CN114959541A - 电弧喷涂缸套及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电弧喷涂缸套及其制备方法，其中的电弧喷涂缸套制备方法包括在模芯的外周面电弧喷涂的铁基底层，在铁基底层表面电弧喷涂铝硅面层，再去除模芯的步骤。通过该方法制备的电弧喷涂缸套的铁基底层与铝硅面层的结合强度大于30MPa。该电弧喷涂缸套的壁厚变薄了，不仅减轻了气缸套重量，而且提升了气缸套的热传导效率，实现了更好的冷却效果。
Description
技术领域
本发明涉及发动机缸套技术领域，具体涉及一种电弧喷涂缸套及其制备方法。
背景技术
缸套是镶嵌在发动机缸体内的筒形零件，它与气缸盖、活塞、活塞环组成了发动机的燃烧室，是发动机的核心零部件之一。在服役过程中，发动机燃烧室的最高温度达2000-2500℃，最高压力达10-25MPa，缸套内壁直接受到高温高压燃气的冲击，同时与活塞之间发生往复摩擦，不断承受着交变载荷，易产生严重的摩擦磨损等破坏。此外，在气缸体与缸套之间留有冷却室，在冷却液的作用下，缸套的高频振动和变形使得缸套外壁易受到穴蚀和腐蚀等破坏。这不但会直接导致内燃机功率下降、油耗增加及排放超标，而且还将导致高压燃气泄露、破坏正常润滑、摩擦面粘着，以致活塞环卡死等严重故障。因此，缸套质量很大程度上决定了发动机的性能、能耗和使用寿命，这就要求缸套要具备足够的强度和刚度，保证工作过程中不致产生过大变形。《2019中国缸套深度调研与投资战略报告》中也指出随着全球对环保排放要求标准的提高，对缸套抗磨损、抗蚀性能要求呈现日益提高的趋势。
目前已经有将热喷涂/电弧喷涂用于缸套制造领域的技术，但仅限于用于制备缸套外壁涂层。比如公开号为CN110923564A的名为“一种耐磨缸套及其制造方法”的发明申请专利提供了一种使用离心铸造方式成型缸套基体，再在基体表面热喷涂耐磨层的缸套制备方法。采用该方法制造的缸套由于内层仍然使用常规的铸造层，难以对铸造层的成分进行符合性能要求的精细化控制，往往还要在该铸造层的内层再制备一层耐热耐磨涂层，导致工艺复杂；即使不制备耐热耐磨涂层，由于铸造过程的气孔等铸造缺陷难以控制，在机加工内表面后，表面可能会因为气孔等缺陷造成不良，同时铸件的机械性能偏低，导致缸套厚度难以减薄，重量不能进一步降低。
发明内容
鉴于现有的使用铸造内层的缸套存在的工艺复杂、铸件性能偏低以及重量较高的技术问题，本申请的技术方案提供一种电弧喷涂缸套及其制备方法以及使用该电弧喷涂缸套的发动机。
本申请的电弧喷涂缸套制备方法包括步骤：
按缸套内径选择合适外径的模芯，
在所述模芯的外周面电弧喷涂所述缸套的铁基底层，
在所述铁基底层表面电弧喷涂所述缸套的铝硅面层，
从电弧喷涂的铁基底层中去除所述模芯。
优选的，所述电弧喷涂缸套制备方法还包括在所述模芯的外周面覆盖一层锡材料层的步骤；
所述从电弧喷涂的铁基底层中去除所述模芯的步骤为：将所述缸套与模芯整体加热至所述锡材料层熔点以上使所述锡材料层熔化后将所述模芯抽出。
优选的，所述锡材料层的厚度范围为0.01～0.5mm。
优选的，在所述模芯的外周面覆盖一层所述锡材料层的步骤为浸渍、涂覆或者热喷涂中的任一种方式。
优选的，所述模芯为中空管状，所述模芯的壁厚为0.5～3mm。
优选的，所述电弧喷涂缸套制备方法还包括对所述模芯的外表面采用20～120目的棕刚玉砂做喷砂处理。
本申请还提供一种电弧喷涂缸套，该电弧喷涂缸套由电弧喷涂成型的铁基底层以及电弧喷涂成型的铝硅面层组成，所述铁基底层与所述铝硅面层之间的结合强度大于30MPa。
具体的，所述铁基底层的成品厚度为0.6～1.0mm，所述铝硅面层的成品厚度为0.2～0.5mm。
本申请同时提供一种发动机，所述发动机具有缸体，所述缸体的缸孔内压铸或者压装有上述的电弧喷涂缸套。
