1 汽車用新材料的研究應用進展

 

    汽車技術的發展與用戶需求的提升，有效地促進了汽車行業的整體發展，促使當今汽車行業不僅需要向著更豪華和舒適方向努力并且汽車行業向著更加輕量化的方向發展已成為大勢所趨，這一發展趨勢最大的助力便來自于新材料在汽車行業中的應用。從近幾年新材料在汽車行業的應用研究可以看出，國內外主要汽車廠商在材料的使用上主要分為三個方面，分別是：使用輕質合金作為汽車零部件材料；在汽車車身中使用高強度鋼；使用碳纖維以及熱塑性材料等新材料科技的發展帶來了質量更輕、更堅固的新型材料。這些材料被廣泛的應用于汽車當中，既保障了汽車的安全性，也降低了車身的質量，而且節約成本。

    1、輕質合金在汽車行業的應用進展

 

    （1）鎂合金材料在汽車行業的應用進展

 

    目前各大汽車廠商所使用的鎂合金可分為 AZ 系列、AM 系列、AS 系統以及 AE 系列。現如今的鎂合金在汽車中的應用主要是針對零部件的殼體，使鎂合金所構成的零部件能夠耐溫達到200℃左右，不過目前所生產的鎂合金還遠未達到這一高度，而能夠達到這一要求的稀土合金往往價格較高，很難應用到汽車中。因此，由鎂－稀土所構成的合金成為當今應用的主流產品。

 

    現如今國內外對鎂合金的研究成果十分豐富。早在2006年時，德國戴姆勒－克萊斯勒公司就推出了一輛由鎂合金構成車頂的概念車，在這輛車中大量的使用鎂合金從而使其質量比同級別車降低20％，這一概念車的推出有效的證明了汽車的減重與安全性保障是可以同時保證的在最近這十年時間內，汽車行業對鎂合金的使用情況飛速提升，每年的增速都是 10％左右。這些鎂材料主要應用在汽車中的零部件與內飾部分，在今后的十年內，鎂材料在汽車行業中的應用會繼續保持 10％左右的增長速度。在今后的發展應用中，鎂合金應當向合金的優化、減輕腐蝕、創新生產工藝等方向發展，以達到汽車中更多零部件都能夠使用的目的。

    （2）鋁合金材料在汽車行業的應用進展

 

    鋁合金材料在汽車行業中的應用，其主要的優勢有五點：其一、使用鋁合金材料的新型車整車比使用傳統材料的整車質量能降低三到四成；其二、整車安全性更高。具有較高的安全系數；其三、和同級別采用傳統材料的汽車相比，能耗減少一半左右；其四、鋁合金材料能夠被重新利用，有效的節約了資源浪費；其五、使用鋁合金新材料的汽車在污染物的排放上明顯降低；因此，加快對鋁合金材料的研究促進汽車行業更多的使用鋁合金材料是十分必要的。

    鋁合金自身具有很多的優點，比如密度小、比強度和比剛度高、彈性好、抗沖擊性能良好、耐腐蝕、耐磨、高導電、高導熱、易表面著色、良好的加工成型性以及高的回收再生性等，這些優點使得鋁合金材料被業內一致認為是“希望金屬”。

    隨著鋁合金材料在汽車車身的應用越來越廣泛。在今后的發展過程中，應當努力提高創新能力，在降低鋁成本的同時提高生產效率。比如，在汽車車身方面，由于車身線形較多，十分復雜，再加上車身所需要承受的阻力較大，所以在應用鋁合金材料時，對鋁合金材料的要求較高，這也是今后鋁合金材料發展的重要方向之一。主要體現在：其一、由鋁合金材料所構成的車身應當具有較高的強度與剛度；其二、鋁合金材料應當具有更好的可塑性；其三、鋁合金材料應當具有更好的可焊接性；其四、鋁合金材料應當具有較高的耐蝕性與耐磨性。這些特點是今后鋁合金材料的發展方向，也是汽車行業向著節能減排、環保方向前進的必經之路。

    2、高強度鋼在汽車行業的應用進展

 

    鎂、鋁合金在汽車行業中的應用主要集中在汽車的零部件上，不過這兩種材料在成本與工藝方面的使用有一定的劣勢，不利于在汽車上的大范圍使用。而隨著高強度鋼的面世其所具有的高抗碰撞能力與質量輕于鋁、鎂合金等特性使其在汽車行業得到了快速的應用。這種新型材料一方面能夠顯著降低汽車車身的整體質量；另一方面又可以提升整體車身的安全性。因此，現階段高強度鋼也是汽車行業輕量化發展中的一種重要材料。

    目前，主要的輕質高強度的鋼鐵材料主要有：高強度鋼（屈服強度大于2MPa）、超高強度鋼（屈服強度大于550MPa）和先進的高強度鋼（以下統稱為高強度鋼）。高強度鋼取代普通鋼材用于車身零件和其他結構件取得了良好的減重效果大多數轎車的保險杠、骨架、前門、后門橫梁等都采用高強度鋼作為材料。而且，高強度鋼在車輛零部件方面的使用比例在逐漸增加，應用比例已由 1997 年的 7％上升到現在的 50％，預計今后幾年還會有提升。

    但是高強度鋼應用的技術難點在于成形技術。目前高強度鋼成型的主要問題是與彈性應力及應力釋放相關的零件尺寸精度和回彈問題。具體來講高強度鋼在成形過程中的主要問題是 : 一是變形過程中出現加工硬化，屈服強度提高，流變應力較高；二是由于零件厚度減小，因而不易保持原狀等問題。因此，今后高強度鋼需要在加工工藝方面努力提升。

    汽車用高強度鋼的另一種發展思路是保留鋼材本身的優點，即強度、韌性、可加工性、壽命等前提下降低鋼質量密度。其中一種方法是向鋼中添加諸如 AI、Si 等輕金屬合金元素。這些鋼已在早期開發出來，具有較高的強度、較低的密度以及經過改善的耐蝕性。從目前來看其發展潛力很大。最近，鋼基復合材料也被提出同時用于提高楊氏模量（E）和降低產品密度（ρ）。由于增強顆粒的參數（性質、體積分數、尺寸等）的選擇余地增加。所以，E/ρ 比率能夠得到顯著提高，而且材料的延伸性和耐破損、耐疲勞性也與常規的超高強度鋼處于同一水平。因而，汽車用高強度鋼發展前景廣闊，同時對汽車新材料發展具有強大的推動力。

    3、碳纖維材料在汽車行業的應用進展

 

    碳纖維主要是含碳量在 90％以上的高強度、高模量纖維，具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐摩擦、導電導熱及耐腐蝕等特點。這種新型材料具有較小的比重，外柔內剛，與鋁材料相比在質量上有明顯的優勢，同時碳纖維在抗拉彈性、抗腐蝕性等方面也十分優秀，可以被看作是新一代的加強版纖維材料。

    就目前學者對碳纖維的研究來看，碳纖維的制作僅能夠從碳或者是石墨中提取，而其本質特性還沒有被完全研究出來。現階段汽車中使用的碳纖維主要存在于傳動軸、剎車片等部件。當今汽車整體車身基本上都是由鋼鐵所構成，如果汽車中的鋼鐵材料都能夠換成碳纖維，那么汽車的車身質量能夠減輕300kg 左右，能耗降低、整體汽車效率提升，CO 2 排放量也能夠得到明顯的控制。因此，碳纖維在汽車行業中的應用是汽車行業今后發展的一個重要方向。

    碳纖維復合材料制成的傳動軸質量輕，具有很好的耐疲勞性、耐腐蝕性，而且震動衰退性好、安全性強、金屬傳動軸質量重而且易磨損、磨損后又會引起傳動噪音和能量損失，縮短了傳動軸的使用壽命。碳纖維復合材料滿足結構件性能要求時可比鋼材傳動軸減重70％-80％，而且強度和使用壽命增加許多。

