表面工程技术在汽车制造中的应用

表面工程技术在汽车制造中的应用举例周金旭(太原科技大学材料科学与工程学院030024)摘要：表面工程中防锈、电镀、表面强化及改性技术、涂装是汽车工业中应用最广泛的的技术，而喷丸技术和热喷涂技术也广泛应用于汽车的零部件，利用喷丸强化和热喷涂技术来提高、改善、修复汽车关键部件的抗疲劳寿命、耐腐蚀顿、耐高温氧化、耐磨等。喷丸技术是用来提高金属零部件疲劳断裂和应力腐蚀（氢脆）断裂抗力，并在实际使用中证明效果显著的表面强化工艺[1]而热喷涂技术利用了表面强化和表面改性来改善零件表面的性能它也有一定效果。关键词：表面工程喷丸技术热喷涂技术汽车零部件制造与修复序言汽车制造业越来多仰赖喷丸强化技术来和热喷涂技术改善、修复和提高汽车关键部件的抗疲劳寿命与抗腐蚀、耐高温氧化、耐磨等，并将这些因素在轿车、卡车、摩托车等设计的最初就加以充分考虑和重视。喷／抛丸强化技术和工艺热喷涂技术的应用现亦含括几乎大部分零件的设计中，包括：曲轴（去氧化皮和强化）、连杆（强化）、传动齿轮和其它轴类零件、齿圈、活塞，太阳齿和行星齿、板簧和圆簧、活塞杆、气门等大量的汽车零部件无论是铸/锻件压铸件，机械切削件，焊接件都需要不同类型的喷抛设备与热喷涂技术进行表面处理。有确凿的数据证明(早在七十年代东风汽车公司就用喷丸强化解决了气阀弹簧和变速箱1-倒挡齿轮的早期断裂问题，该工艺已成为汽车悬挂弹簧的常规工艺方法[3].1975年美国P＆W公司就有2800件发动机零件采用热喷涂技术通用电气公司的一个发动机工厂热喷涂零件也有2000多个美国RR公司斯贝发动机有八种热喷涂涂层应用于近200多个零件[4]),通过喷丸强化,能让板簧的抗疲劳寿命延长600%,传动齿轮的抗疲劳寿命延长1500%,曲轴的抗疲劳寿命延长900%,毫无疑问,通过喷丸强化让抗疲劳性能和耐腐蚀性能的提高无论是对零件的使用寿命、使用安全性都意义重大。零件依赖该工艺，零件可以设计的更轻巧，一些原来因工艺规格要求不得不使用的昂贵材质的零件现在也可以被替换为价格低廉的材料，通过喷丸强化处理，达到同等甚至更好的性能标准[2].而热喷涂技术运用也不乏期例，QA19-2（铝青铜）喷涂层制造或修复活塞及轴瓦等车用部件；在活塞环和铝合金气缸表面喷Mo,形成减摩工左层已形成活塞环和铝合金气缸的制造和修复和修复工艺，用3Cr13电弧喷涂层修复曲轴美国Cummins公司在汽缸内壁喷涂0.5mm厚的ZrO2和0.2mmCrO2制造成耐磨耐蚀陶瓷涂层取得良好的效果在活塞表面涂Mo基中混有NiCrSi及2-Al2O3喷涂层其寿命比镀铬环更长可靠性更高，将ZrO2喷涂在内燃机燃烧室的内壁可提高内燃机的燃烧工作温度节省燃料，简化结构等[4].一、喷丸技术1、试验方法步骤。1.1抛丸处理作为制造流程的一环节，热处理过的曲轴需要经由抛丸处理来取出表面的热氧化皮。曲轴被置于旋转滚轮上，在滚动时曲轴所有表面被充分暴露在多个抛头抛射出的丸流下，多角度的丸粒冲击使曲轴外表面得以彻底清洗。1.2曲轴强化由于曲轴在交变应力下工作，曲轴截面变化转接圆角处发生应力疲劳和应变破坏的危险性极大，目前，通过喷丸强化来改变曲轴抗疲劳性能已在相当广泛的范围内应用，效果让人满意。相较于传统的滚压工艺的缺陷，即由于受曲轴加工工艺限制，各轴颈圆角很难与滚轮相吻合，往往造成圆角啃切现象，而且滚压后的曲轴变形大，效果不佳。而喷丸强化的机理是利用严格控制直径并具有一定强度的丸粒，在高速气流下，形成弹丸流，连续向曲轴金属表面喷射，犹如小锤锤击，使曲轴表面产生极为强烈塑性变形，形成冷作硬化层，由于轴在加工中受各种机械的切削力加工作用，其表面，特别是曲轴截面变化转接圆角处，应力分布极为不均匀，工作中又受交变硬力作用，因此很容易产生应力腐蚀而使曲轴疲劳寿命降低，而喷丸强化工艺就是通过引入一个预压硬力来抵消零件在以后工作周期会受到拉应力，从而提高工件抗疲劳性能和安全使用使用寿命。