本申请的电弧喷涂缸套制备方法制得的缸套的铁基底层与铝硅面层均使用电弧喷涂制备，其铁基底层与铝硅面层之间的交界面通过电弧喷涂形成不规则的交错咬合，使涂层间结合力高达32MPa，保证了铁基底层与铝硅外层的结合性能，由于铁基底层采用了电弧喷涂工艺，其具有一定的孔隙率，能在发动机运转时贮存润滑油，改善内壁与活塞环之间的润滑条件，减缓内壁磨损，改善缸套的耐磨性能。同时由于不采用铸造基底，缸套壁厚由原来的2.3mm减少到1～1.5mm厚，不仅实现了40％以上的减重，而且由于壁厚变薄了，使得缸套的热传导效率也提升了近30％，从而能够在外壁冷却液的作用下使构成燃烧室的缸套内壁温度更低，改善缸套的耐热性能。
附图说明
图1为本申请的电弧喷涂缸套制备方法沿缸套1轴向的示意图；
图2为本申请实施例2的缸套1的铁基底层11与铝硅面层12的交界面处的截面形貌图；
图3为本申请实施例2的的涂层空孔隙在电镜下的形貌图。
1:缸套 2:模芯 3:锡材料层 11:铁基底层 12:铝硅面层
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明，在本说明书中，附图尺寸比例并不代表实际尺寸比例，其只用于体现各部件之间的相对位置关系与连接关系，名称相同或标号相同的部件代表相似或相同的结构，且仅限于示意的目的。
现有的缸套产品，虽然有采用电弧热喷涂工艺的，但大体上的技术方向集中在使用热喷涂工艺成型功能层，而基体结构层仍然使用传统的铸造工艺。受限于铸件尺寸与机械性能，基体结构层的厚度减薄有限，很难做到2mm以下，限制了缸套的减重潜力。
本申请提供一种电弧喷涂缸套，其完全由电弧喷涂成型工艺得到，由电弧喷涂成型的铁基底层11与电弧喷涂成型的铝硅面层12组成，并且由于铁基底层11由电弧喷涂工艺成型得到，其外侧面形成有电弧喷涂所特有的高低起伏，当在铁基底层11的外侧面继续喷涂铝硅外层时，铝硅外层相应的首先填充了表面的起伏区，自然形成不规则的交错咬合，提高了涂层之间的结合力，使得缸套的底层与外层的结合力达到30MPa以上，保证了内外层的结合性能。此外，在本申请的电弧喷涂缸套中，电弧喷涂的铁基底层既是结构层，又是功能层。其内表面直接与活塞环接触，为了提高铁基底层11的耐磨性能，要求铁基底层11的孔隙率保证在5～15％之间。铁基底层11的内部孔隙的一个重要作用是贮存润滑油，保证活塞运动过程中摩擦表面处于良好的润滑状态，若铁基底层11的孔隙率低于5％，则由于材料中孔隙少，难以高效贮存润滑油，不能保证运转过程中，铁基底层11的内表面的良好润滑，会导致其内表面磨损加快，影响缸套1的耐磨性能。若铁基底层11的孔隙率高于15％，会导致铁基底层11的机械性能降低，难以发挥其结构层的作用，可能导致缸套1碎裂等严重的质量问题。本申请的上述电弧喷涂缸套中其铁基底层11的厚度范围为0.6～1.0mm，其铝硅面层12的厚度范围为0.2～0.5mm。其中的铁基底层11的厚度大于铝硅面层12的厚度主要基于结构强度上的考虑。
为了制备上述缸套1，本申请提供一种电弧喷涂缸套制备方法，首先根据缸套1的内径选择合适外径的模芯2作为电弧喷涂的依托。通常，考虑到后续缸套1的精加工需求、表面尺寸公差以及可能的在喷涂前对模芯2的表面的处理工艺，模芯2的外径D与缸套1的内径d之间的关系满足0.1mm≤d-D≤1.0mm。然后在模芯2的外周面电弧喷涂铁基底层11。接着在电弧喷涂的铁基底层11的外表面电弧喷涂铝硅面层12，最后从缸套1的铁基底层11的内腔中将模芯2去除。
对于上述步骤中最后从缸套1的铁基底层11的内腔中将模芯2去除的过程，本申请提供一种机械切削的方式作为实施例1。即首先使用中空管状的金属管材或者其他硬质耐高温材料作为模芯2，在完成铁基底层11与铝硅面层12的电弧喷涂后，通过铣削、车削、镗孔等机械加工的方式，从模芯2的内表面向外表面将模芯2切除。实际的生产制造中，这一步去除模芯2的步骤通常被设置为与缸套1的内表面的粗加工过程合并，也就是在对铁基底层11的内表面粗车至粗加工尺寸的过程中一并车除模芯2。
本申请同时提供电弧喷涂缸套制备方法的实施例2，实施例2的步骤包括：