    因此，選用碳纖維復合材料生產傳動軸具有重要意義。碳纖維復合材料傳動軸根據形式可分為整體型和裝配型兩類。

    在石油危機暴發后，國際上對于節能減排問題的研究已經越來越重視，也成為全球汽車廠商所共同追求的方向。要想解決這一問題，最重要的一個努力方向便是對新材料進行研究，并將這一新材料應用在汽車中，作為現今最前沿的材料之一。碳纖維由于自身所具有的多種優點被越來越多的汽車廠商所認可，已經成為最有希望解決目前汽車行業所面臨的問題的途徑。現如今，碳纖維在大型的商用飛機 F1 賽車等方面已經得到了應用與認可，已經被充分證明了該材料能夠完美的替代鋼鐵等傳統材料，只是該新型材料性質屬于復合型材料在應用時需要經過大量的計算與數據的積累，而且目前該材料的生產工藝還需要進一步的規范。不過隨著科學技術的不斷發展，將來碳纖維在汽車行業中的應用前景十分廣闊。

    4、熱塑性材料在汽車行業的應用進展

 

    隨著科學技術的不斷發展，汽車行業所使用的材料也向著更加輕量化、更加安全的方面不斷發展。熱塑性材料便是二十一世紀汽車行業發展的重要材料之一。就目前汽車行業的發展情況來看，熱塑性材料主要應用集中在汽車的內飾與密封系統。在汽車車身內使用熱塑性材料能夠顯著減輕各個零部件的加工時間在加工時所使用的設備也更加簡單。同時，與傳統的橡膠制品相比，熱塑性材料能夠顯著的降低質量。由此可以看出，在汽車車身中大量使用熱塑性材料來代替傳統的橡膠制品不僅能夠顯著降低車身質量，而且能夠提高汽車的制作效率，更重要的是，熱塑性材料屬于聚烯烴類材料，所以能夠被回收再利用，有效降低環境污染。

    （1）熱塑性材料在汽車內飾的應用進展

 

    傳統汽車內飾所使用的材料多為注塑成型、表層熱成型等類型。這些材料無論是在觸感、質量與環保方面都存在一定的問題。而熱塑性材料在汽車內飾中的應用能夠顯著降低成本、提高效率、促進汽車整體生態圈的運轉速度，為企業創造更大的價值。

 

    （2）熱塑性材料廣泛應用于汽車密封條方面

 

    市場對于汽車密封條，尤其是轎車密封條的性能要求愈來愈高，不僅需要具有優良的密封性，而且要美觀環保。在這些需求的推動下，汽車密封條技術不斷推陳出新，熱塑性材料中的熱塑性硫化橡膠 TPV 得到了廣泛的應用。該材料得到廣泛應用的首要原因是環保的要求，傳統的材料在使用中產生致癌亞硝酸的促進劑 BZTT 等而 TPV 不存在上述環保問題；其次，國家發展改革委員會、科學技術部、國家環保總局聯合頒布《汽車產品回收利用政策》提出三個階段的回收利用率目標，最終目標是 2017 年起所有的國產及進口汽車可回收利用率要達到 95％，在材料回收利用方面 TPV具有很大優勢。此外，TPV 無需混煉和硫化，可以與硬質塑料 PEPP 共混擠出生產彩色封條，耐 UV 性能強，而且接角可以熱熔煉。

    （3）熱塑性材料在玻璃封裝的應用

 

    對于玻璃的封裝，熱塑性材料能夠顯著的提升其加工性能并且能夠保障玻璃密封具有持久性與抗老化性，提升了玻璃的使用年限。

    5、石墨烯在汽車領域的開發和應用

 

    近幾年，石墨烯產業發展全球矚目，但總體應用量較小，市場規模化需求還有待形成。目前石墨烯在汽車領域取得哪些進展？將何去何從？

    （1）汽車輕量化材料

 

    石墨烯材料的強度是鋼的 100 倍，具有較高的強度和硬度，但其密度較低，質量較輕，是理想的汽車輕量化材料。將石墨烯作為增強相開發的輕質復合材料可用作汽車車身材料。日前，利物浦Briggs 汽車公司在其品牌產品 BACMONO單座跑車的車身中就使用了石墨烯材料，該跑車也已通過道路測試。

    （2）汽車用高耐磨材料

 

    石墨烯復合材料除了作為車身材料，在汽車零部件領域也可以得到應用。比如，汽車輪胎。將石墨烯材料加入到汽車輪胎中可使得輪胎更加耐磨、防穿刺，而且能大大提高使用壽命。四川大學高分子材料工程國家重點實驗室，已經自主研發出世界首個石墨烯橡膠輪胎。在國家總理李克強赴四川考察期間，這只輪胎還受到了總理的“接見”。

    （3）高導熱復合材料

 

    石墨烯的熱傳導率高達 5300W/m·k，將其與導熱性高聚物復合可制成強度高、導電導熱性好、質量輕的優質復合材料。石墨烯的超二維納米結構可以保證熱量在加熱區域內的均勻釋放，可用于汽車加熱座椅材料。

    （4）汽車防腐涂裝材料

 

    石墨烯具有較高的化學穩定性，表面疏水，耐酸堿化學腐蝕。有研究將石墨烯噴涂于鋼表面，浸泡于海水中可以保持一個月不生銹，而普通高性能涂料僅能維持幾天時間。因為石墨烯的高疏水性以及獨特的納米結構，可以將其運用于車用涂料領域，提高防腐效果。

    （5）車用導電功能性材料

 

    在汽車燃油供給系統中，以快速紊流方式流動的燃油能產生靜電，用于燃油供給系統的部件（包括油箱，油管接頭，過濾器等）需要其導電率能阻制靜電堆積，消除火花、爆炸等危險。目前，以碳納米管作為添加劑的導電塑料已成功應用于汽車燃油供給系統。石墨烯具備與碳納米管相媲美的導電性能，且制備成本更低，完全可以用于導電功能塑料領域。基于石墨烯的導電功能塑料還可以運用于汽車擋泥板、門把手、鏡盒等方面，方便車身的靜電噴涂，省去了相對于非導電性塑料在靜電噴涂前需要進行的表面導電化處理。

    （6）電動汽車儲能材料

 

    動力電池是新能源汽車的心臟。盡管目前國家大力推廣電動汽車，但是續航里程短、充電時間長等短板，依舊阻礙著電動汽車的市場化。目前，作為電源的儲能裝置主要有鋰離子動力電池、超級電容器和燃料電池，三者均要求其電極材料具備大的比表面積、高的導電性和良好的電化學穩定性，這為石墨烯提供了廣泛的運用空間。

    6、特種陶瓷材料在汽車上的應用

 

    新型陶瓷是碳化硅和氮化硅等無機非金屬燒結而成。與以往使用的氧化鋁陶瓷相比，強度是其三倍以上，能耐1000℃以上高溫，新材料推進了汽車上新用途的開發。

    （1）陶瓷在汽車發動機上的應用

 

    要將柴油機的燃耗費降低 30% 以上，可以說新型陶瓷是不可缺少的材料。現在汽油機中，燃燒能量中的 78% 左右是在熱能和熱傳遞中損失掉的，柴油機熱效率為 33%，與汽油機相比已十分優越，然而仍有 60% 以上的熱能量損失掉。因此，為減少這部分損失，用隔熱性能好的陶瓷材料圍住燃燒室進行隔熱，進而用廢氣渦輪增壓器和動力渦輪來回收排氣能量，有試驗證明，這樣可把熱效率提高到 48%。同時，由于新型陶瓷的使用，柴油機瞬間快速起動將變得可能。采用新型陶瓷的渦輪增壓器，它比當今超耐熱合金具有更優越的耐熱性，而比重卻只有金屬渦輪的約三分之一。因此，新型陶瓷渦輪可以補償金屬渦輪動態響應低的缺點。其他正在進行研究的有：采用新型陶瓷的活塞銷和活塞環等運動部件。由于重量的減輕，發動機效率可望得到提高。

    （2）特種敏感陶瓷在汽車傳感器上應用

 

    對汽車用傳感器的要求是能長久適用于汽車特有的惡劣環境（高溫、低溫、振動、加速、潮濕、噪聲、廢氣），并應當具有小型輕量，重復使用性好，輸出范圍廣等特點。陶瓷耐熱、耐蝕、耐磨及其潛在的優良的電磁、光學機能，近年來隨著制造技術的進步而得到充分利用，敏感陶瓷材料制成的傳感器完全能夠滿足上述要求。

    （3）陶瓷在汽車制動器上的應用

 

