高性能環保內燃機鎳基復合鍍層鋁氣缸的技術及應用

張丹

（福州鉅全汽車配件有限公司福建福州350014）

高性能環保內燃機鎳基復合鍍層鋁氣缸的技術及應用

張丹

（福州鉅全汽車配件有限公司福建福州350014）

在摩托車發動機和其它小型汽油機鑄造鋁合金氣缸內壁電鍍鎳基耐磨復合鍍層，取代傳統的鑄鐵缸套和電鍍鉻氣缸，解決了電鍍鉻氣缸生產過程中的污染問題，實現環保型生產。同時，能夠提高發動機動力性能。采用灌入式技術取代國外浸泡式，以及開發的六工位加工設備，實現了復合電鍍氣缸的高效批量生產。

鋁合金氣缸鍍鎳-碳化硅灌入式

引言

隨著內燃機工業的發展，氣缸和活塞作為發動機的核心部件，其性能及匹配性直接影響內燃機的性能和排放指標的水平和穩定性。福州鉅全汽車配件公司研究開發的高性能環保的內燃機鋁氣缸，是在氣缸，活塞、活塞環摩擦付優化匹配研究的基礎上.在鑄造鋁合金氣缸內壁電鍍Ni-SiC復合鍍層。該技術代替硬鉻，解決了部分產品生產過程中的六價鉻污染問題。研制成功的先進灌入式電鍍工藝，逐步取代了小槽浸泡式電鍍工藝；同時，開發的具有特殊加工工藝的六工位氣缸加工專用機臺，使高性能環保的鋁氣缸在制造、技術工藝不斷改進中實現大批量的穩定高效生產。目前，已經形成了表面復合電鍍Ni+SiC的鋁合金系列氣缸生產能力。

1 鎳基耐磨復合鍍層氣缸的電鍍技術

1.1 Ni-SiC復合鍍的基本概念

在電鍍溶液中加入固體碳化硅顆粒并使其與基質金屬鎳（或稱主體金屬）共沉積在基體上的鍍層稱為Ni-SiC復合鍍層，這種金屬鎳基的復合材料有時也稱為金屬陶瓷，獲得復合鍍層的工藝稱為復合鍍。

1.2 Ni-SiC復合鍍層的磨損機理

復合鍍層是兩相組織，復合鍍層與滑動摩擦面接觸時，首先是基質金屬鎳受到磨損，再使鑲嵌在金屬中的固體碳化硅顆粒得以凸出，并承受磨損。此外，鍍層表面離微粒周圍稍遠些位置部分鎳被磨損掉，會形成深淺不等，方向不同的凹槽，它可以儲存潤滑油（劑），從而使其具有良好的耐磨性能。

1.3 Ni-SiC復合鍍層的技術特征

1）Ni-SiC電鍍層硬度高，HV0.2≥500；

2）電鍍層孔隙率高，自潤滑性能突出，磨擦系數小，氣缸使用壽命長；

3）Ni-SiC氣缸散熱效率高，熱負荷低，使用壽命長；

4）Ni-SiC電鍍層采用環保電鍍工藝，不含六價鉻等有害物質，實現清潔生產，完全符合歐盟ROHS環保標準。

1.4 Ni+SiC復合電鍍的關鍵技術問題

1.4.1 工藝穩定性

涉及鍍層的均勻性，硬質顆粒分布的控制，硬度的控制，電鍍槽液的穩定性問題。

1.4.2 電鍍陽極的選擇

氣缸是內孔電鍍決定了復合電鍍陽極和普通電鍍的不同。經過反復分析研究，所確定的氧化銥/鈦不溶型陽極技術方案既滿足了復合電鍍的需要，也克服了傳統鉑/鈦陽極的價格制約因素，實現了鍍層厚度的均勻性，減少后續珩磨量及生產成本。

