徐 琛, 黃 馳

(海軍駐上海滬東中華造船(集團(tuán))有限公司軍事代表室， 上海 200129)

0 引 言

柴油機(jī)活塞裙部件對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)的平順性及活塞與氣缸之間的工作配合條件有著重要影響。石墨鍍層附著、固化在活塞裙表面，其作用是在柴油機(jī)磨合或高負(fù)荷狀態(tài)工作時(shí)，有效隔離活塞與缸套內(nèi)壁之間的摩擦，因此需對(duì)活塞裙石墨噴涂工藝及檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入研究。國(guó)外方面，法國(guó)Piestick公司設(shè)計(jì)的PA/PC型柴油機(jī)在其技術(shù)文件SP 0193中已包含對(duì)石墨噴涂工藝的詳細(xì)介紹，但仍沿用20世紀(jì)八九十年代的傳統(tǒng)工藝。國(guó)內(nèi)方面，主要有常州中車汽車零部件有限公司、山東濱州渤?；钊煞萦邢薰镜壬a(chǎn)廠家。石墨噴涂工藝區(qū)別之處[1]，主要在于對(duì)活塞進(jìn)行預(yù)處理的方式：一種采用酸性溶液，俗稱“磷化”；另一種先采用堿性溶液再采用酸性溶液，俗稱“白色粗化”。在這兩種處理方式中，“磷化”為主要方式，其不僅可改善活塞裙表面耐腐蝕性，而且可使活塞裙表面清潔，提高石墨層與其的結(jié)合力，還能使活塞裙表面形成一定粗糙度，有利于石墨層的附著。因此，石墨噴涂工藝改進(jìn)的方向就是在滿足專利商工藝要求和“磷化”預(yù)處理的前提下，基于現(xiàn)狀對(duì)石墨噴涂工藝做一些改進(jìn)，以保障產(chǎn)品的質(zhì)量及滿足客戶需求。

1 目的和要求

為改善活塞在裝機(jī)運(yùn)行初期貧油狀態(tài)下的磨合性能，部分活塞在設(shè)計(jì)時(shí)要求對(duì)活塞裙部外圓進(jìn)行“磷化”(預(yù)處理)和噴石墨處理，如PA 6組合活塞、PC 26組合活塞和MTU 956組合活塞等。石墨噴涂工藝受人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等多方面影響，為保證工藝穩(wěn)定性，必須對(duì)石墨噴涂工序的工藝進(jìn)行研究并固化，嚴(yán)格控制各影響因素。為明確鐵活塞、鋁活塞表面石墨噴涂層的質(zhì)量要求，研究制定石墨噴涂技術(shù)條件，規(guī)定涂層外觀、涂層厚度、涂層結(jié)合強(qiáng)度等要求，通過對(duì)比試驗(yàn)，得出更有效的驗(yàn)收規(guī)則。

2 石墨噴涂工藝

2.1 石墨噴涂工藝已存在的問題

技術(shù)文件《組合活塞(嵌入式鋼頂、鋁裙)》(SP 0193-03，1994年7月發(fā)布)要求石墨噴涂工藝如下： 在活塞裙外側(cè)表面上使用Graphoil公司生產(chǎn)的石墨粉D31A進(jìn)行石墨化處理，其將在空氣中作為一種聚合石墨層的空氣溶膠基體(15 min)。然后，該聚合處理應(yīng)在105～200 ℃烘30 min，或在200～300 ℃烘15 min，或按供貨商技術(shù)說明書要求處理。

該工藝存在以下兩個(gè)問題：

(1) 文件要求石墨粉型號(hào)以D31A為宜，但由于年代久遠(yuǎn)，目前該型號(hào)的石墨粉在市面上已無銷售。

(2) 在文件中，噴石墨前并沒有對(duì)活塞裙預(yù)熱的要求，而是直接進(jìn)行石墨噴涂，在常溫下噴涂會(huì)產(chǎn)生石墨液流掛現(xiàn)象。

2.2 解決方案

根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況對(duì)石墨噴涂工藝做一些改進(jìn)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，滿足客戶需求。

