(1裝甲兵工程學院再制造技術重點實驗室，北京100072；
2裝甲兵工程學院科研部，北京100072)
摘要：針對廢舊汽車鋁合金發動機缸蓋的再制造需求，對發動機缸蓋進行了失效分析，并研究了高速電弧噴涂Al RE涂層的再制造工藝。實驗結果顯示，缸蓋的失效主要表現為表面環形壓痕和平面度超差，壓痕區附近出現較多白色條狀的Si相，硬度有所升高；高速電弧噴涂Al—RE涂層的組織致密．硬度略低于LM25 TF鋁合金基體，熱壓變形實驗后涂層與鋁合金基體結合良好，未出現裂紋和剝離。綜合實驗結果和典型零件的應用情況表明，高速電弧噴涂AI-RE涂層技術可實現鋁合金缸蓋的再制造。
關鍵詞：再制造；高速電弧噴涂；汽車發動機；鋁合金缸蓋
報廢汽車零部件的再制造是研究最早的領域，其中，發動機的再制造在國外已有50多年歷史，已形成完整的體系和足夠的規模[1]，例如，德國大眾公司已再制造720余萬臺發動機[2]；在北美有將近10，000家工廠以不同形式生產再制造發動機，每年的產量超過300萬臺[3]。在國內，發動機的再制造研究與應用在最近十幾年發展很迅速，如中國重汽集團自1996年成立濟南復強動力有限公司后，致力于斯太爾、康明斯等系列發動機的再制造研發生產，將再制造發動機直銷歐洲和中國周邊國家，同時開拓國內市場，該公司目前生產能力達15000臺／年，規模達7000臺／年[4-6]。
缸蓋、箱體、曲軸、連桿等都是發動機的關鍵零部件，再制造附加值非常高。針對這些零部件的失效形式，人們采取了多種表面工程技術對其進行修復和再制造[7，8]，其中，高速電弧噴涂技術也得到了初步的應用。目前，該技術的應用主要集中在鐵基重載發動機缸體和曲軸的再制造領域[9，10]。鋁合金發動機在汽車行業中占有重要的份額，尤其是在當今車輛輕量化的發展趨勢下比重會越來越高。但是，關于鋁質汽車發動機的再制造技術研究報道卻很少。為此，本工作立足汽車發動機再制造領域的研究前沿，以及對關鍵再制造技術的緊迫需求，以國外某型汽車鋁質發動機缸蓋為具體研究案例，從零部件的失效分析，到再制造工藝方案的制訂與性能實驗的設計，再到具體零部件的應用考核，展開了深入的研究，旨在為開展鋁合金機械零部件的再制造提供技術支持與理論指導。
1 廢舊鋁合金汽車發動機缸蓋的失效形式
國外某型汽車上使用的四缸發動機缸蓋，其材質為LM25 TF鑄造鋁合金，與國產ZA101A比較接近[11]，表l為這兩種合金的化學成分，表2為LM25TF合金的力學性能。這種發動機缸蓋和缸體之間裝有不銹鋼材質的缸墊(帶密封壓環)，起到密封(密封缸蓋和缸體配合間隙，密封燃燒室)和阻隔(阻隔缸套中冷卻水和燃燒室中高溫混合氣)作用。由于缸墊為不銹鋼制作，其硬度高、韌性好、耐蝕性好，而由鑄造鋁合金制成的缸蓋硬度相對較低，為了達到良好的密封效果，在裝配壓力、服役溫度和長時間服役作用下，不銹鋼密封壓環使得鋁合金缸蓋表面發生塑性變形，壓人缸蓋表面，形成四個環形壓痕。缸蓋表面形成壓痕后，缸蓋和缸體之間具有良好的密封效果。但是，一旦拆卸后，若再重新裝配，難以保證配合面及密封環的密封效果。因此，為了再利用或再制造該缸蓋，必須對環形壓痕進行修復，恢復缸蓋配合表面的完整性和平整度。
表1 國內外發動機缸蓋的材質(質量分數／％)
表2 LM25 TF合金的力學性能