1.4.3 成本問題

鍍液老化和再生、均勻問題。添加劑控制及槽液循環系統投入及控制，不良率的控制。

2 Ni-SiC復合鍍氣缸缸孔的機加工技術

由于Ni-SiC復合鍍層有很高的硬度及耐磨性，復合電鍍氣缸缸孔的機加工和珩磨工藝方面需要進行系統的研究開發。

借鑒六工位專機專利技術開發了氣缸加工專用機臺，通過硬質加工刀具的優選試驗保證設備高效、穩定的切削能力；氣缸的進排氣口，掃氣口是銳角，針對其電鍍后由于尖端放電所產生的尖銳的硬質毛刺，自制了球型刀NC加工專用機，通過電腦模擬編程刀具軌跡，實現了NC自動去毛刺，使Ni-SiC復合鍍層氣缸的大批量生產能力得到保證。在設備制造，工藝調整，標準工時的探討上做了大量的試驗，獲得了很高的機加工生產效率。

針對復合鍍層氣缸機加工半成品孔加工后，出現的電鍍腐蝕導致孔變大的問題，通過研究氣缸孔電鍍前后的變化規律，調整了電鍍前的加工尺寸并實施二次加工工藝，保證了產品生產一致性。

Ni-SiC復合電鍍后的氣缸耐磨性能很高，給后續珩磨工藝帶來了困難。通過鍍層厚度的均勻性的控制，珩磨石的選用，珩磨量的調整及不同氣缸機型立臥式珩磨方法的選用，降低了生產成本，實現了Ni-SiC復合電鍍氣缸大批量高效生產。

3 主要技術指標與對比分析

1）附著力良好，完全符合GB/T5270-2005/ ISO2819：1980附著力的檢驗中磨、鋸要求及深引檢驗要求（羅曼諾夫凸緣帽檢驗），得到歐美及日本多家客戶的肯定，并在臺架實驗中到驗證，與基體結合牢固。

2）鎳-碳化硅復合鍍層的硬度：HV0.2≧500，耐磨性能良好，發動機臺架含初期磨合100h實驗中鍍層磨損量為5～7.5μm，大大小于鑄鐵氣缸的磨損量。

3）鎳-碳化硅復合鍍層膜厚均勻，平均厚度45± 11μm。

4）鎳-碳化硅分布的空白率：10%～30%。

5）技術條件符合圖面要求。內孔表面鍍鎳-碳化硅的氣缸產品能滿足并通過客戶的發動機臺架試驗。

6）與國內外同類技術或產品比較（詳見表1）。

表1 鋁合金氣缸主要技術指標與工藝性對比分析

4 Ni-SiC復合電鍍技術研究分析

在鑄造鋁氣缸上探索合理的工藝路線，改變傳統的電鍍溶液成分，通過采用專利技術NI-SIC復合電鍍液[1，2]，實現復合電鍍氣缸的批量生產，鍍層硬度高，強化氣缸內孔摩擦面，增加氣缸的使用壽命。

鎳-碳化硅的復合電鍍液成分組成包括，氨基磺酸鎳300～400 g/L、硼酸40～60 g/L、次磷酸鈉0.7～1.0 g/L、碳化硅2～5 g/L，其中的pH4.3～4.5 T（℃）50～60。本公司系統開展了復合電鍍液的含量對鍍層結合力、硬度、外觀、電鍍速度的影響研究（電鍍條件：PH值4.4，50℃，20min）。

4.1 硼酸含量對鍍層結合力的影響

ρ（硼酸）/（g·L-1）303540455055結合力情況脫落脫落好好好好

4.2 次磷酸鈉含量對鍍層硬度的影響

ρ（次磷酸納）/（g·L-1）00.20.40.60.81.01.21.41.6硬度（HV0.2）280 300 380 500 560 620 650 700 760