(1) 石墨粉型號(hào)問題。目前，在活塞生產(chǎn)領(lǐng)域，用于鋁裙表面噴涂的主流石墨粉是Dow Corning公司的D10，根據(jù)使用說明書(見圖1)，其主要用途之一是運(yùn)用于各種汽油機(jī)活塞和柴油機(jī)活塞的表面石墨化處理，其主要成分與原D31A一致。目前，Dow Corning公司的D10石墨粉已被各大活塞生產(chǎn)廠商所使用，如Federal Mogul、MAHLE、山東濱州渤海活塞股份有限公司、中車大連機(jī)車車輛有限公司等，同類產(chǎn)品市場(chǎng)占有率達(dá)50%以上。因此，選用Dow Corning公司的D10石墨粉替代文件中要求的D31A石墨粉。

圖1 D10使用說明書

(2) 石墨噴涂工藝問題。按照SP文件，活塞裙在常溫情況下進(jìn)行石墨噴涂，發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)問題：

① 活塞裙難以噴上石墨。 原因：常溫下的活塞裙與周圍空氣溫度相近，熱對(duì)流小，使汽化的石墨較難吸附于活塞裙表面。

② 發(fā)生石墨液流掛現(xiàn)象，表面不均勻，嚴(yán)重影響外觀和質(zhì)量，如圖2所示。 原因：汽化后的石墨噴涂到常溫下的活塞裙表面，石墨液無法立刻烘干吸附，導(dǎo)致石墨液積聚。同時(shí)，常溫下的活塞裙難以噴上石墨，勢(shì)必需延長(zhǎng)噴涂時(shí)間，加重石墨液流掛現(xiàn)象。

圖2 常溫下的鋁裙進(jìn)行石墨噴涂時(shí)發(fā)生的流掛現(xiàn)象

結(jié)合原因進(jìn)行分析，這兩個(gè)問題均可使用同一方法解決：在石墨噴涂前，對(duì)活塞裙進(jìn)行105～200 ℃預(yù)熱。改進(jìn)后，石墨噴涂無流掛現(xiàn)象，活塞裙表面均勻一致，效果如圖3所示。

圖3 預(yù)熱后鋁裙的石墨噴涂效果

2.3 石墨噴涂工藝的改進(jìn)

參考相關(guān)技術(shù)文件[2]和D10石墨粉使用說明書，在改進(jìn)噴涂初步工藝后試噴，制訂石墨噴涂工藝，具體工藝如下：

(1) 噴前檢查?；钊M(jìn)行預(yù)熱前需進(jìn)行表面狀態(tài)確認(rèn)，表面無油漬、磷化溶液殘留及其他污漬后才可進(jìn)行噴涂工序。若表面有污漬，則用百潔布或細(xì)砂紙對(duì)污漬部位進(jìn)行擦拭或拋光，再對(duì)污漬部位進(jìn)行清洗后才可進(jìn)行預(yù)熱工序。

(2) 預(yù)熱。將工件放進(jìn)烘箱中平整擺放，工件與工件之間互不接觸、碰撞，不得疊放。擺放后關(guān)閉烘箱門。工件在烘箱預(yù)熱至105～200 ℃，并保溫至少1 h，準(zhǔn)備石墨噴涂。戴上干凈隔熱手套，將加熱后的活塞搬出，搬出后關(guān)閉隔熱門，在搬運(yùn)過程中不得污染噴涂區(qū)域。

(3) 石墨噴涂。使用稱重法將石墨D10和稀釋劑7415按1∶0.5～1∶1的比例混合均勻，充分?jǐn)嚢瑁b入噴槍中待用。如圖4所示。

圖4 稱重法確定石墨配比

(4) 將工件置于旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，裝入工裝卡盤中，在止口上方及銷孔位置安裝相應(yīng)遮蔽工裝，如圖5所示。檢查工件表面有無油污、粉塵、污物，如有，則用酒精對(duì)其進(jìn)行擦拭清潔，保證表面干凈后再進(jìn)行噴涂。檢查工件有無碰傷，如有，則現(xiàn)場(chǎng)由裝配鉗工班組進(jìn)行打磨處理。