如圖1所示，發動機缸蓋配合面每個缸口表面有一個環形壓痕，直徑約Φ60mm、深度0．05～0．8mm，壓痕痕跡寬度約0．8～2mm。針對每一個環形壓痕而言，其一周的深度和寬度并不均勻，即水冷條件好的部位壓痕淺而窄，反之則深而寬。發動機缸蓋在與不銹鋼缸墊密封環接觸的區域工作時溫度在100～200℃范圍內，且水冷條件好的部位溫度較低，反之則較高；同時，缸蓋表面還承受一定的裝配壓應力，應力值會隨工作狀態的不斷變化而有一定的浮動。
圖1 鋁合金發動機缸蓋（a）及表面環形壓痕形貌（b）
圖2為合金壓痕表面的SEM形貌，可以看出，合金表面發生了塑性變形，表面的微凸起被壓扁。為了分析服役狀態對缸蓋的影響，對廢舊缸蓋進行剖切，觀察了壓痕區域及其遠離壓痕區域的顯微組織特征，如圖3所示�？梢钥闯�，LM25 TF合金組織主要由Si相(白色條狀)、α相(深色條狀)及基體相構成；同時，合金中存在一些氣孔和夾雜，這是在鑄造過程中形成的。組織中si相和α相在壓痕附近的分布及取向與遠離壓痕區有明顯不同。圖4為沿壓痕變形區截面的硬度分布曲線，在壓痕區附近硬度較高，當離壓痕表面的距離大于0．1mm以后，硬度在HV40～60的范圍內波動�；谏鲜鼋Y果可以說明，壓痕處的合金組織在受熱應力和壓應力的雙重作用下發生了變形和硬化。變形層的存在，將不利于修復層與基體的結合，易導致修復層的脫落。因此，在選用和設計缸蓋再制造技術方案時，應考慮該變形層的存在，消除其不利影響。
圖2 鋁合金缸蓋壓痕表面SEM形貌
圖3 缸蓋壓痕區橫斷面金相組織（混合酸腐蝕）
除了分析缸蓋表面壓痕區域的特征外，還要對缸蓋整個表面的平面度進行測試，因為缸蓋在服役過程中，因受熱和力的作用而發生變形[12]。如果變形程度不是太大，可以用銑削的辦法進行修正而不會影響其再次使用，但變形程度過大，需要銑削的量過多，則會影響到缸蓋及其他部件的裝配使用，無法再次利用。
圖4 鋁合金缸蓋壓痕變形區硬度分布曲線
2 高速電弧噴涂再制造鋁合金缸蓋的工藝研究
2．1 高速電弧噴涂AI-RE涂層的制備
針對發動機缸蓋再制造毛坯件的失效特點，再制造表面處理工藝應具有如下基本要求：
(1)通過一種或幾種表面工程技術制備的修復層應與鋁合金基體結合牢靠，在結合區或修復層內無裂紋產生；
(2)所采取的表面修復工藝不會使缸蓋的其他部位的尺寸發生改變，產生變形；
(3)修復層的硬度應接近鋁合金缸蓋表面的硬度，且具有相近似的熱膨脹系數；
(4)修復層和鋁合金缸蓋之間在工作過程中不存在腐蝕問題；
(5)帶有修復層的再制造缸蓋產品和缸體裝配后，其密封性能和阻隔效果同于新品。
一些常規的表面處理方法(如堆焊、刷鍍、粘涂等表面處理工藝)很難符合上述要求，使得對汽車發動機鋁質缸蓋的再制造成為一大難題。本研究通過綜合考慮，決定展開高速電弧噴涂再制造的工藝研究。采取高速電弧噴涂修復時，選擇合適的噴涂材料是該技術能成功實現再制造的關鍵因素之一。所形成的噴涂層要具有較高的結合強度，使其在后續加工以及服役中不會脫落；其次是保證缸蓋在100～200℃的工作溫度下不會因殘余應力過大而發生脫層；再次是噴涂層的硬度，能保證在裝配后，缸墊上的密封壓環應能壓人缸蓋表面(被修復部位)，達到可靠的密封和阻隔效果。為此，決定選用Al—RE絲材作為噴涂材料，而且，在對發動機缸蓋表面環形壓痕進行尺寸恢復之前，先在實驗室條件下研究該種涂層的制備及其性能情況。