    陶瓷制動器是在碳纖維制動器的基礎上制造而成的。一塊碳纖維制動碟最初由碳纖維和樹脂構成，它被機器壓制成形，之后經過加熱、碳化、加熱、冷卻等幾道工序制成陶瓷制動器，陶瓷制動器的碳硅化合物表面的硬度接近鉆石，碟片內的碳纖維結構使它堅固耐沖擊，耐腐蝕，讓碟片極為耐磨。目前此類技術除了在 F1 賽車中應用，在超級民用跑車中也有涉及，例如奔馳的 CL55 AMG。

    （4）陶瓷在汽車減振器上的應用

 

    高級轎車的減振裝置是綜合利用敏感陶瓷正壓電效應、逆壓電效應和電致伸縮效應研制成功的智能減振器。由于采用高靈敏度陶瓷元件，這種減振器具有識別路面且能做自我調節的功能，可以將轎車因粗糙路面引起的振動降到最低限度。

    （5）陶瓷材料在汽車噴涂技術上的應用

 

    近年來，在航天技術中廣泛應用的陶瓷薄膜噴涂技術開始應用于汽車上。這種技術的優點是隔熱效果好、能承受高溫和高壓、工藝成熟、質量穩定。為達到低散熱的目標，可對發動機燃燒室部件進行陶瓷噴涂，如活塞頂噴的氧化鋯，缸套噴的氧化鋯。經過這種處理的發動機可以降低散熱損失、減輕發動機自身質量、減小發動機尺寸、減少燃油消耗量。

    （6）智能陶瓷材料在汽車中應用

 

    作為特種陶瓷產品分類的智能陶瓷材料，其中包括在汽車制造中使用的對環境敏感且能對環境變化作出靈敏反應的材料，目前已成為材料科學及工程領域中研究的焦點。

    汽車上使用的智能陶瓷產品，包括功能材料、驅動系統與反饋系統相結合的智能材料系統或結構。由于其綜合性功能的發揮，可使汽車產品在行駛時感知與響應外界環境的變化，使汽車產品擁有自檢、自測、自診斷、自修復、自適應等諸多性能。當前有些功能陶瓷制品已具有智能化的功能，如半導體鈦酸鋇正溫度系數熱能電阻及氧化鋅變阻器，它們對于溫度和電壓具備自身診斷、候補保護與自身修復的功能，可以使材料本身擁有抵抗環境突然變化的能力，并可重復多次使用。在智能陶瓷系統中，壓電陶瓷是最重要的品類。

    現在已經普及使用及正擬開發研制的壓電類智能陶瓷制品及材料系統如下：

    汽車減震裝置：利用智能陶瓷產品的正壓電效應、逆壓電效應研制出的智能減震器，具有識別路面并自我調節的功能，可將粗糙路面對汽車形成的震動減到最低限度，整個感知與調節過程只需要 20 秒。另外，采用智能陶瓷材料制成的減震裝置還可以推廣應用在汽車產品之外的領域，如使用到精密加工的穩固工作平臺等。

    汽車智能雨刷：利用鈦酸鋇陶瓷的壓阻效應制成智能陶瓷雨刷，可以自動感知雨量，自動將雨刷調節到最佳速度。

    汽車有源消聲陶瓷材料：由壓電陶瓷拾音器、諧振器、模擬聲線圈和數字信號處理集成電路組成的有源消聲陶瓷材料，可把汽車的震動頻率降低到 500赫茲以下。

    此外，還可以利用智能陶瓷材料開發出智能安全系統與智能傳輸系統，如在安全氣囊中，也使用了智能陶瓷元件。現代智能陶瓷材料的開發研究與市場，已經處在方興未艾時期，同時它的應用已經不僅限于汽車工業，而且對造船、建筑、機械、家電、航天、國防等工業領域產生重要影響，將大大提高各類機械與電子產品的智能與自動化水平。

    7、泡沫金屬在汽車上的應用

 

    泡沫金屬顧名思義，就是外形像泡沫海綿一樣的金屬。泡沫氧化鋁是制作汽車的一眾絕佳材料，它一可以吸收噪音，二可以防火，三還可以用作吸收沖擊能量的碰撞緩沖材料，四還可以降低車內的抖動和震動。此外，泡沫金屬還可以替代催化轉化器中昂貴的稀有金屬。

 

    目前用泡沫鋁合金做成的汽車零部件有發動機艙蓋、行李廂蓋、翼子板等。在安全性設計中，將泡沫金屬用作吸收碰撞能量的主要材料是十分適宜的。因為目前汽車的安全設計不但要考慮乘用人的安全，還要考慮到其外車輛及行人的安全，即當一旦發生碰撞時既可最大程度地保護自己又要最大程度地保護他人，因此在車身易發碰撞區域采用泡沫金屬是一種很好的選擇。

    現在已有一種“三明治”式的夾心零部件，部件里面用“泡沫金屬”材料，外面再包裹上很薄的其它硬質金屬材料，這樣使表面具有一定的硬度，牢固耐磨，內部又能吸收變形能量。“泡沫金屬”的種類也是比較多，除了泡沫鋁合金外，還有泡沫鋅合金、泡沫鋼等等，用處各異。

    8、自潔超疏水材料在汽車上的應用

 

    超疏水技術是一種具有特殊表面性質的新型技術，具有防水、防霧、防雪、防污染、抗氧化、防腐蝕和自清潔以及防止電流傳導等重要特點，在科學研究和生產、生活等諸多領域中有極為廣泛的應用前景。超疏水技術對于建筑工業、汽車工業、金屬行業等的防腐防銹及防污也很有現實意義。

    其實在汽車工業界早就有利用超疏水處理的例子來進行汽車表面清潔的例子，新開發的親水處理產品，處理主要解決汽車應用中的四個問題：車身表面防污和自潔；汽車玻璃表面防霜和自潔；汽車玻璃表面防結冰和自潔；自修復噴漆。

    9、六大新興材料汽車輪胎上的應用

 

    近年來，隨著全球輪胎產業的快速發展，其新技術、新工藝、新材料均有所突破。同時，在綠色環保的大趨勢下，輪胎制造中使用的傳統添加劑，正在被石墨烯、碳納米管、杜仲膠、蒲公英橡膠、銀膠菊橡膠、白炭黑等這些生態環保的材料所逐步取代。

 

    結語

 

    汽車行業的快速發展不僅給我國社會生產等方面帶來便捷，而且也帶來了諸多問題，面對這些問題，應當以科學的方式對待，最好的解決辦法便是研制出質量更輕、強度更強、更加環保的材料來代替傳統的鋼鐵材料，這樣就能夠有效的減輕車身質量，達到節能減排的效果。

 

2 汽車涂裝新材料與新技術的研究進展

 

     涂裝是汽車生產的關鍵環節；涂裝材料與技術直接關系到汽車的防腐蝕性、美觀性以及使用壽命。在國家高度倡導節能環保技術背景下，汽車涂裝新材料與新技術的研發工作，也成為了有效解決汽車涂裝行業健康發展的重要問題。本文則就汽車涂裝新材料與新技術的進行闡述。

    隨著我國汽車生產制造業的迅猛發展，中國汽車涂裝材料、涂裝工藝也得到了迅速發展。但是，涂裝也是汽車制造過程中重要的污染源；在國家高度倡導節能環保技術背景下，汽車涂裝新材料與新技術的研發工作，也成為了有效解決汽車涂裝行業健康發展的重要問題。目前，“環保、高質、低成本”已經成為當前汽車涂裝新材料與新技術的主要發展方向。

 

    常用涂裝工藝

 

    汽車本身的涂裝工藝屬于裝飾、保護性多層涂裝，是汽車涂裝中工序最多、涂裝質量要求最高的涂裝工藝。

 

    （一）常用的涂裝工藝體系

 

    常用的涂裝工藝體系按涂層來分可分為二涂層體系（底漆 + 面漆）；三涂層體系（底漆 + 中涂 + 面漆或金屬閃光漆 / 罩光清漆）；四涂層體系（底漆+ 中涂 + 面漆 + 罩光清漆，適用于對涂裝要求更高的豪華車）。