根据缸套1的内径选择合适外径的模芯2；在所述模芯2的外表面覆盖一层锡材料层3；在锡材料层3的基础上电弧喷涂铁基底层11；在铁基底层11的外层继续喷涂铝硅面层12；然后将缸套1加热至锡材料层3的熔点以上并保持，使锡材料层3熔化后，将模芯2抽出。
具体的，锡材料层3通常为锡合金层，比如铅锡合金、锡铋合金等，其熔点一般低于380℃。通过将锡材料层3的材料熔化后涂覆在模芯2上，具体的可以使用浸渍熔融锡合金材料、涂覆熔融锡合金材料或者热喷涂锡合金材料中的任一种方式。而锡材料层3的厚度优选为0.01～0.5mm，若锡层过薄，由于熔化后间隙不足以克服形位公差的影响，不易取出模芯2，若锡层过厚，难以快速导热熔化，则加热融化时间长，一方面能源成本上升，一方面降低了生产效率。在实际生产中，优选的锡材料层3的厚度为0.05～0.2mm。
将缸套1加热至锡材料层3的熔点以上并保持，使锡材料层3熔化后，将模芯2抽出的过程中，可以将缸套1以及固定在上面的模芯2、锡材料层3整体置于固定或者流水线式的加热炉中升温，或者也可以采用使用加热线圈在所述模芯2的内腔中对所述模芯2进行感应加热，促使锡材料层3升温融化的方式。
为了保证喷涂的涂层附着力，在进行喷涂锡材料层3的操作前，还需要对模芯2的表面做喷砂处理。该喷砂过程一方面能够去除模芯2表面的金属氧化层，另一方面增加了模芯2表面的粗糙度，从而改善了模芯2表面对涂层的附着力。该喷砂操作可以选取20～120目的棕刚玉砂，以0.2～0.6MPa的吹砂压力执行。
上述过程中，电弧喷涂铁基底层11时喷涂过程中控制喷涂放弧功率在7.8～16kW，空气压力在0.5～0.6MPa范围内，喷涂所用的材料为直径1.6～5mm的铁基丝材。
在铁基底层11的表面继续电弧喷涂铝硅面层12时喷涂过程中控制喷涂放弧功率在4.8～12kW，空气压力在0.5～0.6MPa范围内，喷涂所用的材料为直径1.6～5mm的铝硅丝材。
本申请同时提供一种在发动机的缸体的缸孔内通过压铸或者压装方式装配上述缸套1的发动机。
以下是本申请的电弧喷涂缸套制备方法的实施例的具体实现。
实施例1
制备内径200mm，铁基底层11壁厚0.8mm，铝硅面层12壁厚0.3mm的缸套的步骤：
模芯选择：制作并选取直径为199.5mm的碳钢管，表面用丙酮清洗干净；
表面喷砂：采用20～120目的棕刚玉砂以0.2MPa～0.6MPa吹砂压力处理碳钢管外表面从而增加碳钢管的表面粗糙度，使铁基内层能够更好的与碳钢管结合，保证后期电弧喷涂铁基内层的涂层质量。
喷涂铁基底层：以成弧电压为26～32V，成弧电流为300～500A，空气压力为0.5～0.6MPa，喷涂距离为120mm～200mm在碳钢管表面电弧喷涂铁基底层，喷涂选用1.6mm～5mm的铁基丝材，该丝材的成分组成为：C 0.4％～0.7％，Si 0.1～0.3％，Mn 0.3～1.0％，P0.010％，S 0.010％，Mo 1.0～3.0％，余量为Fe。
喷涂铝硅面层：以成弧电压为24～30V，成弧电流为200～400A，空气压力为0.5～0.6MPa，喷涂距离为120mm～200mm在铁基底层的外表面电弧喷涂铝硅面层，喷涂选用1.6mm～5mm的铝硅丝材，该丝材的成分组成为：Al 87％，Si 13％。
去除模芯：通过车削将碳钢管制成的模芯车除。具体的该步骤中可以与缸套的尺寸粗加工合并。即首先按粗加工余量将铝硅面层的外径车至规定的粗加工尺寸，再合并车除被固定在缸套内孔中的碳钢管以及铁基底层的粗加工余量。具体的为了提高生产效率，电弧喷涂过程中模芯长度远大于缸套，因此一般采取车削处理好一段略长于缸套长度的铝硅面层和铁基底层，然后按缸套长度将其截断，得到一件缸套的粗加工件，再继续加工得到下一个机加工件。
实施例2
制备内径200mm，铁基底层11壁厚0.7mm，铝硅面层12壁厚0.4mm的缸套的步骤：
模芯选择：制作并选取直径为199mm的不锈钢管，表面用丙酮清洗干净；
表面喷砂：采用30目的棕刚玉砂以0.5MPa吹砂压力处理不锈钢管外表面；