对于喷丸处理，有两个重要参数，一个是应力强度，这通常采用“阿尔门试片”进行强度检测多个试片固定在曲轴不同表面特别是应力最集中的曲轴截面变化转接圆角处，一同进行喷丸试片上产生的压应力影响导致试片弓曲曲率的扩大变化与丸料冲的能量成比例，另一个喷丸质量的主要参数是覆盖率，所谓覆盖律是指强化后表面弹坑占据的面积与强化表面的比值，该参数通常在100％~200％有些曲轴应用可能要求覆盖率大于200％根据曲轴的硬度和理想的导入压应力强度，通常曲轴喷丸强化使用的丸粒硬度在HRC50~55,大小在S280~S300(0.7~0.84mm),这样产生在阿尔门试片上的强度范围约在0.008~0.010C相较于抛丸清理，喷丸强化的工艺参数监控更为严苛，就曲轴强化应用，需要监控的参数包括:•喷丸速度•喷丸强度•丸粒直径•喷丸的间隔•强化的时间•覆盖率这些参数中任意一个的变化，都会不同程度地影响曲轴表面强化的效果。正确应用可控的喷丸强化技术，能使曲轴和其他在高载荷条件下工作的零件疲劳强度大大提高，大大提高了零件抗疲劳寿命，先进的喷丸设备，保证了喷丸质量的恒定行，和重复性被广泛应用于汽车等行业[2]。二、热喷涂技术1、热喷涂技术应用意义随着汽车工业的发展，对零部件的性能提出了愈来愈高的要求，零件的使用寿命亦成为突出的问题，修理工作的作用不单是消极地将损坏了的零件恢复到新品的技术性能，而且还可以用比较经济的手段使零件修复后的性能超过新品。延长汽车使用寿命的主要障碍，是零件因磨蚀早期失效，磨蚀失效的特点与零件的断裂破坏或过量变形失效不同，后者多造成整个零件报废，其原因常常是由于零件本身材料的机械性能差、或设计不合理、以及制造工艺选择不当所致。这需要从材料、设计、工艺等方面进行解决。而零件磨蚀却只是表面层的损坏及尺寸超限，就其本身而言，仍有继续使用的可能，仅需将表面磨蚀部分修复，使之在尺寸和性能上恢复到原来的状态。对于价格昂贵的重要零件，尤应注意修复，不能只靠更换配件。特别是进口汽车，由于零件品种多，标准不统一，组织配件生产困难较多，有些零件少量配制经济上也不尽合理，因而修复强化的意义更大。2、实施方法通常采用耐磨蚀材料覆盖磨蚀表面，修复旧件，这样不但可以使失效零件迅速恢复使用，而且可以成倍提高寿命。一般金属材料经过表面强化处理以后，在很多场合可以代替贵重的优质材料，甚至性能和工艺性方面较后者更优越。现代汽车日益向高速、高压、大功率发展，汽车零件的使用工况更加恶劣，在此情况下，只有更多的利用各种表面强化技术，提高零件的表面性能才能解决这一问题。热喷涂技术（热喷涂加工）正是适应这种需要的一种金属表面强化技术。应用热喷涂技术在零件表面喷敷各种性能的材料(例如镍基、铁基、铜基合金以及铝、钼、锌等金属、或陶瓷等材料)，就可以使零件表面其有一些特殊性能如耐磨、耐蚀、扰氧化、绝热、导电、绝缘、密封等。这样可以简便地、大幅度地改善零件表面的工作性能。例如曲轴是汽车发动机的重要零件，当曲轴主轴颈及连杆轴颈磨损超过允许的极限时，就不能再用修理尺寸法修复了，此时如果采用喷涂法修复，不仅可以恢复原来的尺寸，而且其耐磨性还远远大于新曲轴。这不仅可以为国家节约大量钢材，井能提高社会的经济效益，特别是对于某些进口车辆的曲轴，经济效益就更为显著。汽车发动机排气门是一种用量大、易损耗的零件，也是保证发动机工作的可靠性和耐久性的零件之一。其失效形式是磨损、斑腐蚀和局部烧伤等，致使气门关闭不严，发动机动力性下降，油耗增加。目前国产汽车发动机的排气门多采用等钢材制作，这些耐热钢材、有些是要靠进口来供给的。