文    徐亮  權東

 

 摘要：針對6300型柴油機氣缸套腐蝕磨損嚴重的情況，文章首先分析了6300型柴油機氣缸套的失效機理，然后對氣缸套再制造進行了系統的方案設計，并進行了摩擦磨損實驗，通過實驗得出了涂層的使用性能。

 

 關鍵詞：6300型柴油機；氣缸套；再制造技術

 

 一、引言

 

 再制造工程是正在發展的新興研究領域，它是解決資源浪費、環境污染和廢舊產品翻新改造等問題的最佳方法和途徑之一。再制造工程運用先進表面技術、復合表面技術等高新技術，使廢舊產品得以高質量的再生，創造新的價值，是產品全壽命周期管理的延伸和創新，也是符合國家可持續發展戰略的系統工程。^[1]氣缸套是柴油機的易損件之一，6300型柴油機氣缸套的再制造就是在發動機氣缸套的維修中引入再制造理念，充分發揮先進表面技術的優勢，通過制定再制造工藝規程及設計防腐耐磨涂層，將廢舊氣缸套產品恢復到如新產品甚至比新產品性能更高的一個過程，從而解決氣缸套的維修問題，延長發動機壽命。6300型柴油機氣缸套再制造不僅能夠節約能源和自然資源，還能減少因材料重熔造成的空氣污染。目前，我國在船舶發動機零部件上采用先進的表面強化技術對其進行再制造還處于探索階段。如何將先進的表面工程技術引入到船舶發動機再制造領域，提升發動機零部件的服役性能，提高船舶發動機的使用壽命，是我們亟待解決的重要問題之一。

 

 （一）氣缸套的工作狀況和磨損失效分析

 

 柴油機作為船舶的動力源泉，對船舶的重要性不言而喻。柴油機的可靠直接關系到船舶的正常運營與使用。但柴油機的關鍵零部件工作環境惡劣，造成柴油機零部件過早失效報廢，嚴重影響了發動機的正常使用壽命，主要體現為：在工作過程中，燃氣直接作用在缸套上；由于燃氣溫度高并有一定的腐蝕性，造成缸套內側磨成上大下小的漏斗狀，缸套的磨損再加上活塞環的磨損，使兩者之間不再具有氣密性，造成活塞漏氣、燒機油等癥狀，使柴油機出現啟動困難、功率降低、燃油和機油的消耗量增大、使用壽命縮短以及排氣冒黑煙等現象；各缸磨損不均勻時，還會導致發動機工作穩定性變差，容易產生振動危害等。實際應用表明，高溫腐蝕磨損是氣缸套磨損失效的主要原因。

 

 同時在工作過程中，缸壁表面的硬微凸體在摩擦作用下還會發生斷裂，形成內源磨粒。內源磨粒在缸套和活塞環這對摩擦副高速運轉中對缸壁造成劃傷，俗稱“拉毛”，同時產生大量摩擦熱，使金屬表面軟化。在正壓力作用下，摩擦副會發生大面積粘連，導致成片地撕下缸套內壁的金屬，并粘附到活塞環表面，造成“拉缸”。此時，發動機耗油量突增，氣缸密封不嚴，排氣量上升，發動機聲音沉悶，從而嚴重影響發動機性能和傳遞效率。“拉缸”是柴油機的主要故障之一，進一步發展會導致“咬死”。^[2]這種事故一旦發生，氣缸套和活塞環就要報廢，這就使得“氣缸套與活塞環”摩擦副成為影響發動機性能最致命的一個因素。

 

 （二）氣缸套的維修現狀

 

 柴油機到大修期后，缸套與活塞環摩擦副磨損嚴重，特別是缸套的上止點部位，由于劇烈磨損出現非常明顯的深坑，必須進行鏜缸才能將磨損深坑消除。這種修復方法帶來的不利是：鏜缸將氮化處理層切削掉，缸套的耐磨性下降，隨后的磨損速率將迅速提高。正是由于這類局部關鍵零部件與發動機整體大修期的不同步，大大降低了發動機的使用壽命，而且這種修理方式浪費極大，發動機活塞磨損不嚴重，但由于缸套在鏜缸后尺寸加大，使得發動機的活塞報廢，造成極大浪費。^[3]

 

 從上面分析可知，目前氣缸套大修模式存在的兩大主要弊端為：①氣缸套采用常規大修技術修理，不能充分發揮其使用潛力，限制了氣缸套的使用壽命；②舊發動機部件未能充分利用，浪費嚴重。因此，為延長發動機使用壽命，需解決發動機氣缸套的維修問題。