表面覆锡：在不锈钢管表面热喷涂一层0.1mm～0.3mm厚的锡铅合金材料层，该锡铅合金的熔点一般低于320℃；
喷涂铁基底层：以成弧电压为28V，成弧电流为340A，空气压力为0.6MPa，喷涂距离为200mm在锡材料层表面电弧喷涂铁基底层，喷涂选用2mm的铁基丝材，该丝材的成分组成为：C 0.4％～0.7％，Si 0.1～0.3％，Mn 0.3～1.0％，P 0.010％，S 0.010％，Mo 1.0～3.0％，余量为Fe。
喷涂铝硅面层：以成弧电压为26V，成弧电流为300A，空气压力为0.6MPa，喷涂距离为200mm在铁基底层的外表面电弧喷涂铝硅面层，喷涂选用2mm的铝硅丝材，该丝材的成分组成为：Al 87％，Si 13％。
去除模芯：将模芯2、缸套1与锡材料层3整体加热至300℃以上，使锡材料层3熔化，从而使缸套1与锡材料层3之间脱离固定结合，再将模芯2自缸套1的内孔中抽出。
机械加工：按照实施例1中的方法，处理车削缸套的铝硅面层与铁基底层，得到缸套的粗加工件。
图2为本申请实施例2的缸套1的铁基底层11与铝硅面层12的交界面处的截面形貌图，图中可见最终制得的缸套的铁基底层与铝硅面层之间形成不规则的交错咬合分界面，由于交界面处所具有的特有的交错咬合结构，测量显示底层与面层涂层结合力达到32MPa。
图3为本申请实施例2的的涂层空孔隙在电镜下的形貌图，其中左图为铁硅底层的孔隙形貌，右图为铝硅面层的孔隙形貌，图中的深色部分为涂层的孔隙。测量显示铁基内层与铝硅面层涂层的孔隙率均保持在5％～10％之间，其中内层的铁基底层的孔隙可以在发动机升温运转时储存吸收部分润滑油，改善内壁与活塞环之间的润滑条件，减缓内壁磨损。由于不采用铸造基底，缸套壁厚由原来的2.3mm减少到1～1.5mm厚，不仅实现了40％以上的减重，而且由于壁厚变薄了，使得缸套的热传导效率也提升了近30％，从而能够在外壁冷却液的作用下使构成燃烧室的缸套内壁温度更低。
上述内容仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种电弧喷涂缸套制备方法，其特征在于，包括步骤：
按缸套(1)内径选择合适外径的模芯(2)，
在所述模芯(2)的外周面覆盖一层锡材料层(3)，
在所述锡材料层(3)的外周面电弧喷涂所述缸套(1)的铁基底层(11)，
在所述铁基底层(11)表面电弧喷涂所述缸套(1)的铝硅面层(12)，
将所述缸套(1)与所述模芯(2)整体加热至所述锡材料层(3)熔点以上使所述锡材料层(3)熔化后将所述模芯(2)抽出。
2.如权利要求1所述的电弧喷涂缸套制备方法，其特征在于，所述锡材料层(3)的厚度范围为0.01～0.5mm。
3.如权利要求1所述的电弧喷涂缸套制备方法，其特征在于，在所述模芯(2)的外周面覆盖一层所述锡材料层(3)的步骤为浸渍、涂覆或者热喷涂中的任一种方式。
4.如权利要求1所述的电弧喷涂缸套制备方法，其特征在于，所述模芯(2)为中空管状，所述模芯(2)的壁厚为0.5～3mm。
5.如权利要求1-4任一项所述的电弧喷涂缸套制备方法，其特征在于，所述模芯(2)的外径D与所述缸套(1)的内径d之间的关系满足0.1mm≤d-D≤1.0mm。
6.如权利要求1-4任一项所述的电弧喷涂缸套制备方法，其特征在于，还包括对所述模芯(2)的外表面采用20～120目的棕刚玉砂做喷砂处理。
7.一种电弧喷涂缸套，其特征在于，所述电弧喷涂缸套由电弧喷涂成型的铁基底层(11)以及电弧喷涂成型的铝硅面层(12)组成，所述铁基底层(11)与所述铝硅面层(12)之间的结合强度大于30MPa。
8.如权利要求7所述的电弧喷涂缸套，其特征在于，
所述铁基底层(11)的厚度为0.6～1.0mm，所述铝硅面层(12)的厚度为0.2～0.5mm。
9.一种发动机，所述发动机具有缸体，其特征在于，所述缸体的缸孔内压铸或者压装有如权利要求7或8任一项所述的电弧喷涂缸套。
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