缸孔喷涂技术应用分析

金则兵 李文军 张贵强 王志高 闫大宇 陈 广

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336）

引言

随着日益严格的油耗、排放法规开始实施，活塞环组和缸套的减摩技术备受关注，缸孔喷涂技术便是其中之一。缸孔喷涂技术是一种热喷涂技术，属于一种表面强化技术，是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，并以一定速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法（国家标准GB/T 18719-2002 热喷涂术语分类）。

按照热源不同，可分为等离子喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂等，热源温度和粒子速度是有差别的，其中缸孔常用的是等离子喷涂PTWA（Plasma Transferred Wire Arc）、APS（Air Plasma）、电弧喷涂TWA、TWA（Thermal Wire Arc）。等离子喷涂温度达10 000 ℃以上，喷涂材料选择灵活性高，电弧喷涂温度一般不超过6 000 ℃，能耗低。目前这3 种技术都有成熟的设备供应商，市场上都有成熟应用。

缸孔喷涂在现有缸体缸孔表面喷涂一层金属材质，目前主要是铁的化合物，碳含量从0.1%～0.8%不等，通过合金或氧化物Mn、Cr、Mo、Ni、Al2O3、ZrO2、TiO2的不同组成，可分为耐磨型，减摩型，耐蚀型，表面硬度HV0.3 达到350～800，表面气缩孔率1%～10%，气缩孔大小、深度等均可通过工艺调节，涂层厚度可根据需求，新出厂乘用车汽油发动机一般0.1～0.3 mm 厚。喷涂前，为提高材料附着率，在缸孔内表面毛化处理；喷涂后，为给缸孔内表面的气缩孔及时提供润滑油以及方便形成油膜，通过珩磨工艺，形成交叉网纹结构。

缸孔喷涂技术日益得到重视，主要有几点：一是提高产品价值，具有减摩、耐磨、耐蚀、减重的优点，能满足当前节能减排，轻量化、强化的趋势需求；二是适应性强，该技术不需改变缸孔直径，活塞、活塞环、缸垫等零件几何尺寸不需调整，平台增加变型机，售后维修，混合动力等均可使用，比如大众EA211 1.5l TSI evo 低功率版和高功率版，两者排量、缸径、冲程都是1.498 L、74.5 mm、85.9 mm，功率分别是96 kW、110 kW，转矩分别是200 N·m、250 N·m，后者相比前者发动机强化。前者是传统的铝合金镶嵌铸铁缸套，后者采用铝合金本体缸孔喷涂以及水套斜水孔来降低强化后的爆燃、高温等风险；缸孔喷涂可适用于再制造，过去缸孔磨损一般采用扩缸技术来恢复发动机，这种发动机偏离了精确调教的出厂运行特性，利用缸孔喷涂技术则不存在这个问题。另外，缸孔喷涂由于独特的表面结构，不仅减少缸孔与活塞、活塞环组的摩擦损失，减少机油耗，也具有其它技术难以比拟的同时兼具节能减排的优势。

缸孔喷涂在国外是非常成熟的技术，在中国乘用车市场尚处于起步阶段，考虑到缸孔喷涂广阔的应用前景，本文基于一款三缸机预研项目对缸孔喷涂开展了应用研究，对缸孔喷涂表面测绘结果，应用matlab 软件将测绘图数值化，并在UG 三维软件中建立数模，提取表面结构后进行了各项参数分析，对发动机试验结果进行了分析，为后续缸孔喷涂应用提供参考。

1 缸孔喷涂选型

本文选用排量1.5 L 的某三缸机来进行缸孔喷涂预研。该三缸机采用传统的镶嵌铸铁缸套[1]、低张力活塞环、活塞减摩涂层、低粘度润滑油等技术，热效率并不低。目前市场上主要有3 种缸孔喷涂工艺[2]，分别为APS 大气等离子喷涂、PTWA 等离子电弧喷涂、TWA 双丝电弧喷涂。它们各有优缺点：APS是粉末喷涂，材料灵活性高，涂层颗粒均匀性更好，但成本更高；PTWA 是丝线喷涂，正极为耗材，负极为专用电极，能耗高，需要开发降能耗的新工艺；TWA 也是丝线喷涂，正极、负极均为耗材，量产工艺稳定性高，加工工艺性好，能耗低，但需要定制材料，需开发新材料，如图1 所示。

图1 不同喷涂工艺说明

喷涂工艺选型中，本次研究的三缸机喷涂产品应用场合比较单一，所以对材料灵活性要求不高，考虑到APS 材料成本高，所以本次喷涂不包含APS。而缸体供应商要面对各种不同产品需求，每种产品量不大，选材需要灵活，成本并不敏感，此时APS 为首选。

