表面工程技術在發動機修復與強化中的應用

    摘要：簡述了發動機零部件的主要失效形式和損壞特點，針對如何提高發動機零部件表面的耐磨性能、抗腐蝕性、耐疲勞性，介紹了多種常用的表面工程技術。

    關鍵詞：表面工程發動機修復

    前言

    發動機是工農業生產中的主要動力機械之一，在船舶、汽車、飛機、工程建筑機械等各方面獲得了廣泛的應用。隨著工業的發展，對發動機的要求也越來越高。由于高負荷、高參數，發動機的工況條件更加苛刻，引起發動機機件的損傷和失效，從而影響發動機的可靠運行。

    發動機損傷和故障的表現形式是多種多樣的，主要表現在以下幾個方面：

    （1）磨損。磨損是限制發動機及其零部件使用壽命的一個主要因素，它取決于缸套、活塞、曲軸、軸承等機件的磨損程度。

    （2）摩擦副的擦傷、拉缸等會釀成重大事故，從而產生惡劣后果。

    （3）發動機結構強度方面引起的損壞也是影響發動機可靠性和耐久性的重要因素。例如曲軸折斷、連桿折斷、活塞斷裂、缸套斷裂、活塞燒裂、缸蓋裂紋、機架斷裂、軸瓦燒壞、軸頸拉毛、傳動齒輪損壞等。這些結構強度上的損壞是一種以疲勞破壞為特征的損壞。

    （4）發動機的個別零部件還會出現穴蝕、燒蝕等損傷[2]。

    綜上所述，發動機零部件的損傷大致可歸納為兩種情況：一是由于體積負荷引起的機械應力而造成零件的裂紋、斷裂和不允許的變形等損傷；另一是表面受到機械或化學的作用、引起磨損、腐蝕、燒蝕等損傷。

    1發動機零部件損壞的形式和特點

    發動機中由于磨損產生的故障在各種故障中占有很大比重。由于潤滑不良，配對材料欠佳，制造和裝配質量差，使用條件的惡化，灰塵和溫度的影響，以及交變負荷的作用，都會促使磨損的四種主要形式：磨粒磨損、粘著磨損、腐蝕磨損和表面疲勞磨損[3]在發動機一些主要零件工作過程中有不同程度的出現。

    1.1氣缸套、活塞、活塞環組的損傷

    氣缸套、活塞、活塞環組是發動機的心臟部分，也是工作條件極為惡劣的部位。歸納起來，氣缸套、活塞、活塞環組的損傷形式有磨損、腐蝕、穴蝕、裂紋、燒蝕等。

    （1）氣缸套的損傷

    缸套的磨損率決定發動機的大修間隔期限，通常缸套最大允許磨損量為內徑的0.4%~0.8%。缸套的表面質量、燃油的質量、潤滑油的質量、冷卻水溫度和工作條件等因素都會對缸套的磨損產生很大的影響[6]，導致缸套出現磨損、拉缸和穴蝕等損傷，從而引起發動機轉速不穩、振動加劇、出現噪音、冒白煙或冒黑煙等狀況的發生。

    （2）活塞的損傷

    活塞工作條件惡劣，尤其頂部是受機械負荷與熱負荷最嚴重的部位。其主要損傷形式有裂紋、斷裂、燒蝕和腐蝕等。

    （3）活塞環的損傷

    活塞環的磨損率決定了發動機檢修周期的長短，它在高溫高壓燃氣環境里承受彎曲、沖擊及磨損，易發生折斷和過度磨損，從而使密封性能下降，進一步惡化了發動機性能[8]。

 
    1.2氣缸蓋的損傷

    氣缸蓋結構復雜，其上有進、排氣閥孔、示功器孔、安全閥孔、啟動閥孔、噴油器孔等，內部有一系列不規則形狀的冷卻水腔和進、排氣道，橫向和垂向分別與進、排氣管和機身相連接。工作條件比較惡劣，它的底（熱）面受著燃氣的高溫、高壓和腐蝕作用，水夾層也受著冷卻水的腐蝕，且冷、熱不均，受力復雜，缸蓋的其它部分也因固緊螺栓而產生機械應力。其主要損傷形式有：缸蓋裂紋、閥座損傷（閥座扭曲、磨損、裂紋等）。