 

 （三）表面工程技術及其氣缸套的再制造工藝

 

 1、表面工程技術

 

 表面工程是再制造工程的關鍵技術之一，是指經表面預處理后，通過表面涂覆、表面改性或多種表面工程技術復合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態、化學成分、組織結構和應力狀態等，以獲得所需要表面性能的系統工程。[4]該技術能完成失效零件的增材、裂紋修補等功能，實現失效零件的修復再利用，因此該技術正越來越多地應用于再制造工程中，特別是熱噴涂技術，已成為綠色再制造工程的工藝技術基礎。

 

 2、氣缸套的再制造工藝

 

 （1）清洗。清洗是借助于清洗設備將作用于氣缸套表面，除去氣缸套表面的污垢，并使氣缸套表面達到一定清潔度的過程。再制造氣缸套中可應用機械清洗，或是利用毛刷、鋼絲刷、砂布或油石等工具進行人工刷、刮、擦和磨等方法進行清洗，清除氣缸套表面沉積較多的積碳、鐵銹和水垢等，再用柴油或汽油清洗干凈。還可以利用化學藥品的溶解和化學作用，清洗除去零件表面上的油、油漬、污漬、水垢和氧化物。常用的化學清洗劑有堿性清洗劑、酸性清洗劑和合成清洗劑三種。

 

 （2）檢測與分類。廢舊氣缸套清洗過后，其下一個重要的再制造步驟是檢測評價清洗后零件的狀況，確定零件的再制造性。所有的缸套都要經過檢測才能留轉到下一步工序，根據不同的檢測結果，缸套可以被分為以下三類：①不必再制造加工就可直接利用的缸套；②經過再制造加工后可再使用的缸套；③不能直接利用也不能再制造加工的缸套。對缸套檢測及分類這一步驟具有重要影響的是制造業的標準化工作。標準化可減少零件數量，減少零件在不同類別產品應用中的變體類型，這對廢舊缸套的檢測及分類有重要幫助。

 

 （3）再制造加工。①確定加工方案。再制造加工是保證廢舊氣缸套達到新品技術標準的核心環節，再制造加工過程與新氣缸套生產的精加工過程完全一致，從而使再制造氣缸套的公差與原公差完全相符。再制造加工過程中所用到的設備，大致與原品制造廠中所用的相似，如車床、鏜床、加工中心等。而且由于再制造批量較小，手工作業人員數量較多，再制造工廠的自動化程度一般也比較低。[5]②預處理。由于氣缸套是鑄鐵工件，必須進行360°以上高溫烘烤以去除內表面的油，防止干擾破壞涂層加工。③預加工。氣缸套內圓表面磨損超過極限后，必須經鏜缸以消除圓度誤差、圓柱度誤差及磨臺，劃痕、擦傷等也可同時鏜去。④強化修復。像氣缸套這樣的產品，一般對表面有較高的要求，就需要對其進行表面處理，如噴涂涂層、鍍鉻、氮化、表面激光處理等，這也是氣缸套再制造加工過程中一道重要的工序。⑤加工工序。粗車外圓及端面→粗鏜內孔→半精車外圓及兩“腰帶”→精鏜內孔→精車外圓、扎槽、倒角→粗磨外圓→粗珩內孔→精磨外圓→半精珩內孔→平臺網紋珩磨內孔。⑥技術要求。尺寸精度：外圓、內孔直徑為IT6、IT7級。形狀精度：圓度及縱切面輪廓度，均為0.012mm。位置精度：上下腰帶外圓對內孔中心線徑向跳動為0.08mm；支承肩下端面對內孔中心線的端面圓跳動為0.03mm。粗糙度Ra值：各表面為0.32-0.16μm。

 

 （4）再裝配。通過上述各個步驟后將合格的氣缸套運送到裝配車間，即可進入產品裝配，這需要制訂科學的裝配工藝以保證產品裝配質量。裝配過程中要按產品要求保證配合表面間的配合質量和接觸質量，零件間的相對運動精度、密封性、清潔度和調整要求等。同裝配新品時一樣，要嚴格按照裝配規定進行。如被裝配的零件要干凈，裝配中用力要合適，要按裝配程序進行裝配，做好裝配零件間隙的調整和零件間相互位置的校正，做好相應的密封和潤滑等，以保證裝配后的再制造氣缸套得到最好的性能。

