摩托车应用新型表面涂层技术的探讨

花和尚

目前，摩托车常用的硬铬电镀涂层工艺，因涂层硬度、光洁度高，在厚度为0.0127～0.02286mm时，成本较低；但当镀层厚度增加时，成本会增加几倍，而且这种工艺还有以下缺点：
a）镀层粘接力不强：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严重的微裂。虽然电镀工艺微裂有助于消除剩余应力，但微裂过分，特别是从表面至基体发生微裂，会导致电镀层与基体分离。
b）工艺控制困难：目前还难以通过工艺变量控制获得可依赖、可重复的电镀层，如铸件浸入到镀槽中时，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）要求大功率电源：一般645mm2的工件电镀，需要14～16W的电源。
e）难以完全遮蔽：由于电镀时工件须完全浸入到镀槽中，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：会在拐角或尖缘处形成小结，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
由于硬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硬铬电镀涂层，因此有可能会部分取代硬铬电镀涂层。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超过10000PSi，耐磨能力更优于硬铬电镀涂层。
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（是否超过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，要求电镀层厚0.25mm，如用硬铬电镀涂层的话，由于电镀层厚，需完全浸没该工件，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，喷涂枪由控制器控制，沿工件以一定的速度轴向移动（工件涂层尺寸偏差<0.05mm），加工快且成本低。
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。为减轻这些摩擦和腐蚀性问题，日本Nihon Parkerizing公司开发了镍-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、雪地摩托车及某些豪华客车的发动机部件上少量应用。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，被用于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会减少，这是它的一个最大缺点。NCC镀层（分Ni-P-hBN、Ni-P-SiC两种）中由于含有磷化物（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相比，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由于含有优异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（润滑条件下：钛合金上的NCC摩擦系数约0.10～0.12，硬铬的摩擦系数为0.28～0.48）要低得多，使滑动部件间的磨擦损失明显减小。经几家日本公司在它们开发的发动机上应用Ni-P-hBN镀层表明，抗腐蚀性能优异，有取代铸铁缸套的趋势，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）合金活塞组合，以防止气缸与活塞间卡死和磨损；2）无缸套组合，过共晶高硅A2（AA390）合金缸体（或MMC缸体）与铁-磷电镀活塞组合以抗磨损。在这两种设计方案中，活塞环的磨损均是采用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）采用完全浸渍法；2）电镀液流动法，但电镀液只流在气缸内壁上，不与其它部分接触，这是一种经济有效的新工艺，适用于大排量发动机部件，如直立和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开发的NCC工艺用在该公司生产的摩托车、船舶、豪华客车的二冲程全铝发动机上；雅马哈和川崎公司也把NCC镀层用于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、模具或其它耐磨件上。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，但在热和机械负荷循环作用下，镀层容易剥落。为防止发动机磨合期间气缸磨损，镀层需要抛光，此项工艺需长达数小时，还要经过酸洗并采取生态保护特殊措施。为此，国外科学家曾采用离子轰击辅助的PVD工艺，在摩托车活塞环上获得了多层TiN涂层，它既不需要涂后抛光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。不同涂层的小型摩托车发动机活塞环磨损试验图，其中（a）为不同材料的3组活塞环经过180h试验后的对比。结果表明，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年代就被用于飞机发动机上，典型的TBCs结构是由金属粘接层和ZrO2陶瓷顶层组成；80年代TBCs的制备技术有了重大的突破，以电子束物理气相沉积法（EB-PVD）取代了长期使用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，既保持了EB-PVDTBCs的质量，又降低了成本，并适用于大型复杂部件，因此扩大了TBCs的应用范围。目前，TBCs涂层除了成功应用在国外航空发动机、燃气轮机上外，还广泛的应用于柴油机上。美国FCS股份有限公司经过长达10年的研究表明，TBCs涂层应用于柴油机有很多优点：可节约燃料11%，延长发动机寿命20%，增加发动机功率10%，减少柴油机的点火滞后，降低发动机颗粒排放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，增加低温冷起动的可靠性，使涂有TBCs的部件温度降低100℃，降低维修成本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涂层用于航空发动机和燃气轮机的试验研究，结果表明，TBCs具有明显的防热和耐磨性能。因此，完全有理由相信，这种先进的表面处理技术在先进的高性能摩托车发动机上定有良好的应用前景。