熱噴涂涂層的工藝控制

(一種可快速且無損測量熱噴涂涂層厚度的新型技術,實現在工藝早期控制及早發現偏差并進行糾正。

   當把氣缸發動機曲軸箱內的8個傳統灰鑄鐵鑲件換成熱熔噴涂鐵基涂層后,對氣缸孔區域內鋁鑄件的孔隙率和力學性能要求非常高。

   實際生產過程主要包括四個步驟:精密鏜孔(精鏜),粗化,涂層和后處理。在上述的各步驟之間,為了確保質量必須進行測試。必須根據零件數量、應用程序和關鍵質量參數進行100%的測試。精鏜的目的是在最終加工后根據所需的涂層厚度將孔對準曲軸軸線以及擴大孔隙。此時需確定形狀和位置公差,并且還產生圓柱度。關于涂層厚度,后續只可以校正非常有限的位置公差,其厚度為幾百微米。 因此,在粗化和涂層過程之前需要將孔設定在適當位置。

圖一  把氣缸發動機曲軸箱內的8個傳統灰鑄鐵鑲件換成熱熔噴涂鐵基涂層后,對氣缸孔區域內鋁鑄件的孔隙率和力學性能要求非常高。

  粗化圓柱表面的目的是產生所需的涂層附著力。該步驟可通過噴砂剛玉,高壓或脈沖低壓流體噴射或通過純機械加工來完成。 用于使待涂層表面粗化能在單獨的設備中進行剛玉噴砂和流體噴射工藝。

  通常可以在相同夾緊中精鏜后進行曲軸箱的機械粗化。因此,可在沒有偏移的情況下引入粗化輪廓。接著使用光學圖像識別技術來檢測表面缺陷并對其再加工進行分類。在剛玉噴砂的情況下,這種表面缺陷可以嵌入剛玉顆粒中; 在流體射流的情況下,主要是剝離相和擴張的孔。



圖二 為了測量涂層厚度,把測量光學元件插入到氣缸孔中(上孔開口),因此,可以在圓周和缸內深度的任何位置可靠測量出涂層厚度。

  當機械粗化時,將凹槽輪廓切入鋁材中。這個輪廓的形狀,凹槽和金屬光澤的表面令它不適合使用相機系統進行檢測。



提高發動機的使用壽命


  熱噴涂工藝的特征在于涂層材料通過熱源(例如等離子火焰)熔化,并通過氣流旋轉噴涂到部件上。液體顆粒在與表面接觸時突然凝固并出現分層,從而產生涂層。通過基于粉末的大氣熱噴涂,幾乎可以對所有材料進行加工。該層光譜范圍從熱塑性塑料、金屬和碳化物,到陶瓷層。鐵基涂料具有所需的摩擦學性能,可作為線材或粉末使用。 線電弧噴涂,等離子體轉移電弧(PTWA)和旋轉單線(RSW)是電線涂層工藝的實例。

基于粉末的大氣等離子噴涂涂層除了金屬以外,還提供了陶瓷材料噴涂的選擇。低合金碳鋼主要用于燃氣和柴油發動機運行表面的涂層。該涂層是不均勻的,不僅由熔融和凝固的顆粒組成。在涂層內部,氧化物和碳化物以及孔洞堆積,使其頻率在1%4%之間,這取決于工藝參數和工藝的選擇。這些孔在珩磨后用作潤滑劑儲存器并將潤滑劑固定到指定位置。故此,使活塞環/活塞與氣缸壁之間的摩擦力降到最低,從而減少了油耗,提高了發動機的使用壽命。

 

實現一秒內測量涂層厚度

 

      仍未加工的熱噴涂涂層的厚度必須遵循狹窄的允許范圍。任何偏離指定公差的情況都可能導致后續加工過程中珩磨工具的后續再加工和銷毀。

在工藝早期測量涂層厚度,可以省去增值鏈中的任何后續處理步驟,例如涂層厚度過低。對于粗糙的噴涂表面,傳統涂層厚度測量儀器具有低重復精度,因此不適合質量保證。通過顯微照片進行隨機檢查是非常耗時的,并且不允許對涂層工藝進行無縫且無損的檢查。相反,Winterthur公司的設備CoatMaster可測量表面1-3毫米的直徑的區域得出涂層厚度。結果顯示,即使在高粗糙度下,也實現了12%的高重復精度,測量時間少于一秒。因此,在批量生產中也可以測試每個孔的多個測量點。

該測量儀器基于熱涂層測試的工藝設計的。該裝置的光源將噴涂的涂層表面加熱幾毫秒到幾攝氏度。它基于光熱法及涂層與基材導熱率差異測出熱噴涂層的膜厚。



圖三 相對的點(a,b)處從底部到頂部測量油缸工作表面內的涂層厚度。

測量點1-15為曲軸箱1,測量點16-30為曲軸箱2

該設備所使用的光源類似照相機的閃光燈,并且不會對人體或環境造成任何危害。每個測量過程分析超過100,000個溫度讀數,然后確定涂層厚度。可以在距離最遠1米的距離測量,可測量表面250毫米直徑的區域。單次測量的誤差通常低于1%。涂層厚度可以高達2 Hz的頻率進行記錄。通過光學測量探頭(圖2),自動測量整個氣缸工作表面分布的各測量點,自動記錄測量厚度。 Oerlikon Metco公司的SumeBore運行表面涂層技術負責人Peter Ernst博士說道。CoatMaster可以直接在工藝過程中以非破壞性方式對熱噴涂涂層進行精確,快速的涂層厚度測量。可以快速檢測和糾正影響涂層厚度的工藝偏差”, 

 

表面粗糙度的降低

       在最終的珩磨工藝中,需去除噴涂表面上的粗糙結構,因此表面的粗糙度需降低到5微米范圍內的平均粗糙度。

作者

Prof. Dr. Nils A. Reinke, CEO 

Winterthur Instruments AG, Winterthur, Tel. +41 52511 8730,

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