在三缸机上针对PTWA 和TWA 都做了预研，考虑到PTWA 是与其它技术一起做的试验，所以本文不作评论，仅对TWA 的试验结果加以分析说明。

2 缸孔喷涂策划

考虑到预研目的是确定喷涂技术是否有收益以及查看风险，为后续喷涂应用决策提供参考。进行了喷涂风险识别分析，找到关键影响因子：涂层厚度、硬度、气缩孔率、活塞环涂层、缸孔变形量，如表1所示。

表1 喷涂风险识别

缸孔加工时，是否一定需要带模拟缸盖？借助仿真分析得出：不带模拟的工艺缸盖，缸孔的二阶变形量超出要求19 μm；带模拟的工艺缸盖，二阶变形量超出要求10 μm，缸孔变形有改善，如图2 所示。考虑到项目投资、周期原因，缸孔变形量控制放入后续试验计划。

图2 缸孔变形量仿真分析（运行工况）

喷涂设备供应商提供了2 种喷涂参数，Type A和Type B，主机厂提供了2 种涂层活塞环，PVD 和DLC，需完成摩擦功单体测试和发动机台架测试，结果与基础机型对比。结合之前供应商建议以及风险评估，制定试验计划，如表2、3 所示。

表2 发动机台架试验

表3 摩擦功能试验

3 缸孔喷涂生产

除缸孔模具外，预研缸体毛坯与传统缸体来自于同一台压铸设备。预研缸体毛坯为全铝合金，没有内嵌缸套。缸体组件、整机的生产、装配均来自于同一条生产线。缸体组件加工时，有2 种方式：一是缸孔喷涂前，曲轴孔留20 μm 余量，喷涂后，缸孔、曲轴孔加工到位；另一是缸孔喷涂前，曲轴孔加工到位。前一种方式，缸孔、曲轴孔精度更能满足要求，后一种方式，可减少转场次数，但对中间加工、清洗、检测、包装、运输等过程的质量风险管控要求高。本次预研，采用前一种方式。

三缸机缸孔喷涂顺序，有六种组合，其中，1-2-3与3-2-1 影响类似，1-3-2 与3-1-2 影响类似，最终做了四组3-1-2，3-2-1，2-3-1，2-1-3 测试。

测试结果显示：缸孔喷涂对主轴孔直径影响达0.048 mm，位置偏移量达到0.031 mm，其中3-1-2 最小，2-1-3 最大，如表4 所示。

表4 喷涂顺序对缸体主轴孔变形影响 mm

测试结果显示：缸孔喷涂方式对缸筒直径有影响，2-1-3 缸筒壁变形最大，达到0.111 mm，2-3-1最小，达到0.090 mm。值得一提的是，3-1-2 缸筒壁变形次最大，达到0.109 mm，如表5 所示。本次选用的三缸机缸体结构特点为1 缸的缸筒向周围导热能力比3 缸弱，即建议喷涂顺序需要尽可能增加2 缸与1 缸喷涂间隔时间，减少2 缸变形量。

表5 喷涂顺序对缸体缸筒变形影响 mm

测试结果显示：缸孔喷涂方式对缸孔壁面有影响，角度倾斜2-1-3 缸孔壁变形最大，角度倾斜达到0.1°，其中3-2-1 最小，达到0.055°。2-1-3 缸孔直径变形最大，最大0.078 mm，其中3-1-2 缸孔直径变形最稳定，最大0.062 mm，如表6 所示。

表6 喷涂顺序对缸孔壁面变形影响 mm

缸筒壁测试凸台F1～F10 如图3 所示。

图3 缸筒壁测试凸台F1～F10 示意图

整理表5、表6 得到表7，结果显示：缸孔喷涂对缸体组件下底面、顶面，缸筒壁影响，2-1-3 综合影响最大，其中缸筒壁面变形达到0.111 mm，2-3-1 综合影响最小，其中缸筒壁面变形也达到0.090 mm。

表7 喷涂顺序对缸体缸筒变形影响 mm

综合上述测试结果，缸体缸孔喷涂顺序3-1-2影响最大，2-3-1 综合影响最小。最终确定下来喷涂顺序为2-3-1，且曲轴孔的精镗、珩磨放在缸体珩磨后。缸孔的加工工序及缸孔直径为：毛坯D-3.015，预加工后D+0.005，毛化后D+0.225，喷涂后D-0.915，精镗后D-0.075，珩磨后D。在缸孔喷涂前曲轴孔的直径加工余量1 mm。

在喷涂实施过程中，每个缸孔节拍为33 s。

4 喷涂缸孔质量检测

按照喷涂设备供应商提供的缸孔喷涂参数标准进行测试，并重点关注喷涂缸孔的表面参数，如气缩孔率、气缩孔分布、硬度、表面参数（Rpk/Rvk/Rk/Mr1/Mr2/Hatch DIN EN ISO4287）、表面参数（Sa/Sk/Spk/Svk DIN EN ISO 25178）缸孔直径、缸孔圆度、缸孔圆柱度、缸孔位置度。