圖5 活塞裝夾

圖6 操作面板操作順序

(5) 噴涂程序。打開石墨噴涂機(jī)電源，確認(rèn)氣壓大小在工藝范圍內(nèi)。手動(dòng)調(diào)整噴槍至活塞距離，調(diào)整噴槍水平起始點(diǎn)位于活塞止口最上端。選擇合適的噴涂程序，按“回車鍵”確認(rèn)，如圖6所示。按“自動(dòng)”-“循環(huán)啟動(dòng)”，開始自動(dòng)噴涂。待噴涂程序自動(dòng)完成后，取下活塞。

(6) 石墨噴涂后的工件放在烘箱中烘干，溫度200 ℃保溫20 min。

(7) 在工件烘干結(jié)束后，將其放置于已噴區(qū)，冷卻待檢查，并填寫《石墨噴涂操作記錄》。

(8) 按照《活塞石墨噴涂驗(yàn)收規(guī)范》進(jìn)行驗(yàn)收，并做記錄。

3 石墨噴涂檢測(cè)

3.1 檢測(cè)方法介紹

按照GB/T 5270-2005《金屬基體上的金屬覆蓋層 電沉積和化學(xué)沉積層附著強(qiáng)度試驗(yàn)方法評(píng)述》的規(guī)定，采用剝離試驗(yàn)對(duì)石墨層結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，使用3M公司的強(qiáng)力纖維膠帶，并對(duì)其附著力進(jìn)行檢測(cè)，附著力達(dá)到9.1 N/25 mm(國(guó)標(biāo)規(guī)定試驗(yàn)使用的膠帶附著力要求為8 N/25 mm)。

3.2 具體檢測(cè)方法

完成鋁裙的石墨噴涂后，按照如下檢測(cè)方法對(duì)石墨層結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)：

(1) 將鍍層表面使用酒精擦拭干凈，不得有油污、雜質(zhì)等。將膠帶沿軸向粘貼在長(zhǎng)軸止口處，長(zhǎng)度必須超過裙身一半，并用輥?zhàn)幼屑?xì)排除其中所有氣泡，如圖7所示。

圖7 粘貼膠帶

(2) 粘貼時(shí)間為2 min以上，以45°快速將膠帶拉去。若石墨鍍層沒有剝離現(xiàn)象，則表明結(jié)合強(qiáng)度合格(見圖8)；反之，則說明石墨鍍層結(jié)合強(qiáng)度不合格(見圖9)。

(3) 兩側(cè)長(zhǎng)軸都需進(jìn)行檢測(cè)。

圖8 石墨鍍層結(jié)合強(qiáng)度合格產(chǎn)品

圖9 石墨鍍層結(jié)合強(qiáng)度不合格產(chǎn)品

3.3 檢測(cè)方法有效性驗(yàn)證

在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，某公司供貨的幾批次活塞，在出廠前采用膠帶法檢測(cè)均合格，但經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)生某些活塞裙石墨鍍層脫落的現(xiàn)象。假設(shè)膠帶法檢測(cè)失效，需分別對(duì)該方法的有效性、破壞性進(jìn)行驗(yàn)證[3]。

3.3.1 驗(yàn)證試驗(yàn)一

某型柴油機(jī)經(jīng)30 h跑合后拆檢兩缸，發(fā)現(xiàn)A5缸和B5缸兩只活塞(編號(hào)LR 16-638(裙號(hào)7-88)、LR 16-644(裙號(hào)7-24))外圓長(zhǎng)軸方向一側(cè)存在大面積石墨層剝落，后16只活塞全部吊出，2只活塞石墨未脫落(編號(hào)為L(zhǎng)R 15-637和LR 15-632)，其余14只發(fā)生石墨脫落。利用這16只活塞，進(jìn)行檢測(cè)方法的有效性驗(yàn)證。試驗(yàn)選取其中5只具有代表性的活塞裙。這5只活塞裙的基本狀態(tài)如表1所示。

表1 活塞裙?fàn)顟B(tài)

按照剝離試驗(yàn)方法對(duì)表1中5只活塞裙兩側(cè)石墨結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如下：