由于缸蓋為鋁合金材料，硬度相對較低，因此在預處理時要選擇合適的噴砂工藝參數，尤其是空氣壓力。壓力過大，噴砂速度和沖擊力過大，不但不能保證較高的粗糙度要求，還會使合金表面因噴丸強化和塑性變形再次產生硬化層；壓力過低，噴砂時間過長，不能很好地去掉缸蓋表面的氧化夾雜和變形層。在綜合分析和多次實驗基礎上，最后確定以下噴砂工藝參數，如表3所示。
表3 噴砂工藝參數
選用自行研制的HAS-2型噴涂槍和AMD-1620型噴涂設備，噴涂Al一RE絲材制備涂層。表4為噴涂工藝參數。涂層制備過程中，控制涂層的厚度在0.8mm左右。
表4 高速電弧噴涂Al-RE涂層工藝參數
2．2 Al—RE涂層的組織與性能分析
圖5為經混合酸腐蝕后Al一RE涂層的截面形貌�？梢钥闯�，涂層呈現出層狀結構特征，主要由Al合金相及其氧化物組成。圖6為涂層的顯微硬度沿界面的變化情況，從曲線可知，涂層的硬度略低于鋁合金基體的硬度，二者過渡良好。
圖5 高速電弧噴涂Ab-RE涂層的截面形貌(混合酸腐蝕)
圖6 涂層界面硬度變化曲線
為了檢驗涂層與基體的結合以及密封性能。還進行了涂層的熱壓模擬實驗。在Gleeble 1500D型數控式動態熱一力學物理模擬實驗機上對帶有噴涂層的部位壓出奪Φ60mm×2mm的環形壓痕，實驗加熱溫度200℃，持續時間1000s，記錄實驗過程的載荷一位移曲線，并和不帶涂層的LM25 TF鋁合金試樣作對比。測試結果如圖7所示，可以看出，在相同實驗條件下，Al—RE涂層試樣和LM25 TF基體的位移及變化規律比較接近。熱壓模擬的實驗條件和發動機的實際工況相接近，兩種材料表現出相近的規律，進一步說明高速電弧噴涂Al—RE涂層可滿足再制造的要求。而且，還使用了光學顯微鏡對實驗后的涂層試樣的壓痕特征進行觀察，發現涂層并沒有產生裂紋，與基體結合較好，無剝層產生。因此，涂層的硬度雖略低于基體，卻具備了較好的塑性，使其在變形條件下不會剝落和產生裂紋，達到良好的密封效果。
圖7鋁合金涂層及基體的熱壓載荷一位移曲線(200℃，1000s)
2．3 高速電弧噴涂再制造發動機缸蓋的應用
針對具體的鋁合金發動機缸蓋零件，制定了專門的高速電弧噴涂再制造工藝流程，并進行試驗考核。由于缸蓋表面有許多的槽和孔，在噴砂預處理和噴涂前，設計專門的護具進行遮蔽防護。圖8(a)為環形壓痕處的涂層特征照片，涂層的厚度約1．5mm，略高于缸蓋表面。制備好涂層后，使用平面銑床對涂層進行銑削加工，并基于平面度測試儀的測量結果確定缸蓋表面的銑削進刀深度，銑平涂層的同時對缸蓋表面的平面度進行了修正。銑削后的結果如圖8(b)所示。完成應用試驗后，對再制造的發動機缸蓋進行了臺架和裝車考核，運行效果良好，未見異常。
圖8 高速電弧噴涂Al—RE涂層在發動機缸蓋上的應用照片
(a)噴涂后的涂層；(b)銑削加工后的再制造缸蓋
3 結論
(1)廢舊汽車發動機鋁合金缸蓋的失效形式，主要表現為缸蓋表面的環形壓痕和因變形造成表面平面度超差，壓痕區附近的組織和性能發生了一定程度的變化，出現較多白色條狀的Si相，硬度增大。
(2)采用高速電弧噴涂工藝制備的Al一RE涂層，呈現出典型層狀結構的組織特征，涂層的硬度略低于LM25 TF鋁合金基體，在熱壓條件下的載荷位移變形規律和LM25 TF鋁合金基體比較接近，且熱壓變形實驗后涂層與基體結合良好，未出現裂紋和剝離。
(3)基于實驗分析和典型零件的應用考核結果，表明高速電弧噴涂Al—RE涂層技術可滿足鋁合金缸蓋的再制造要求，實現了該部件的循環利用。
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