为此，排气门的修复是很重要的。排气门的密封面采用氧乙炔焰喷焊后，其表面就可以获得一层耐高温，耐氧化、耐腐蚀的性能，使用寿命将大大超过新件，根据我们试验，经喷焊、修复后的排气门，装车使用行驶90000km的里程后，阀面仍然完好。实践证明，热喷涂技术具有独特的优越性，在汽车修理方面有广阔的应用前景。除上述所例举的曲轴、排气门的修复之外，还有象汽车上的轴类零件、汽缸体、齿轮、键槽等都可以用热喷涂(焊)技术修复，以提高零件的使用寿命[5]。三、结论与展望表面工程技术对汽车制造修复意义重大，不但可以提高汽车的性能还能提高使用年限，节约资源，保护环境，而喷丸技术与热喷涂技术在汽车制造业中起到举足轻重的作用，我们应该予以重视，另外中国汽车行业发展迅速，更离不开表面工程技术。表面工程技术在未来会有很大发展，近年来国内汽车市场的快速增长引起广泛关注，由此带来的汽车回收利用领域面临的问题日益突出。数据显示，作为世界汽车第一产销大国，我国2011年民用汽车保有量已突破1亿辆，汽车报废量超过400万辆，预计2020年报废量将超过1400万辆。随着汽车报废数量增长，由此带来的环境资源问题日益严峻。在汽车报废后，如果不能及时拆解和回收，汽车产品中的有害物质如铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴二苯醚等将对生态环境和人体健康造成严重危害；而报废汽车在回收拆解、材料分离和再利用等环节，由于缺少相关的规范监管和引导，也使得报废汽车有可能造成二次污染。然而，与欧美日等汽车发达国家相比较，我国在汽车回收利用方面还有着明显的差距，目前在我国还没有任何一部关于报废汽车回收利用的完整规范，另一方面，长期以来，由于报废汽车回收拆解行业采取粗放式经营，从而导致该行业技术手段落后，作业流程不规范，环境保护和资源利用水平低。另外，报废厂不按规定交售报废车辆，非法回收拆解倒卖报废汽车的现象依然存在。据不完全统计，由于法定报废回收标准过低，我国每年近八成报废汽车流入了黑市，这不仅对正规的回收拆解企业造成了冲击，扰乱了回收拆解的正常秩序，更给道路交通安全、环境保护和资源利用带来了严重隐患。事实上，对于报废汽车带来的危害，我国并非没有关注，只是相关政策早已不适应快速发展的形势。2001年国务院颁布了报废汽车回收利用办法；2006年，国家发改委等部门联合颁布了《汽车产品回收利用技术政策》，但缺乏具体要求和实施细则，可操作性不强。过时政策难以满足现状，并将严重制约中国汽车产业健康可持续发展，强化汽车回收利用管理已刻不容缓。为改变行业现状，国家有关部门正组织力量对2001年颁布的《报废汽车回收管理办法》进行修订。近日，工业和信息化部节能与综合利用司副司长高东升透露，国家有关部门将采取多项措施加强汽车回收利用，其中包括制定强制性的汽车回收利用标准和法规，回收拆解的市场准入制度亟须健全。据了解，目前国家相关主管部门一方面在大力推动修订后的《报废机动车回收拆解管理条例》尽快出台，另一方面要强化汽车制造商的责任，鼓励汽车制造商加强与回收拆解企业的合作和交流，要求汽车制造商为回收拆解企业提供必要的技术支持，同时要抓紧出台机动车强制报废标准，进一步明确报废条件，严格车辆年检和转移登记制度，从源头上防止报废汽车流向社会。而表面工程技术正可以解决此些难题，所以我们应予以重视，发展前景良好[6]。四、参考文献[1]表面喷丸强化技术航空航天部621研究所王仁智[2]表面工程技术在汽车零部件生产中的应用维尔贝莱特集团[3]杭州余杭永伟电器有限公司[4]热喷涂技术极其典型应用钱强俞韶华徐林刚[5]陕西新兴热喷涂技术有限责任公司[6]腾迅网·腾讯汽车