    1.3凸輪挺桿的損傷

    凸輪挺桿是發動機中一對常出現磨損失效的摩擦副之一。隨著發動機不斷向高速、大功率發展、配氣機構的彈簧力、摩擦面間的相對滑動速度不斷增加，凸輪挺桿間的潤滑條件更加苛刻。其主要損傷形式是由于粘著磨損和疲勞磨損而引起的擦傷和點蝕。

    1.4曲軸的損傷

    曲軸是發動機上最重要的部件之一，工作中承受彎曲、扭轉負荷和一定的沖擊負荷。曲軸的工作可靠性和壽命在很大程度上決定了發動機的可靠性與壽命。曲軸損傷的主要形式有：（1）軸頸的磨損；（2）曲柄銷或主軸頸與曲柄臂相連接的圓角部位裂紋、斷裂；（3）曲柄銷或主軸頸油孔部位裂紋、斷裂；（4）腐蝕所造成的斷裂；（5）組合式曲軸缸套部位滑移；（6）由于燒瓦而造成的曲軸表面裂紋及拉傷；（7）曲軸的彎曲與扭曲。

    2表面工程技術在發動機中的應用

    分析發動機零部件損壞的形式和特點可以得出發動機零部件失效的主要形式為：磨損、腐蝕與疲勞等，它們多發生于表面，或者是先從表面開始，所以提高材料表面性能對延長零部件使用壽命和發揮潛力有著重要的作用。

    提高材料表面耐磨性的強化方法往往是從提高表面硬度和減少摩擦系數兩方面著手。迄今為止，傳統的表面淬火和滲碳淬火還是提高零部件耐磨性的主要手段，曲軸、活塞銷、凸輪與凸輪軸等大量零部件都是采用這種工藝方法。氣體滲氮、碳氮共滲、離子氮化等主要是利用彌散分布的氮化物來提高材料的表面硬度；滲硼、滲釩、滲鉻和沉積碳化物、氮化物處理所得到的高硬度和超高硬度的化合物層，具有更優異的抗磨料磨損能力和高的抗粘著磨損能力；表面鍍層，如鍍鉻層等也是一種廣泛應用的耐磨性鍍層。

    改善摩擦條件，降低摩擦系數的表面處理可從另一方面提高材料的耐磨性。滲硫、硫氮共滲、硫氮碳共滲、磷化、石墨化滲層都是在金屬表面生成減摩的化合物層和非金屬層，以降低摩擦系數，避免摩擦副之間直接接觸，因而能防止粘著、避免擦傷。

    提高材料表面抗疲勞性能的主要方法有：高頻表面淬火、滲碳淬火的淬硬層，其馬氏體硬度高，并存在有殘余壓應力，從而使疲勞強度有一定提高。噴丸、表面滾壓等表面形變強化處理在提高表面硬度，造成表面壓應力的同時，還能消除表面缺陷，因而能提高材料的疲勞強度和降低材料對缺口的敏感度。在表面淬火、滲碳淬火和滲氮后再進行噴丸和表面滾壓處理的效果更好，特別是軸的軸徑，齒輪的齒根等應力集中處，用表面滾壓加工效果更好。

    提高材料表面抗腐蝕性能的主要方法有：（1）鍍鉻，因為它在堿、硝酸、硫化物、碳酸鹽及有機酸中非常穩定；（2）氮化，因為它在零部件表層形成穩定性高的相層，對水、潮濕空氣、燃燒產物，特別是對硝酸的抗蝕性很高；（3）滲鋁、滲硅對酸有良好的抗蝕性；（4）含鉻的鎳基、鈷基自熔性合金噴涂層具有良好的熱腐蝕、燃氣腐蝕的能力，因為形成了致密的Cr2O3氧化膜；（5）對鋼鐵零件，如活塞環進行磷化和發藍處理，它們可以防止腐蝕和減輕機械磨損。