(1) 活塞裙A。活塞裙A兩側(cè)均有嚴(yán)重的石墨層剝落情況。在剝落區(qū)域附近且未發(fā)生剝落的區(qū)域，使用膠帶法檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)均出現(xiàn)明顯石墨脫落現(xiàn)象，如圖10所示。

圖10 活塞裙A石墨層結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)

(2) 活塞裙B?；钊笲一邊嚴(yán)重脫落、一邊輕微脫落，在剝落區(qū)域附近且未發(fā)生剝落的區(qū)域，使用膠帶法檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)均出現(xiàn)石墨脫落現(xiàn)象，一側(cè)呈片狀脫落，一側(cè)呈線條狀脫落，如圖11所示。

圖11 活塞裙B石墨層結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)

(3) 活塞裙C。活塞裙C一邊嚴(yán)重脫落、一邊未脫落，在剝落區(qū)域附近且未發(fā)生剝落的區(qū)域，使用膠帶法檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)均出現(xiàn)石墨脫落現(xiàn)象，一側(cè)呈片狀脫落，一側(cè)呈點(diǎn)狀脫落，如圖12所示。

圖12 活塞裙C石墨層結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)

(4) 活塞裙 D。活塞裙D在使用過程中未發(fā)生脫落。在未發(fā)生剝落的區(qū)域，使用膠帶法檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，也出現(xiàn)石墨脫落現(xiàn)象，呈點(diǎn)狀脫落，如圖13所示。

圖13 活塞裙D石墨層結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)

(5) 活塞裙 E?；钊笶在使用過程中未發(fā)生脫落。在未發(fā)生剝落的區(qū)域，使用膠帶法檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，也出現(xiàn)石墨脫落現(xiàn)象，呈點(diǎn)狀脫落，如圖14所示。

圖14 活塞裙E石墨層結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)

從以上試驗(yàn)可得出結(jié)論如下：

(1) 在活塞裝機(jī)使用過程中，石墨層剝離越嚴(yán)重的，膠帶法檢測(cè)脫落狀態(tài)也越嚴(yán)重。

(2) 在活塞裝機(jī)使用中未發(fā)生石墨層剝離的，使用膠帶法也發(fā)現(xiàn)了點(diǎn)狀剝離，說明膠帶法檢測(cè)對(duì)結(jié)合性能要求更為嚴(yán)格，膠帶法檢測(cè)合格的活塞裙均能滿足使用要求。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，之前進(jìn)行的膠帶法檢測(cè)，未能按照規(guī)范中“將涂層表面使用酒精擦拭干凈，不得有油污、雜質(zhì)等”進(jìn)行，導(dǎo)致檢測(cè)失敗。

3.3.2 驗(yàn)證試驗(yàn)二

在此試驗(yàn)中，采用改進(jìn)后噴涂工藝新造的1只活塞裙使用膠帶法檢測(cè)合格后的活塞裙，再使用破壞性試驗(yàn)——?jiǎng)澑穹?即先用百格刀劃格，再用膠帶檢測(cè)劃格區(qū)域是否剝落)進(jìn)行檢測(cè)，如圖15所示，也未發(fā)現(xiàn)剝落現(xiàn)象。同時(shí)，經(jīng)改進(jìn)噴涂工藝生產(chǎn)后的活塞裙，在后續(xù)試驗(yàn)中均未發(fā)生石墨鍍層剝落問題，驗(yàn)證了膠帶法的可靠性。

圖15 劃格法檢驗(yàn)

4 結(jié) 論

(1) 采用改進(jìn)后石墨鍍層噴涂工藝的活塞裙，表面石墨鍍層均勻，在使用過程中無剝落、脫落現(xiàn)象。

(2) 膠帶法檢測(cè)對(duì)結(jié)合性能要求更為嚴(yán)格，膠帶法檢測(cè)合格的活塞裙均能滿足使用要求，因此膠帶法作為活塞裙石墨層結(jié)合性能檢測(cè)方法有效。

(3) 膠帶法檢測(cè)對(duì)活塞裙原石墨層的結(jié)合強(qiáng)度影響較小，不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面作用。