表8 显示喷涂镜面珩磨Rpk/Rk 要小，Rvk 可以大，即更光滑。珩磨网纹均可以通过该方法实施。

表8 各种珩磨网纹参数对比（符号定义参考ISO 13565（DIN 4776））

喷涂缸孔测试结果如表9 所示。结果显示：2 种工艺A 和B 的表面光洁度差别不大，但B 工艺孔数量多，气缩孔率要高。每个缸孔测试12 个位置（3 个深度，每个深度4 点周向均布），每个位置测试区域尺寸5×5 mm2。经测试，各项指标符合要求。

表9 喷涂缸孔测试结果（符号定义参考DIN EN ISO 25178）

5 喷涂缸孔试验测试

5.1 单体测试[2]（委托德国辉门进行测试）

将DLC、PVD 的摩擦系数作参考基础，设为100，其余为与之对比的结果。结果显示：DLC 比PVD的摩擦系数要低，DLC+TWA-B 比DLC+TWA-A的摩擦系数要低，如表10 所示。

表10 环-套摩擦系数（单体测试）

PVD 比DLC 磨损要小，PVD+TWA-B 比PVD+TWA-A 的磨损要小，如表11 所示。

表11 环-套的磨损（单体测试）

DLC 比PVD 的摩擦系数要低，但PVD 比DLC磨损要小，估计DLC 与润滑油中微量元素反应有关。

5.2 台架测试

通过曲柄连杆机构摩擦功与曲轴摩擦功之差获得活塞环组的摩擦功，可以借此来评估不同缸孔、活塞环的减摩效果。

油温、水温均为40 ℃，采用DLC 活塞环，喷涂A、喷涂B 比镶嵌缸套C 总体有减摩效果，平均为1%～2%，部分转速工况喷涂的摩擦力矩要高于镶嵌缸套的摩擦力矩，高出约3%。油温、水温为90 ℃，采用DLC 活塞环，喷涂B 比镶嵌缸套C 总体有减摩效果，平均约1%，部分转速工况喷涂的摩擦力矩要高于镶嵌缸套的摩擦力矩，高出约3%。喷涂A 比镶嵌缸套C 总体增大摩擦，高出约3.2%，部分转速达到约9.2%，如图4 所示。

图4 各缸体+DLC 摩擦功对比

油温、水温均为40 ℃，采用PVD 活塞环，喷涂A、喷涂B 比镶嵌缸套C 总体有减摩效果，平均4.4%～5%。油温、水温均为90 ℃，采用PVD 活塞环，喷涂A、喷涂B 比镶嵌缸套C 总体有减摩效果，平均约1.4%～4.7%，2 500 r/min 转速工况喷涂的摩擦力矩要高于镶嵌缸套的摩擦力矩，喷涂A 高出约0.6%～2.2%，喷涂B 高出约3.3%～9%，如图5 所示。

图5 各缸体+PVD 摩擦功对比

综合图4、图5，总体来说，喷涂B 要优于喷涂A。选用喷涂B 进行PVD 和DLC 对比，如图6 所示。由图可见油温、水温均为40 ℃，喷涂B，1 500 r/min 以下工况，PVD 比DLC 总体有减摩效果，可达11.4%；1 500 r/min 以上工况，DLC 比PVD 总体有减摩效果，可达3.8%。油温、水温均为90 ℃，喷涂B，PVD 比DLC 总体有减摩效果，平均为6.6%。

图6 喷涂B 缸体+PVD/DLC 摩擦功对比

由于台架资源有限的原因，更高油温的试验未开展。

6 结论

1）喷涂缸体比传统缸体具有节能优势。本次采用具有PVD 活塞环、低粘度润滑油、平台珩磨缸孔等先进技术的环-套摩擦副作为对标基础，通过摩擦功试验台测得喷涂技术对环-套摩擦副的减摩平均可达3.3%以上。

2）喷涂缸体选型分析。涂层参数要严格控制，孔隙率相同的喷涂B、喷涂A，但孔数、孔大小不一样，减摩效果差别达到2%以上。

3）喷涂缸体的技术特点。工作状态下，喷涂缸孔比镶嵌缸套缸孔变形大。需通过缸筒加强筋、闭式水套等结构优化来减少变形，或通过形状珩磨加工补偿方式来减少变形。

喷涂缸体比镶嵌铸铁的传统缸体对缸垫密封要求高。同样的缸垫密封线压力，喷涂缸体下沉量更大，需要缸垫具有更高的变形补偿能力，比如增加缸垫的层数。

喷涂缸体的缸盖螺栓沉孔深度应结合缸孔变形、缸垫密封、水套深度进行设计。

4）缸体喷涂的材料可根据需求进行选择。适用于对耐腐蚀、耐磨损、减摩、机油消耗量需严格控制等场合，比如频繁启停或长时停机的混合动力车、重油动力车等需求，也适用于同平台下强化动力的需求。