下面重點介紹幾種常用的表面工程技術。
    2.1熱噴涂

    熱噴涂法不僅能使零件具有耐磨、耐蝕、耐氧化、耐高溫、隔熱等不同功能，而且能使它具有復合性能，即能保護零件，又能修復零件。目前，在發動機中，主要用于曲軸、活塞頂部、活塞環、氣缸套、排氣門、閥座、凸輪、齒輪等零件的表面處理和修復[6]，表1給出了采用熱噴涂修復發動機缸體及更換新件的經濟效益對比，由表可見，熱噴涂3Cr13材料修復僅需花費新件成本的4.2%。

    在發動機中，用于提高零件表面耐磨性的噴涂材料主要有下列幾種：

    1）鉬。鉬作為噴涂材料，其純度需在99.95%以上。鉬主要作為活塞環的噴層，它可以得到具有氧化物層的層狀鉬層和大約10%~15%的孔隙率，其噴涂層厚度一般為0.25mm，具有良好的儲油性能。鉬層熔點高（約為2620℃）、摩擦系數低、硬度高（HV1070左右）。因此耐磨性好，一般用在第一道活塞環處。

    2）鉬基合金。鉬基合金的等離子噴涂層的特點是抗拉缸性好，因為它是由低硬度的純鉬（HV350）和硬度相當高的（HV700）鎳基合金兩相組成。其熱穩定性優于鉬絲噴涂層，耐磨性能相當于鍍鉻，特別是在潤滑條件不夠充分時。

    3）鉻基合金。鉻基合金等離子噴涂層不僅在邊界條件下的耐磨性及抗咬和性能較好，而且還能提高配磨材料的耐磨性，可同時提高缸套和活塞環的耐磨性。在邊界潤滑條件下，這種涂層的活塞環比鍍鉻還更耐磨，因此，可做高速、中速和低速發動機活塞環的涂層材料。

    4）陶瓷。陶瓷涂層如氧化鉻和氧化鋁/二氧化鈦硬度較高（HV1500），在一定條件下，活塞環的耐磨性能好，但對缸套磨損卻很大，因此，只能在特殊要求的情況下使用。

    5）金屬陶瓷。金屬陶瓷是比較復雜的，它是以碳化物為基（如碳化鎢）的涂層，即使在惡劣的運轉條件下，不但活塞環的磨損低，缸套的磨損也低。但金屬陶瓷很貴。在發動機中，一般將陶瓷噴在排氣閥面、活塞頂面、活塞環工作面上。

    6）鎳基合金。鎳基合金有Ni-B-Si和Ni-Cr-B-Si系。鎳基合金涂層除耐磨性較好外，還有很好的抗蝕性和較高的熱硬性。主要用于發動機活塞環、閥座、閥門、凸輪的噴焊（也用于修復），以提高這些零件的耐磨性。

    7）高碳鋼與不銹鋼。高碳鋼，如碳素工具鋼T8常用于修復并強化發動機鑄鋼，球墨鑄鐵軸頸表面的線材氣噴、電噴涂。而不銹鋼由于具有優越的耐蝕性、耐熱性，而用于氣缸套內表面的噴涂（火焰噴），具有很好的效果。

    2.2電刷鍍修復

    發動機凸輪軸軸頸的主要失效方式是磨損或劃傷，以前凸輪軸軸頸出現磨損或劃傷一般就報廢了，或者采用加厚軸瓦的辦法磨削軸頸后使用，給用戶的維修帶來很大的麻煩。電刷鍍技術具有設備簡單、操作方便、安全可靠、鍍積速度快的特點，用于修復凸輪軸軸頸取得明顯效果[7]。表2給出了采用電刷鍍納米Al2O3/Ni修復發動機輪軸和連桿的效益分析，電刷鍍技術可大大降低維修成本。