    一般最常見的是三涂層體系，裝飾性要求高的轎車車身、大客車和旅游車車身、載重汽車的駕駛室等一般采用三涂層體系。

    按干燥條件來劃分，可分為烘干體系和自干體系。烘干體系適用于大批量流水線生產的汽車涂裝；自干體系適用于小批量生產的汽車涂裝和大型特種汽車車身涂裝。

    大型客車、旅行車車身一般涂裝工藝如下：

 

    （二）漆前表面處理工藝

 

    為了獲得優質涂層，涂漆前需對被涂物表面進行的前處理工作，均稱為漆前表面處理。漆前表面處理是涂裝工藝的基礎，它對整個涂層的質量有著很大的影響，主要包括表面清理（除油，除銹，除塵等）和磷化處理兩個部分。

    表面清理有以下幾種方法：

    （1）用熱堿液清洗和用有機溶劑擦洗除去油污；在玻璃鋼表面先用320-400 目砂紙先打磨，然后用有機溶劑清洗除去脫膜劑；車身表面的黃銹應用磷酸配制的清洗液擦洗，以保證涂層有優良的防腐蝕性，以及涂層與被涂物表面有良好的附著力。

    （2）對經清洗過的被涂金屬制件表面進行各種化學處理以提高漆膜的附著力和耐腐蝕性能。對鋼板制件進行特種化學處理，以提高漆膜和基材的結合力。

    （3）采用機械方法清除被涂物的機械加工缺陷和創造涂膜所需的粗糙度。

    磷化處理方式有整體噴射和整體浸式。采用薄膜型鋅鹽快速磷化處理，磷化膜質量 1-3g/m，膜厚 1-2μm，結晶粒度 1-10μm，可采用低溫 25-35℃或中溫 50-70℃進行磷化。

    （三）涂裝

 

    （1）噴涂底漆

 

    底漆涂層是整個涂層的基礎，汽車涂層與金屬的結合力和防腐蝕主要是靠它來實現。底漆應選用防銹性能強（鹽霧≥ 500h），與基材的附著力強（能同時適應多種基材），與中涂或面漆結合力好，涂膜機械性能好（沖擊≥ 50cm，韌性≤ 1mm，硬度≥ 0.5）的涂料作為底漆。

    采用空氣噴涂的方法（也可選用高壓無氣噴涂）噴涂底漆，可采用濕碰濕的方法連噴二道，施工粘度 20-30s，每道間隔 5-10min，噴完后閃蒸 5-10min進烘房，底漆干膜厚度 40-50μm。

    （2）刮膩子

 

    刮膩子的目的是消除被涂物的不平整度。膩子應刮在干透的底漆層上，一次涂刮的厚度一般不超過 0.5mm，應采用新型的大面積刮涂膩子法。這種方法膩子易形成大面積平整，在不影響生產進程的前提下，提議每刮一次膩子均應干燥后打磨平整，然后再刮下一次膩子，膩子以刮 2-3 次為好，先厚刮再薄刮，這樣可增強膩子層的強度和進一步提高平整度。

    采用機器打磨膩子的方法，砂紙選用 180-240 目。

    （3）噴涂中涂

 

    采用靜電噴涂或空氣噴涂法，噴涂中涂，能提高涂層的抗石擊性，提高與底漆的附著力，改善被涂物表面的平整度和光滑度，以提高面漆的豐滿度和鮮映性。

    中涂一般濕碰濕連續噴涂二道，施工粘度 18-24s，每道間隔 5-10min，噴完后閃蒸 5-10min 進烘房，中涂干膜厚度 40-50μm。

    （4）噴面漆

 

    采用靜電噴涂或空氣噴涂法，噴涂的汽車面漆，能形成耐候性、鮮映性和光澤優良的漆膜。

    汽車涂裝新材料與新技術的研究

 

    （一）汽車涂裝新材料

 

    （1）電泳 CED 涂料

 

    CED 涂料是目前全球汽車涂裝的主要材料；CED 涂裝材料在實際應用的過程中，也同樣在環保、高質、低成本的發展之下進行著技術革新與研發，于是高泳透力 CED、分層 CED、耐候 CED 等多種涂料也陸續被研發出現。

    首先，高泳透力 CED 涂料。該涂料可在有效保障耐腐性要求的前提下，使陰極電泳涂膜的厚度進一步降低，進行極大地降低了涂料用量，有降低生產成本、減少了揮發性有機化合物排放而達到了環保的目的。

    其次，耐候性 CED 涂料。該涂料可在有效保障耐蝕性要求的前提下，采用了三噴一烘工藝，進一步提高了抗其耐候性。其中，層分離型高耐候性 CED 和丙烯樹脂 CED 兩種涂料被廣泛應用于汽車涂裝工藝之中。

    （2）中涂涂料

 

    中涂是傳統涂裝工藝中較為重要的涂層，該涂層既可以發揮出防石擊作用，同時對電泳表面也具有較佳的填充作用；還具有較理想的紫外線隔絕性能以及耐候性，進而發揮出保護電泳漆的作用。但隨著高固體分涂料、具有中涂性能的底漆材料的不斷研發，中涂涂料也正在被逐步取代。

    （3）面漆涂料

 

    面漆涂料是汽車生產成型過程中的關鍵環節，其主要涂料有以下幾種：

    首先，水性涂料。水性涂料的研發，有效地減少了具有易揮發、易爆、易燃的有機物涂裝材料的使用，也降低了對操作工人的身體損害。水性涂料是以水為載體的、無毒水溶性載體的新型涂料。其具有較強的表面張力，易流掛，具有較好的觸變性。

    其次，粉末涂料。該涂料是基于水性涂料而研發出來的新型涂料粉末涂料具有無溶劑、無公害的特點；同時，該涂料在涂裝過厚、過噴時，其粉末還可以再利用最大程度地降低了成本，提高了其環保性。粉末涂料具有極佳的耐熱防腐耐磨耐沖擊等特點；同時，其顏色的選擇范圍也較多，其涂膜耐久性相較其他涂料好因此其未來發展前景較佳。

 

    第三，高固體分涂料。該涂料是在有效降低傳統物質的分子質量、黏度，有效提高溶解性，通過交聯反應來提升涂層質量的一種新型涂料。該涂料作為新型無溶劑、無污染的綠色環保涂料也在近幾年來得以迅速的發展。

    （二）汽車涂裝新技術

 

    （1）3C1B 涂裝技術

 

    傳統汽車涂裝工作多采用 4C3B、3C2B 工藝；其環保技術要求欠佳。馬自達公司對傳統 3C2B 工藝加以了優化；3C1B 則是基于傳統 3C2B 基礎之上加以科學、合理的簡化，將傳統 3C2B 的中涂烘干工序減化；在電泳底漆烘干之后，在底涂層上再噴涂面漆層和耐久性較佳的中涂以及著色用的底色涂層，最后再噴涂耐久性的罩光涂層。該涂裝工藝與傳統涂裝工藝相比，降低了 45% 左右的揮發性有機化合物；而整體涂裝成本降低了 15% 左右。

    （2）B1 ： B2 工藝

 

    目前被大量應的 B1 : B2 工藝，也是基于 3C2B 和 3C1B 兩種工藝基礎之上，科學、有效地加以集成簡化。B1 : B2 工藝，是將 B1 層替代了原傳統中工藝中的中余層功能，并兼顧了漆底層功能；而將 B2 層直接作為了色漆涂層。客觀而言 B1 : B2 工藝全面減少了傳統工藝中的噴涂過程既降低了設備投資與動能消耗；同時，也使得揮發性有機化合物的最終排放量降了 10% 左右；充分體現了 B1 : B2 工藝的節能減排的作用。另外，由于該工藝是基于 3C2B 和 3C1B 兩種工藝，因此，可直接對原有生產線進行直接改裝，僅需投入少量資金就可以實現的新型工藝，既節省了資金又提高了環境效益。

    （3）雙底涂工藝該工藝

 

    是在底材上噴涂 15 ~ 25μm的 a-Prime 電泳涂料后，再通過濕碰濕 涂 15 ~ 25μm 的 β-Prime 水 性 中 涂150℃下烘干成型。雙底涂工藝，去除了底漆打磨和電泳烘干兩個工序，使其涂層更具附著力且外觀美觀；且更具抗石擊性和耐蝕性。

    （4）旋杯噴涂技術

 

