槽中，故局部不需电镀的工件表面也将被电镀，还需要再加工。或绝缘法电镀f）防浸蚀能力好g）电镀时不会在拐角或尖缘处形成小结，导致粘接不牢。h）镀槽中的污染物不会影响电溶液的导电性及其它电镀工艺参数。i）维护和处理电镀排液费用低。