热喷涂技术在轿车发动机缸体轻量化中的应用
李增荣，吴比
科技创新
摘 要：介绍了轿车发动机缸体材料的发展及制备技术新途径，为了实现节能减排，轿车轻量化是未来轿车发展的趋势。德国奔驰 汽车公司和日本尼桑汽车公司都已开始采用热喷涂技术制备缸体并取得成功。采用铁基涂层进行缸体的制备是今后的研究方向。
关键词：热喷涂技术；发动机缸体；轻量化
1前言
从法国人尼古拉斯·约瑟夫·库诺发明的第一辆蒸汽汽车到现在出现的电能汽车，轿车的发展发生了翻天覆地的变化。不仅车子的外形构造、内部结构、采用的材料发生改变。在当今资源比较紧张、环境污染比较严重大环境的影响下，为了节约燃油的消耗和减少二氧化碳的排放， 减轻汽车的重量已经成为人们关注的焦点之一了。世界汽车报告协会指出，汽车重量每减轻10％，燃油消耗将降低6％-8％，因此，减轻汽车的 自重既可以节约燃油的消耗，而且还能降低尾气的排放。因而汽车的轻量化已成为各国汽车工业发展所面临的—个问题。在保证汽车的质量和性能的前提下，除了提升汽车发动机的输出功率、降低燃油的消耗， 减少排放以满足环保要求外，也可以减轻汽车各零部件的重量以便满足节能环保，选择铝、镁合金材料加工汽车的零部件是节约燃油消耗、降低尾气排放最有效地方法。发动机作为轿车的“心脏”，其材料的选择也在悄然发生变化，尤其是发动机缸体材料变化，已成为当今汽车轻量化发展的方向之一目。
2发动机缸体轻量化的发展
当前，汽油发动机的缸体主要采用铸铁和铸铝，而在柴油发动机中，采用铸铁缸体的要占绝大部分，为了实现节能减排的目标，减轻发动机的重量是现代汽车工业采取的主要措施。
21铝合金缸体的优势
从使用来看，铸铁缸体虽然结构简单，加工量少，气缸刚度也比较好，但是铸铁生产线占地面积大，对环境污染大，加工工艺复杂，重量大，属于即将淘汰的产品。而铸铝缸体的优势就在于重量轻，可以实现节约燃油，在同等排量的发动机中，使用铝缸体的发动机能减轻20公斤重量，大约占到了轿车自身重量的十分之一，因此燃油的消耗也降低了7％左右，根据最新的资料显示，国外有名的轿车福克斯采用了全铝合金的材料，减轻了轿车自身重量的同时，还增强了发动机的散热效果，提高发动机的工作效率，而且发动机的寿命也被延长了。
2．2铝合金缸体的不足
从节能减排的角度看，铝合金发动机在这方面的优势受到了人们的广泛关注。同时，铸铝缸体的生产线占地不大，对环境的污染也小。但是，如果发动机缸体完全采用铝合金，也有很多的缺点。首先铝合金的比重较轻，单位体积结构强度就要比铸铁的小，因而铝缸体的体积通常要比铸铁的大一些，很难达到铸铁缸体的紧凑。其次是耐腐l生很难达到要求，这是因为铝合金容易与燃烧时产生的水发生化学反应。再次是耐磨性也很难满足要求，现代轿车的引擎，为了降低往复运动的部件惯性看，常常会提高转速和响应的速度，活塞常采用铝合金材料，那么这种铝合金活塞与同样是铝合金的缸体之间的摩擦系数就会非常大，从而会降低发动机的使用寿命，相反，铸铁发动机就不会产生这样的问题，因为铸铁本身具有自润滑作用。
2．3铝合金和铸铁组合缸体
为了解决上述问题，可在铝制发动机缸内镶嵌1．5~3mm壁厚的铸铁缸套。但这种方法本身仍然存在一些缺点。首先，它增加了发动机的重量，不但铸铁缸套自身增加了1．5kg左右的重量、而且基于缸套加工和装配的需要，发动机缸体的总体尺寸也需要增大。其次，采用铸造工艺制造的铸铁缸套的成分无法灵活的改变，很难达到与活塞部件最佳的摩擦副组合。另外，由于铸铁缸套与发动机是分离的部件，因此在加工装配方面也存在很多问题，装配间隙和表面精度很难保持一致，这些都会对发动机的工作效率造成很大的影响。
3热喷涂技术实现缸体轻量化的可行l生
采用热喷涂技术制备的发动机缸体则完全可以解决上述问题。首先，利用热喷涂技术，只需要制备200—3001xm厚度的涂层就可以满足汽车缸体的耐磨要求，几乎不会增加发动机的重量料。其次，热喷涂涂层的材料也可以灵活设计，因此可获得最佳的摩擦学特征。再次，涂层的制备加工均在缸体上连续完成的，无中间装配的工艺，可以保证足够的精度，不会造成装配方面的问题。
3．1热喷涂技术在国外的应用
采用热喷涂制备汽车发动机缸体表面涂层的技术始于上世纪90年代末，瑞士的SULZER METCO公司最早推出了旋转等离子口孔喷涂系统，并开始探讨其在汽车发动机缸体上应用的可能性。1997年，美国Sandia国家实验室和通用汽车公司合作，开始探讨利用火焰喷涂在铝制汽车发动机缸体内壁上制备铸铁涂层的工作，但该技术并没有进行实际应用。1998年，德国亚琛工业大学表面技术研究所K Bobzin等利用旋转丝材等离子喷涂为大众汽车公司制备了发动机缸体涂层，采用自行设计的多种涂层材料进行了试验，最终选择出具有优良减摩性能的几种碳钢材料。这种涂层技术目前已在大众汽车公司用于多种车型，例如最省油汽车的LUPO一1．4，该车百公里油耗低于3升，在其2008最新型轿跑车Sciroeco上也采用了这项新技术。随后，德国奔驰汽车公司也在汽车发动机制造中采用了该技术，但应用范围较小。进入本世纪以来，日本尼桑汽车公司通过几年的技术积累，也开始应用这项技术，在2007年新上市的尼桑GTR轿车上，采用了具有热喷涂涂层的新型发动机。目前，美国福特汽车公司也正在进行中试，准备采用这项新技术。
3．2热喷涂技术在国内的研究
在相关的基础理论研究方面，近年来最受关注的问题是热喷涂涂层减摩机理的研究工作。按照传统的理论，铸铁中由于有石墨的存在，具有储油减摩功能，而其它连续组织的材料不具备这种功能，这也是铸铁缸套应用多年的原因。但最新的研究成果表明，热喷涂铁基涂层不但具有这种功能，而且其减摩性能明显优于铸铁材料，其摩擦系数甚至可以减少15％-30％o。其原因，目前也有多种解释，有资料认为，是喷涂层中自然存在的孔隙对储油减摩起到关键作用，也有研究认为是喷涂过程中产生的FeO作为润滑介质起到关键的作用日。
4结束语
为了实现轿车节能减排的目标，采用热喷涂技术制备发动机缸体是实现轿车发动机缸体轻量化的一个途径，采用铁基涂层进行缸体的制备是今后的研究方向。
参考文献略
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