    該技術是將被涂工件接地作為陽極，而將靜電噴槍（旋杯）連接負高壓電使其作為陰極；將旋杯通過空氣透平驅動，最高轉速為 60000r/min 當涂料被送到旋杯時在旋杯旋轉運動而產生的離心作用之下，涂料在旋杯內表面伸展成為薄膜并在離心力、強電場的共同作用之下形成帶電的細小霧滴，均勻在被噴涂于被涂工件表面；最終形成光滑、豐滿、均勻的涂膜。該技術可全面提高涂料利用率，進而降低了生產成本。

    結語

 

    涂裝材料與技術直接關系到汽車的防腐蝕性、美觀性以及使用壽命。隨著汽車產業的不斷發展，汽車涂裝也由最初的手工涂裝逐漸發展成為流水線生產的機械化涂裝；其量和質均得以躍變。我國的涂裝材料與技術在近幾十年內也得到了極大的發展，并在國家高度倡導節能環保技術背景下，也進一步加大了對汽車涂裝新材料與新技術的研發工作；尤其是水性涂料的研發，有效地減少了具有易揮發、易爆、易燃的有機物涂裝材料的使用，也降低了對操作工人的身體損害。同時環保、高質、低成本已經成為當前汽車涂裝新材料與新技術的主要發展方向。目前我國汽車涂裝材料與技術的研發雖與國際水平尚有一定的差距，但整體水平均得到了較大的提升；尤其是在汽車涂裝的節能環保方面，也得到了極大的提高。但是，我國汽車涂裝技術仍需在環保、節能新材料、新技術方面繼續努力，為全面的提升、縮短與國際涂裝技術的差距而努力。

    （資料來源：知網）

 

3 國內外汽車噴涂工藝最新先進技術一覽

 

    汽車車漆涂層壽命來自以下三方面因素制約。60% 來自表面處理，25% 來自涂裝施工，15% 來自涂料本身質量。轎車和小型旅行車，表面涂層屬于一級裝飾精度，具有美麗的外觀，光亮如鏡或光滑的表面，無細微的雜質、擦傷、裂紋、起皺、起泡及肉眼可見的缺陷，并應有足夠的機械強度。底面涂層屬于優良保護層，應有優良的防銹性和防腐蝕性，很強的附著力；局部或全部刮涂附著力好、機械強度高的膩子，使用數年也不會出現銹蝕或脫落等現象。汽車噴涂工藝技術日新月異，小編特為您整理出目前噴涂工藝前沿技術，供大家參考。

    NO1.新一代保護涂料LINE-X Ultra

 

    最新一代極具創新力的產品——LINE-X Ultra，不僅可以應用于整車車身的涂裝，也可以應用于車輛其他零部件的涂裝。作為 LINE-X 防護涂料產品線的一員，不僅擁有人們熟悉的突出的防護性能，LINE-X Ultra 還擁有醒目的平滑紋理、優異的色彩匹配性和紫外線防護能力。該產品專為需要最佳防護性和個性涂裝的車主所研制。

    LINE-X Ultra 是一種脂肪組聚脲產品，在保證性能的前提下，可以提供比普通涂料更薄的涂層。噴涂厚度只需 20密爾 （mil），LINE-X Ultra 即可與傳統的粉末涂料和工業涂料相媲美。同該公司其他產品一樣，LINE-X Ultra 可以應用于鋼、鋁、玻璃和其他材料表面，在實驗室試驗中，產品性能較粉末涂料和油漆更耐沖擊和磨損，并可以快速修復。

    NO2. 水性涂料的靜電噴涂

 

    采用傳統溶劑性涂料的機器人靜電噴涂為內部充電方式，其涂料利用率可達 90% 以上。采用水性涂料外部充電方式的機器人靜電噴涂，利用率約60%，且因為靜電爪外伸造成污染較大，無法實施帶電內噴（車身內表面噴涂）。如今，水性涂料內部充電方式（彈匣式或注射式，結構復雜）技術不斷成熟，涂料利用率可達到 70%，已經有實際使用案例，并可實現靜電內噴。

 

    目前，ABB、SAMES、FANUC、HonDAEG 和川崎等幾家主流機器人廠家投入了大量精力研究水性涂料內部充電方式。隨著科技的進步，尤其是軟件、自動化等技術的不斷完善和提高，水性涂料機器人靜電噴涂的內部充電和外部充電系統將在投資成本、維護性和適應性等方面實現突破和提升，更好地滿足現場實際使用；同時不斷提升油漆涂著效率、減少涂料損失和清洗時的溶劑耗量，真正做到降低 VOC 的排放，更節能、更環保，實現保護環境、消除或減輕污染的最終目的。

    NO3. 新型熱敏涂料隨溫度變化改變顏色

 

    據英國每日郵報報道，目前英國專家最新視頻顯示，使用一種熱敏反應涂料涂在尼桑 Skyline R33 汽車表面，當傾倒冷水時會使汽車變成橙色。

    反應元素能夠懸浮在油漆中的水或者溶劑，必須使用這一原理將微粒散布在整個物體表面，英國康堤汽車公司在汽車表面一層薄漆上涂反應涂料，目前每升該涂料售價為 199 英鎊，汽車裝飾店對尼桑Skyline R33 汽車噴漆需要 7.5 升。

    這種涂料并不能直接應用于汽車，它們以密封在微型膠囊的形式進行出售，然而由于汽車大量時間暴露在戶外紫外光線下，這種涂料僅能持續 4-6 個月。康堤汽車公司指出，購買紫光線添加劑可以保護汽車，延長這種熱反應涂料的使用壽命。

    NO4.EcoBell 霧化器升級

 

    在靜電噴涂技術領域，Dürr 采用適用于所有油漆類型的新一代高效霧化器EcoBell3 驅動旋杯以及成型空氣環的渦輪得到進一步優化。在不同的應用情況下，新渦輪最多可節約壓縮空氣 40%。新系統的特別之處：升級的部件也同樣適用于早前版本 EcoBell2。

    由于壓縮空氣消耗明顯降低，使用新渦輪的 EcoBell3 霧化器可使每個機器人上壓縮機的耗電量每年減少多達 3500 千瓦時（高效）或5670千瓦時（最高效），由此可減排二氧化碳 3.3 噸 / 年。通過采用可靠的化學鎳表面防護技術，新渦輪能夠有效防止電腐蝕，由此延長使用壽命。

    新型霧化器更高效，EcoBell3 霧化器渦輪的壓縮空氣消耗量明顯降低。“高效”和“最高效”渦輪需要的壓縮空氣和能源更少。在用霧化器的升級套件已準備就緒。

    NO5. 特殊涂料供給系統高效率和靈活性

 

    按照車主喜好，汽車被噴涂上了各種各樣的個性化顏色。這種趨勢正在流行，同時也要求涂裝車間具有靈活的涂料供給系統。為此，杜爾現在首次在美國用EcoSupply P 特殊涂料供給系統裝備了一間完整的涂裝車間。可清管式系統油漆損耗低，所需沖洗劑消耗量更少，涂料更換時間也很短，這些優勢不得不讓人折服。

    白車身噴漆顏色越來越多，這不僅涉及到特殊涂料，更關系到小批量涂料。針對這種應用，杜爾使用了標準化、模塊化的涂料供給系統 EcoSupply P。采用管道清洗技術的系統不僅適合水性漆，也適合溶劑型漆。

    相比較之前使用的循環管道系統，杜爾可清管系統能明顯減少油漆和沖洗劑用量。鑒于特殊涂料領域的油漆價格持續攀升，這是可清管式系統的一大優勢。因此，投資特殊涂料供給系統能夠非常快速地收回成本。

 

    NO6. 干冰清洗在汽車外飾涂裝中的應用

 

    目前，涂裝之前的汽車外飾件表面污漬是通過水洗前處理的方式來進行清洗。近幾年，艾森曼已經和世界知名汽車零部件制造商合作將干冰清洗代替水洗前處理應用到汽車外飾件的涂裝中，此項技術的實施使得涂裝車間在節能減排和降低運行成本方面取得了一定進步。將干冰清洗代替水洗前處理應用到汽車外飾件的涂裝中，不但可以實現自動化清洗，而且系統運行靈活、設備占地面積小、運行成本低并且不產生廢水，可以滿足綠色環保的要求。