    2.3擠滲碳化硅

    擠滲碳化硅工藝是把碳化硅微粒直接擠滲到金屬表面層，在其表面呈非連續分布。
這種方法的主要特點是工藝簡單、生產效率高、成本低廉、無污染、無須特殊設備。因此，它是一種很有前途的新工藝。主要用于提高發動機氣缸套、活塞環的耐磨性，特別對高強載發動機更有效。
    2.4鍍鉻

    鍍鉻工藝主要用于提高發動機零件的耐磨損與耐腐蝕性，如曲軸軸頸，十字頭軸頸，活塞銷、活塞環槽，活塞桿、缸套、活塞環、氣閥及閥桿鍍鉻、油泵柱塞和套筒。目前，發動機零部件中常用的耐磨鍍鉻有兩種，硬質鍍鉻和松孔鍍鉻。

    硬質鍍鉻是指硬度較高而又耐磨的光亮鍍鉻層，它主要用于潤滑條件較好，負荷又不很大的條件下，一般鍍層厚度為0.03~0.3mm，最厚可達到1.0mm。

    松孔鍍鉻主要用于潤滑不良，承受載荷較大的零件如發動機缸套、活塞環、十字頭銷等。

    2.5氮化

    氮化有三種：（1）普通氮化，指純粹氮原子的滲入；（2）軟氮化，鹽浴液體軟氮化，含有活性氮、碳原子的氣體介質中的氣體軟氮化及離子軟氮化（包括加鈦離子氮化）；（3）輝光離子氮化。

    目前，最常用和最有發展前途的是離子軟氮化和輝光離子氮化。它們主要用來提高發動機零件如曲軸軸頸、缸套、活塞環、凸輪軸、進排氣閥、氣門挺桿等的耐磨性、耐疲勞和耐腐蝕等。

    2.6光加熱表面淬火

    激光加熱用于鋼和鑄鐵零件表面淬火，以提高其耐磨性。美國GM645系列柴油機，為了解決缸套氣口的拉傷和提高其耐磨性，對氣口部位曾分別進行過氮化、感應加熱淬火和火焰淬火等處理，但由于處理面很大、溫度高，出現了嚴重變形，甚至發生裂紋，最后用激光加熱表面淬火處理，取得了良好的效果[12]。激光加熱淬火的氣缸活塞環在我國已有應用，而且反映良好。該方法的特點是工藝簡單、變形很小（如對缸套表面淬火，局部溫度可達916℃，其它部位溫度低于200℃，因此變形很小）。

    2.7噴丸加工

    噴丸加工法不需改變零部件的形狀、材料、熱處理，而且易于提高強度，特別是疲勞強度，因此，在發動機中已有很多應用，目前主要應用于曲軸、連桿、氣閥彈簧、搖臂及傳動齒輪等部位。經噴丸加工后的強化層可達0.5~0.6mm，表面硬度可達HRC40~50左右。

    2.8冷壓光加工

    作為光整和表面強化的手段，冷壓光加工在生產中得到了日益廣泛的應用，以改善其零件表層的質量（粗糙度、冷硬程度、冷硬層深度、殘余應力的性質和大小）。在發動機中主要用于氣缸套、活塞銷孔、連桿小頭銅襯套、氣閥導管、閥桿表面、凸輪軸頸、曲軸軸頸，特別是曲柄臂過渡圓的最后精加工，用以降低表面粗糙度及其強化并呈現殘余壓應力。

    3結論

    綜上所述，由于發動機零部件的工作條件復雜，損壞常常是幾種失效形式的復合，對零部件表面性能的要求往往不是單一的。因此，只有根據零部件的工況條件和失效特點正確選用表面強化方法，才能達到延長零部件的使用壽命和節約材料的目的。

來源：中國涂裝網