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摩托车应用新型表面涂层技术的探讨

目前, 摩托车 常用的硬铬电镀涂层工艺,因涂层硬度、光洁度低,在厚度为0.0127~0.02286mm时,成本较低;但当镀层厚度减少时,成本不会减少几倍,而且这种工艺还有以下缺点:

a)镀层硬接力赛不强劲: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相当严重的微裂。虽然电镀工艺微裂有助于消除剩余形变,但微裂过分,特别就是指表面至基体发生微裂,会造成电镀层与基体分离。

b)工艺控制困难:目前还难以通过工艺变量掌控取得可倚赖、可重复的电镀层,如铸件浸入到镀槽中时,不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)拒绝大功率电源:一般645mm2的工件电镀,需要14~16W的电源。

e)难以几乎遮挡:由于电镀时工件须完全浸泡到镀上槽中,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:不会在拐角或尖缘一处形成小结,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

由于软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软铬电镀涂层,因此有可能会部分取代软铬电镀涂层。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多达10000PSi,耐用能力更高于硬铬电镀涂层。

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(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,要求电镀层薄0.25mm,如用软铬电镀涂层的话,由于电镀层厚,需几乎浸没该工件,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,喷涂枪由控制器掌控,沿工件以一定的速度轴向移动(工件涂层尺寸偏差<0.05mm),加工慢且成本低。

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,另外发动机部件还不会受到如丙烷、乙醇和汽油混合物之类的腐蚀性液体的腐蚀。为减低这些摩擦和腐蚀性问题,日本Nihon Parkerizing公司研发了镍-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、雪地摩托车及某些奢华客车的发动机部件上少量应用于。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,被用作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不会减少,这是它的一个仅次于缺点。NCC镀层(分Ni-P-hBN、Ni-P-SiC两种)中由于所含磷化物(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比起,抗磨损能力优异。NCC镀层热处理后的硬度应变化。

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由于所含出色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(润滑剂条件下:钛合金上的NCC摩擦系数约0.10~0.12软铬的摩擦系数为0.28~0.48)要较低得多,使滑动部件间的磨擦损失明显增大。经几家日本公司在它们研发的发动机上应用于Ni-P-hBN镀层指出,抗腐蚀性能出色,有代替铸铁缸套的趋势,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)合金活塞人组,以避免气缸与活塞间卡死和磨损;2)无缸套组合,过共晶低硅A2(AA390)合金缸体(或MMC缸体)与铁-磷电镀活塞人组以抗磨损。在这两种设计方案中,活塞环的磨损均是使用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)使用完全浸渍法;2)电镀液流动法,但电镀液只流在气缸内壁上,不与其它部分认识,这是一种经济有效的新工艺,适用于大排量发动机部件,如粗壮和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研发的NCC工艺用在该公司生产的摩托车、船舶、奢华客车的二冲程全铝发动机上;雅马哈和川崎公司也把NCC镀层用作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、活塞环用TiN多层涂层

目前,国内离子镀TiN和TiC硬膜已广泛应用于刀、模具或其它耐用件上。以往,摩托车活塞环多采用电镀铬的铸铁材料,以延长活塞环-气缸副的使用寿命,但在冷和机械负荷循环作用下,镀层容易剥落。为避免发动机调教期间气缸磨损,镀层必须抛光,此项工艺需长约数小时,还要经过酸洗并采取生态维护类似措施。为此,国外科学家曾采用离子轰击辅助的PVD工艺,在摩托车活塞环上取得了多层TiN涂层,它既不需要涂后打磨和采取特殊的生态保护措施,而且还具有许多良好的特性,因而可取代镀铬工艺。通过有所不同涂层的小型摩托车发动机活塞环磨损试验指出,具有5层PVD涂层的活塞环摩擦副的总磨损量远低于镀铬活塞环摩擦副的磨损量。

4、有发展趋势的热障涂层

热障涂层(TBCs),在上世纪40年代就被用作飞机发动机上,典型的TBCs结构是由金属粘接层和ZrO2陶瓷顶层构成;80年代TBCs的制备技术有了根本性的突破,以电子束物理气相沉积法(EB-PVD)取代了长期用于的等离子喷涂法而获得的TBCs,寿命有了明显提高;本世纪初,由德国、意大利和英国研究人员开发的TBCs化学气相沉积法CVD,既维持了EB-PVDTBCs的质量,又降低了成本,并适用于大型简单部件,因此扩大了TBCs的应用范围。目前,TBCs涂层除了顺利应用于在国外航空发动机、燃气轮机上外,还普遍的应用于柴油机上。美国FCS股份有限公司经过长达10年的研究指出,TBCs涂层应用于柴油机有很多优点:可节约燃料11%,缩短发动机寿命20%,增加发动机功率10%,减少柴油机的点燃滞后,降低发动机颗粒废气52%,排气烟度减少75%,节约润滑油15%,可使用十六烷值较低(30~45CN)的燃料,降低噪声3dB,增加低温冻低速的可靠性,使涂抹有TBCs的部件温度减少100℃,降低修理成本20%。鉴于这些优点,TBCs涂层已受到国内航空业的极大关注,有两家大型航空公司已开始进行TBCs涂层用作航空发动机和燃气轮机的试验研究,结果表明,TBCs具备明显的防热和耐磨性能。因此,完全有理由相信,这种先进设备的表面处理技术在先进设备的高性能摩托车发动机上定有较好的应用于前景。


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