 

4 自修復涂層材料的研究進展

 

     自修復（Self-repairing）材料是智能材料的一個分支，它模擬生物體損傷自修復的機理，對材料在使用過程中產生的損傷進行自我修復。在眾多自修復材料中，能夠保護基底并能賦予基底特殊性能的自修復涂層的研究與開發已成為科學界關注的熱點，它在導電涂層、防腐涂層、耐刮擦涂層（比如汽車工業、軍工行業）等領域有著廣泛的應用，尤其是在一些具有苛刻條件，難于維修保養的高尖端領域如航空航天和軍事海洋中應用的特種粘接涂層，海洋鉆井平臺及地下石油管道等防腐涂層等領域都有著迫切的需求。

    目前自修復涂層按修復類型劃分主要包括外援型自修復涂層和本征型自修復涂層。外援型自修復涂層是指在涂層基體中通過引入外加組分如含有修復劑體系的微膠囊、碳納米管、微脈管、玻璃纖維或納米粒子等實現自修復功能，該方法需將各種修復劑體系預先包埋，然后添加到基體中，材料受損時，在外界刺激（力、pH 值、溫度等）作用下導致損傷區域的修復劑釋放，從而實現自修復。本征型自修復是不需外加修復體系，而是涂層材料本身含有特殊的化學鍵或其它物理化學性質如可逆共價鍵、非共價鍵、分子擴散等實現自修復功能。該方法不依賴于修復劑，省去了預先修復劑包埋技術等復雜步驟，且對基體性能影響小，但對涂層基體材料分子結構設計是該方法面臨的最大挑戰，目前已成為研究重點。

    本文總結了近年來自修復涂層領域的最新研究進展，重點綜述外援型自修復涂層和本征型自修復涂層體系的種類、機理、應用，對自修復涂層的應用前景進行展望。

    1、 外 援 型自修復涂層

 

    1.1微/納米膠囊填充型自修復涂層

 

    微膠囊自修復方法是目前自修復涂層領域應用最多的 方 法，2001 年White 等首次報道了微膠囊自修復機理以來，近期得到了科研學者的廣泛關注。微 / 納米膠囊填充型自修復涂層的自修復機理如 Fig.1 所示，將含有修復劑的微 / 納膠囊預先埋植于聚合物基體或涂層中，當基體或涂層材料受到損傷時（光、熱、壓力、pH 變化等引發），膠囊破裂并釋放修復劑，當修復劑遇到基體或涂層中的催化劑時發生交聯固化反應，修復裂紋面，實現損傷部位的自我修復。目前該方法已廣泛應用于涂層材料領域。

 

    1.1.1 膠囊化腐蝕抑制劑體系：將腐蝕抑制劑微膠囊化進而作為自修復涂層，其主要是應用于金屬防腐涂層領域，該方法避免了因腐蝕抑制毒性大以及可破壞涂層穩定性而不宜直接加入涂層中的缺點。Kumar 等、Mehta 等制備了含不同類型腐蝕抑制劑的微膠囊，探討了微膠囊的粒徑對幾種不同涂層體系穩定性的影響，研究了微膠囊破裂時腐蝕抑制劑的釋放能力，將含有腐蝕抑制劑微膠囊的涂層涂于鋼板上，顯示了良好的防腐蝕效果。Zheludkevich 等報道了一種環境友好型微膠囊，以殼聚糖為壁材，綠色緩蝕劑鈰離子為芯材，腐蝕環境下pH 變化導致鈰離子釋放以實現涂層的防腐性能。Koh 等制備了聚氨酯包裹異山梨醇衍生物緩蝕劑的微膠囊，試驗顯示含微膠囊的涂層具有良好的防腐及自修復功能。Sauvant 等提出了無機成膜腐蝕抑制劑自修復機制，以 MgSO 4 為芯材制備粒徑為 10 ～ 240μm 的微膠囊，將其埋植于涂層材料中并涂覆于鋼材表面，當腐蝕發生時微膠囊破裂，釋放出的 Mg2+在陽極作用下會自動遷移到裂紋處，在一定pH作用下沉積形成Mg （OH） 2 ，封住裂紋。

    1.1.2 膠囊化干性油體系：以干性油為修復劑制備自修復涂層也是目前研究的主要趨勢，其機理為微膠囊破裂后釋放出來的干性油與空氣接觸后被氧氣氧化形成自修復膜層，目前應用較多的干性油為亞麻籽油和桐油。Suryanarayana等、Behzadnasab 等、Karan 等、Szabó 等、Majdeh 等制備了包含亞麻籽油和亞麻籽油 /CeO 2 的微米級（20 ～ 150μm）脲醛樹脂微膠囊，他們分別考察了制備工藝參數如攪拌速率、反應時間等對膠囊形成的影響，考察了微膠囊的添加量對涂層力學性能的影響，實驗結果表明微膠囊具有足夠的強度，在粘接涂層制備和噴灑過程中可承受一定的剪切力而不被破壞；微膠囊表面粗糙，有利于與粘接涂層和基體界面良好粘接；涂層產生裂紋時微膠囊破裂并釋放修復劑，具有良好的自修復和防腐性能。

    Masoumeh 等將包含亞麻籽油的微/ 納米膠囊加入環氧樹脂涂層材料中，膠囊粒徑最小的為 450nm，最大的為6μm，研究指出在室溫下微膠囊的加入使涂層材料粘接強度和柔性有輕微下降，而在高溫下柔性降低較大，涂層對金屬展現出良好的自修復性能。Eshaghi等制備了硅烷偶聯劑改性的乙烯基纖維素包覆亞麻籽油的微膠囊，膠囊粒徑為5 ～ 35μm，重點討論了硅烷偶聯劑與乙烯基纖維素接枝效率，硅烷偶聯劑的存在會使微膠囊與水基丙烯酸樹脂涂層基體具有良好的界面粘接性能。趙鵬等以桐油為芯材制備了粒徑為 1 ～ 50μm的微膠囊，將其應用 150μm 厚的涂層中并涂于馬口鐵表面，通過分散紅指示劑觀察涂層具有良好的自修復及防腐蝕性能。

    1.1.3 膠囊化反應性修復劑體系：將修復劑如雙環戊二烯（DCPD）、環氧樹脂、有機硅系列試劑以及帶有特殊官能團的試劑等包覆于微膠囊內，這些試劑具有一定的反應性，從微膠囊中釋放出后與催化劑接觸或受紫外光、熱、氧氣等引發將發生聚合反應形成交聯結構從而粘接裂紋處，實現自修復。其中以環氧樹脂為自修復劑的報道較多，如 Liu等將修復劑為環氧樹脂的微膠囊加入到環氧涂層中，涂層采用酰胺類固化劑，一方面固化涂層樹脂，另一方面過量的酰胺可與破裂的微膠囊釋放出的環氧樹脂修復劑聚合實現自修復功能，該涂層材料有較好的自修復性能且對碳鋼具有良好的防腐效果。Liao 等以脲醛樹脂包覆 E-51 環氧樹脂微膠囊為修復體系制備環氧樹脂自修復涂層同樣顯示了良好的自修復效果。含有機硅系列修復劑微膠囊的自修復涂層也有報道，利用修復劑分子鏈上乙烯基的反應活性，添加一些光敏劑，外力作用下微膠囊破壞時修復劑溢出，在紫外光輻射作用下修復劑可迅速反應實現涂層自修復。Song 等制備了含功能末端的聚二甲硅氧烷修復劑的微膠囊，該體系可在紫外光或太陽光照射下引發聚合實現自修復，具有環境友好性，且可通過光引發實現多次自修復，這是目前首次報道的膠囊型可重復自修復體系。Huang 等制備了以全氟辛基三乙氧基硅烷為修復劑的微膠囊，膠囊粒徑在 40 ～ 400μm，電化學實驗證實此類修復劑對涂層材料具有良好的自修復性能，且對鋼材具有較好的防腐性能，其自修復機理是通過修復劑水解后形成網絡結構而實現的。此外他們也制備了聚氨酯（PU）包覆六亞甲基二異氰酸酯的微膠囊，討論了微膠囊粒徑及含量等對涂層自修復性能的影響，他們得出微膠囊粒徑在不小于 100μm，微膠囊質量分數不小于 5% 時，涂層才具有良好的自修復及防腐效果。