 

 （5）試驗。裝配后，需要對每一個生成的再制造氣缸套進行功能檢查或試驗，以確定其質量性能。

 

 （四）球盤磨損實驗

 

 1、實驗設備

 

 試驗采用MMW-1立式萬能摩擦磨損試驗機。試驗機有兩個預留的接口，可與計算機接口相連，通過測試記錄軟件，記錄每一時刻的摩擦力、轉速、摩擦力矩、摩擦系數等，試驗結果可存儲、處理及輸出打印，試驗數據直接用Excel處理、輸出，實驗報告還可按用戶要求格式輸出。其主要性能參數如表1所示。

 

表1 立式萬能摩擦磨損試驗機MMW-1的技術參數

 

 試驗運行時，下面的盤試樣在油盒中處于靜止狀態，上面的銷試樣或球試樣的支承盤在電機的驅動下轉動以帶動銷試樣或球試樣在盤試樣上滑動。

 

 2、涂層制備

 

 根據現有的條件和材料的性能，分別以不同的噴涂工藝制備了三種涂層，如表2所示。

 

表2 涂層材料及制備工藝

 

 3、球盤磨損

 

 在試驗中選取的球為45號鋼，表面淬火，直徑12.7mm，盤試樣為三種不同材料：3Cr13不銹鋼絲涂層、Ni45鎳基自熔性合金粉末涂層、NiCr-Cr₃C₂復合粉末涂層。

 

 實驗參數分兩種情況：分別為載荷100N、轉速100r/min和載荷125N、轉速150r/min。在試驗磨合階段10min內，分2次載荷和速度進行，再達到設計的載荷和速度值。試驗中，第一次加40%的載荷和50%的轉速，跑合5min；第二次載荷增加到60%，轉速增加到70%，跑合5min；最后調到設計的載荷和速度值，每次試驗時間為60min。實驗分干摩擦和油潤滑摩擦兩種。

 

 4、實驗結果

 

 （1）球盤磨損干摩擦磨損量比較圖如圖1所示，球盤磨損實驗干摩擦實驗結果如表3所示。

 

 （2）球盤磨損油潤滑摩擦磨損量比較圖如圖2所示，球盤磨損實驗油潤滑摩擦數據如表4所示。

 

圖1 球盤磨損干摩擦磨損量比較圖

 

圖2 球盤磨損油潤滑摩擦磨損量比較圖

 

 5、實驗結果分析

 

 磨損量影響因素有硬度、韌性、碳粒大小、金相組織結構、涂層纖維結構、加工質量等。實驗其他結論有：

 

 （1）Ni45涂層性能很差，但是觀察涂層可以看出，在加工此涂層時，有一定的疏松，涂層不致密，從而造成了和其他涂層相差巨大的實驗結果；

 

 （2）干摩擦中由于加載力增大，涂層磨損不斷加劇，Ni45涂層在后期已不能經受力的磨損，涂層被破壞；

 

 （3）油潤滑條件下運轉比較平穩，涂層變化平穩；

 

 （4）NiCr-Cr₃C₂和3Cr13涂層的性能比較接近，而且3Cr13涂層優于NiCr-Cr₃C₂；

 

 （5）綜合研究表明：在實際運行工況下，3Cr13可望表現出優異的使用性能。

 

表3 球盤磨損干摩擦實驗結果

 

表4  球盤磨損油潤滑摩擦實驗結果

 

 五、結束語

 

 本文采用電弧噴涂和亞音速火焰噴涂制備了三種涂層，分別是高速電弧噴涂3Cr13、亞音速火焰噴涂NiCr-Cr₃C₂和Ni45，并進行了涂層磨損實驗，進行了涂層性能分析，通過研究得出以下幾個結論：

 

 （1）采用熱噴涂技術對氣缸套進行修復，涂層材料選擇廣泛，涂層質量高，很容易形成復合涂層，涂層較厚，可以恢復磨損尺寸，因此熱噴涂技術無疑是進行修復行之有效的手段；

 

 （2）NiCr-Cr₃C₂和3Cr13涂層的性能比較接近，但3Cr13涂層略優于NiCr-Cr₃C₂；

 

 （3）考慮到3Cr13電弧噴涂層成本低廉、性能優異的優勢，電弧噴涂3Cr13可望在氣缸套涂層的制備中得到廣泛應用。