4.3 電鍍方法、電流密度對鍍層外觀、電鍍速度的影響

電流密度/（A·dm-2）5101520253035鍍層厚度/um12253850627580鍍層外觀（沉浸式）細致細致粗糙粗糙粗糙粗糙粗糙鍍層外觀（上流循環）細致細致細致細致細致細致粗糙

4.4 鋁合金表面灌入式電鍍工藝研究

開發設計的Ni-SiC灌入式電鍍工裝使電鍍液在整個工作期間始終處于定量流動狀態下，減少了碳化硅顆粒沉積的概率，該工裝獲得的碳化硅分散性優于傳統浸泡式方法。其操作參數：電流密度20～36 A/dm2；溫度50～58℃；沉積速度4～6um/min；pH值4.2～4.6；流速2.5～4L/（dm2·min）。電鍍鎳-碳化硅厚度80um僅需要18min～20min，而傳統浸泡式電鍍80um需要40min～50min。而且減少了鍍液再生時間和費用，解決了生產周期長，電鍍槽液老化和浪費嚴重問題及電鍍質量不穩定性問題。

5 發動機臺架驗證及應用前景

鋁合金氣缸內孔表面鍍Ni+SiC工藝已通過了瑞典、美國、日本及國內不同主機廠的二十多個不同型號氣缸的發動機臺架大于200 h的耐久試驗，排放動力指標都達到標準。其中，日本主機廠用鍍層檢驗嚴苛的檢驗方法鉆孔檢驗法達到A級標準（參見表2）。

氣缸和活塞是車用、非道路用發動機中的重要零件，Ni-SiC復合鍍層鋁合金氣缸具有良好的耐磨潤滑性能，符合國際環保標準。在歐美國際市場及國內主機與配件市場具有廣闊的應用前景。目前國內市場對該技術產品的需求量較小，在國際市場已得到廣泛的技術認可并大批量配套應用。

表2 主機廠對鍍層附著力的檢測結果

6 結論

Ni+SiC復合電鍍鋁合金氣缸具有良好的耐磨潤滑性能，可以有效提高內燃機性能及可靠性，減輕發動機的質量。在攜帶式小汽油機，高性能摩托車汽油機，中小排量車用汽油機和特殊的輕型汽油機上具有廣泛的應用前景。本文通過Ni+SiC復合電鍍新工藝的系統研究，保證了鋁合金氣缸復合鍍層的穩定性、均勻性和質量，并降低了成本，為內燃機的應用創造了良好的條件。

1薛玉田.一種電鍍鎳-碳化硅的復合電鍍液：CN，101302643A[P].2008-01-18

2王秋梅，方玉霞，袁孝友.納米碳化硅復合化學鍍鎳-磷合金工藝[J].電鍍與涂飾，2011，30（1）：30～33

3徐述榮，林勇釗，張旭，等.一種ALSiC復合材料及其制備方法，一種鍍鎳ALSiC復合材料：CN，102815048 A [P].2011-06-10

4劉俊元，苗金良，李美華.摩托車缸體電鍍鎳-碳化硅工藝[J].摩托車技術，2001（7）：19

The Technology and Application for Ni Plating Cylinder with High Environmental Performance Used in Internal-Combustion Engine

Zhang Dan
Fuzhou Jieh Chueng Automobile Fitting Co.，Ltd.（Fuzhou，Fujian，350014，China）

Nickle/silicon carbide plating for cylinder inner bore is used in motorcycle engine and other small gas engine，which has already replaced iron cylinder and chromated cylinder，solved the pollution issue during chrome production process，and achieved clean production.And meanwhile，it could enhance the engine power.Adapting injection technology to replace immersing and developing the 6 section dedicated machine have achieved high efficiency production.

Al-alloy cylinder，Nickel/silicon carbide plating，Injector

TK413.1

A

2095-8234（2014）05-0042-03

2014-07-07）

張丹（1969-），女，工程師，主要研究方向為高精密鋁合金件的鑄造加工，表面處理及活塞設計。