    1.2微/納米容器填充型自修復涂層

 

    采用中空微納米球或介孔微球等微納米容器負載腐蝕抑制劑應用于自修復防腐涂層領域的報道較多。

    如 采 用 層 層 組 裝 方 法， 以 納 米SiO 2 、高嶺土或多孔納米 TiO 2 粒子為核心，外層沉積包含腐蝕抑制劑苯并三唑（BTA）的多層聚合電解質的納米活性單元，制備金屬防腐涂層，當腐蝕發生時，pH 的變化（化學腐蝕過程大都伴隨著 pH 的變化）引起活性單元聚電解質層的結構和滲透性改變，釋放出腐蝕抑制劑，在金屬表面形成吸附層，使金屬表面鈍化，有效地阻止了金屬的腐蝕。Fu 等制備了負載防腐劑咖啡因分子的 SiO 2 微球，并在其表面修飾具有 pH敏感性的二茂鐵酸葫蘆脲，從而實現腐蝕劑在不同酸堿條件下的可控釋放，將其應用于鋁合金表面防腐涂層中，具有良好的自修復效果。Zhao 等制備了表面具有開孔的中空樹莓型聚苯乙烯亞微米球，微球內負載緩蝕劑 BTA，該微膠囊的表面孔洞在酸堿條件下打開，在中性條件下閉合，從而實現了 BTA 的可控釋放。將該亞微米膠囊應用于聚氨酯防腐涂層中并應用于銅金屬表面展現了良好的防腐功能。Li 等制備了硅 / 聚合物雙壁混合納米管容器，多孔硅作為容器內壁，聚合物層作為外壁，可選擇不同的聚合物外層來實現芯材的可控釋放，他們分別制備了具有 pH 值敏感性、溫度敏感性和具有氧化還原響應性的硅 / 聚合物雙壁納米容器，在納米管容器內負載腐蝕抑制劑苯并三唑，制備自修復涂層展現了良好的自修復功能。Ｒ ahimi等制備了有機硅納米容器，內含 2- 巰基苯并噻唑（MBT）或 2- 巰基苯并咪唑（MBI）兩種腐蝕抑制劑與 α- 環糊精（α-CD）混合物，MBT或MBI與α-CD之間當遇到潮濕環境時可形成氫鍵，從而起到自修復作用，將該納米容器應用于鋁表面涂層中研究了其防腐和自修復性能，效果顯著。

    Borisova等以介孔二氧化硅為容器，容器內負載腐蝕抑制劑，考察了納米容器尺寸對涂層自修復性能的影響。最近Chen 等報道了一種可紫外光控制釋放的介孔二氧化硅納米容器，容器內填充腐蝕抑制劑苯并三唑，二氧化硅表面介孔結構可通過引入偶氮苯官能團，該類官能團可在紫外光照射下改變其化學結構從而實現介孔的打開與關閉，通過這種方式不僅可控制防腐劑的釋放量，還可實現涂層的多次自修復。

    1.3形狀記憶纖維絲/聚合物自修復涂層

 

    形狀記憶纖維是具有形狀記憶效應的金屬合金或聚合物，該物質在外力作用下產生變形后，將其加熱到一定溫度即可恢復原始形狀。如將形狀記憶聚合物纖維與熱塑性顆粒一起埋植于環氧樹脂材料內，其中的形狀記憶纖維作為自修復體系的骨架結構，熱塑性樹脂作為修復劑。材料產生裂紋時，對損傷處加熱至形狀記憶纖維的玻璃化轉變溫度以上，預先經過拉伸的纖維絲會因形狀記憶效應產生收縮，在收縮力的作用下拉動基體材料使裂紋閉合，同時，熱塑性樹脂顆粒被加熱到熔融溫度后開始流動，對裂紋進行填補，最終實現自修復。哈爾濱工業大學冷勁松課題組也先后研究了大量的形狀記憶聚合物，其中以形狀記憶環氧聚合物（SMEP）為基體，以熱塑性的聚己內酯（PCL）為修復劑制備了具有自修復功能的形狀記憶聚合物，該類聚合物可對損傷處實現 3 次循環修復，修復效率最大可達 67.87%，具有較大的應用價值。

    2、本征型自修復涂層

 

    本征型自修復涂層是指涂層材料本身含有特殊的化學鍵或官能團，其在發生破壞后通過化學鍵的重組、官能團的反應或物理作用等實現自修復。與外援型自修復涂層相比，該方法因沒有外加物質如微膠囊、微容器等，因此對涂層材料基體的力學性能等不會產生較大影響，但因涉及到對涂層基體材料的改性等，因此在制備難度上要高于外援型自修復體系。

    2.1紫外光引發自修復涂層

 

    Ghosh 等制備了一種具有自修復功能的聚氨酯涂層，自修復機理如 Fig.2所示。涂層中的聚氨酯網絡結構中含有殼聚糖和氧雜環丁烷結構，當涂層表面受刮擦后，氧雜環丁烷的環狀結構斷裂，暴露出可產生化學反應的 2 個末端，當有紫外光照射時，涂層中殼聚糖與氧雜環丁烷暴露的末端相互吸引并結合在一起修復環狀結構，從而實現涂層損傷處的自我修復。超分子聚合物是一種可在紫外光引發作用下實現自修復功能的材料。Coulibaly 等制備了一種超分子聚合物，這種材料由帶有遙爪結構的短鏈高分子與金屬配體（鋅或鑭）通過螯合而成，金屬配體與低相對分子質量高聚物之間以非共價鍵（離子鍵）連接。當紫外光照射時，金屬配體吸收的能量轉變成熱量，非共價鍵破壞，金屬配體會暫時脫離高分子，于是聚合物相對分子質量下降，黏度下降，成為可流動狀態。當材料產生裂紋或損傷時，在損傷區域進行紫外光照后，可流動狀態的分子便可填補損傷區域實現自我修復。實驗中在一塊 400μm 厚的塑料涂層上劃出了一道 200μm 米深的刮痕。在紫外光下照射 2 次，每次 3OS 后，刮痕均能被很好修復，修復效率可達到100%±36%。Wang 等 研 發 了 以 CuCl 2作催化劑，紫外光引發自修復功能的聚二甲基硅氧烷 - 聚氨酯（PDMS-PU Ｒ）和聚乙二醇 - 聚氨酯（PEG-PU Ｒ）網絡結構。自修復是通過紫外光照射引發超分子或共價鍵的重組和構象的變化來實現。

 

    2.2熱可逆交聯自修復涂層

 

    熱可逆交聯自修復涂層主要是依靠涂層基體中含有可發生 Diels-Alder 可逆交聯反應的特征官能團物質，通過 D-A可逆反應實現涂層自修復，D-A 可逆反應機理如 Fig.3 所示。

    Wouters 等采用自由基共聚法制備了呋喃甲基丙烯酸酯（FMA）與甲基丙烯酸丁酯（BMA）的共聚物，可通過調節 FMA 與 BMA 比例來調整共聚物的功能性（硬度、彈性模量、交聯密度）及玻璃化轉變溫度，用此共聚物與雙馬酰亞胺聚合制備一種粉末，將該粉末應用于鋁材表面制備自修復粉末涂層，將粉末涂層加熱到 175℃形成聚合物膜層，冷卻到室溫下使用，當涂層被刮擦產生破壞時，將聚合物膜重新加熱到175℃，膜層重新流動，30s 即能將損傷區域修復。可實現多次修復且對基體性能無影響。Pratama 等制備了基于 D-A反應的自修復熱固性樹脂涂層，他們將可發生 D-A 反應的單體馬來酰亞胺進行微膠囊化，將另一種可發生 D-A 反應的單體二呋喃引入涂層基體中制備呋喃功能化的環氧樹脂涂層。實驗結果表明添加粒徑為 185μm 的 10% 的微膠囊的涂層的自修復效率可達 71%。Postiglione 等制備了三功能和二功能基呋喃樹脂與雙馬來酰亞胺自修復涂層體系，該體系在 50℃時發生 D-A 反應，120℃時發生逆 D-A 反應，并通過在涂層基體中加入增塑劑苯甲醇提高自修復性能，實驗結果表明該涂層體系可實現48% 的力學強度恢復。

 

    2.3層層組裝自修復聚合物膜

 

    層層組裝自修復聚合物膜是基于分子間非共價力 1 引入多種類型官能團，調控涂膜力學性能及自修復性能。Andreeva 等制 備 了 一 種含 修 復 劑 型的 層 層 組 裝自 修 復 膜，他 們 將 抗 腐蝕 劑 8- 羥基 喹 啉 組 裝進入聚合物膜層中，當涂層受到損傷后，通過聚合物鏈段的運動和抗腐蝕劑的溢出實現對層層組裝聚合物膜的自修復，并且具有良好的抗腐蝕性能。吉林大學的孫俊奇課題組采用指數增長的層層自組裝方法構建了支化聚乙烯基亞胺（bPEI）/ 聚丙烯酸（PAA）聚電解質涂層，該涂層可對寬度為 50μm 的劃痕在 10s 內完成自修復，自修復只需將涂層浸泡在水中或在刮擦表面噴水即可實現，同時，（bPEI/PAA）*30 膜可在同一位置上實現多次劃痕自修復，其自修復機理為，在膜層制備過程中，可調控bPEI/PAA 膜中聚合物鏈在膜中的穿插，所制備的膜層在空氣中穩定，而在水中或潮濕環境下聚合物鏈能夠發生流動或溶脹，從而修復損傷區域。胡小霞等采用層層組裝技術制備了聚氨酯 / 羧甲基纖維素鈉（PU/CMC）多層膜，該膜層具有自修復能力。他們同時又在膜層結構中引入第 3 種聚電解質聚二甲基二烯丙基氯化銨（PDDA），所制備的 PDDA（CMC/PU）n 膜表現出增強的自修復效果，在生理鹽水中浸泡數秒內，便可對寬為 20 ～ 30μm 的劃痕進行自修復。

    3、結論

 

    自修復涂層領域的研究在近 10 年來得到了突飛猛進的發展，當前和以后一段時間內的研究重點是原有自修復體系的優化，新的自修復機理的發現，可循環自修復材料的設計及自修復涂層材料的構建與應用。該領域的研究涉及化學、材料學、力學等多學科交叉，需要更多的科研愛好者投入其中，相信自修復技術會有廣闊的應用前景。

    （資料來源：知網）

 

5 熱噴涂汽車發動機氣缸內壁涂層的研究進展

 

    為了達到越來越苛刻的內燃機排放標準，減輕車身重量以降低燃油消耗是近年來車輛行業的重要發展方向之一。采用熱噴涂方法在鋁合金或鑄鐵氣缸內壁噴涂減摩、耐磨并耐腐蝕的涂層代替傳統鑄鐵缸套具有廣闊的應用前景。首先介紹制備氣缸內壁涂層的工藝流程，主要闡述現有制備氣缸涂層的超音速火焰噴涂、電弧噴涂、大氣等離子噴涂和等離子轉移弧線材噴涂等工藝的原理，對不同熱噴涂工藝特點進行了總結，闡明不同熱噴涂方法獲得的涂層結構特點。通過列舉國內外車輛制造商先進熱噴涂涂層的應用實例，進一步分析各類涂層的優缺點。最后提出優化噴涂參數、開發新型噴涂材料、控制涂層內應力和應對未來生物燃料是汽車氣缸涂層的下一步研究方向。

    當前，汽車輕量化成為車輛制造業的發展趨勢之一。在發動機零部件中，氣缸是最重的零件，約占發動機總質量的 25% ~ 33%。最初，氣缸都是由鑄鐵制造而成。隨后，為了減輕發動機重量，鋁硅合金氣缸被用來替代傳統鑄鐵氣缸。然而，鋁硅合金材料的耐磨性能較差，導致氣缸體內壁易磨損失效，因此，采取了在鋁硅合金缸體內鑲嵌鑄鐵缸套以提高其耐磨性的解決辦法，但灰鑄鐵缸套導熱性差，且與鋁硅合金熱膨脹系數有差異，在工作過程中會因為受熱不均而導致缸套發生變形，再加上鑲嵌帶來的不穩定性，所以這種方法仍不夠理想。近年來，在氣缸內壁噴涂耐磨涂層替代鑄鐵缸套，成為實現整車輕量化的一條重要途徑。新型涂層具有耐磨和減摩的特點，導熱性和穩定性也更好，因此不僅能減輕發動機重量，更能提高發動機燃油效率。

    熱噴涂是利用某種熱源（如電弧、等離子弧和燃燒火焰等）將噴涂材料加熱至熔融或半熔融狀態，然后借助霧化氣流將熔滴霧化以一定速度噴射到工件表面的技術，它在不改變基體本身性能的情況下，使其表面具有耐磨、耐熱和耐腐蝕等多種性能。噴涂方式按照熱源可分為超音速火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂等。本文從汽車發動機氣缸內壁涂層的制備工藝方法出發，探討不同熱噴涂方式的制備工藝及所得涂層結構與性能，分析國內外各大車輛制造商熱噴涂氣缸內壁涂層的應用與研究現狀，并對這類涂層的下一步研究提出幾點展望性建議。

 

    1、氣缸套噴涂前處理

 

    圖 1 為氣缸內壁涂層的制造工序。在噴涂前，需采用鏜孔、鉆孔、珩磨等方式將氣缸孔直徑適當擴大以容納涂層，然后對氣缸壁進行清洗以去除表面油污及加工殘留物。表面清潔度對涂層與基體的結合強度有重要影響，因此必須保證待噴涂表面的清潔。噴涂前須對基體表面進行預處理，可分為凈化和粗化兩類，前者是指去除基體表面的油污漬和氧化物等，后者是指改善基體表面的粗糙度以增強涂層與基體之間的結合強度。

圖 1 內壁涂層制備工序

 

    處理基材表面以改善涂層與基材的結合強度是進行熱噴涂處理的第一個關鍵工序。目前普遍使用的表面粗化技術有很多，包括噴砂處理、高壓水射流處理技術、機械粗加工技術、激光表面前處理等。下文對制備氣缸套內壁涂層的不同熱噴涂工藝原理、涂層特點和相關進展進行逐一綜述。

    2、氣缸內壁涂層的熱噴涂沉積技術

 

    2.1超音速火焰噴涂

 

    20 世紀 80 年代，超音速火焰噴涂（HVOF）工藝研發成功。HVOF 將粉末、絲材或棒材送入超音速的高溫焰流中，加熱熔融后并噴射到基材形成涂層。一般情況下，焰流速度可達到 5 馬赫（1500m/s）以上，熔融顆粒在火焰中可被加速到 300 ～ 700m/s，甚至更高。

    超音速火焰噴涂粒子的溫度低、飛行速度快，因此涂層的結合強度高、孔隙率更低。HVOF 工藝可以噴涂各種硬質合金材料，包括納米結構粉末。Manzat等采用超音速火焰噴涂（HVOF）和超音速懸浮液火焰噴涂（HVSFS）方式，分別在氣缸內壁制備出金屬和陶瓷涂層，涂層表面具有大量直徑為0.2～1.0μm的貫通孔隙，這些孔隙能夠儲油，形成微負壓室并實現液態潤滑。Johansson等也用 HVOF 和 HVSFS 方式制備出鐵合金、Cr 3 C 2 /NiCr、80%TiO 2 -20%TiC 和鐵基復合材料（MMC）涂層，研究結果和 Manzat 等基本一致，該涂層的磨損量顯著低于鑄鐵缸套的磨損量，其中Cr 3 C 2 /NiCr 和 MMC 涂層的磨損量低于80%TiO 2 -20%TiC。

    超音速火焰噴涂制備的涂層還具有結合強度高的特點，毛俊元等通過HVOF 方法在球墨鑄鐵氣缸套內壁上制備 NiCrBSi 合金涂層，涂層的結合強度達到 128.8MPa。此外，NiCrBSi 涂層在常溫和高溫下均具有良好的耐磨耐腐蝕性，由于燃料中含有硫元素，會在氣缸壁生成硫酸，在表面形成硫酸腐蝕。實驗采用30%（質量分數）稀硫酸和8%（質量分數）稀鹽酸作為腐蝕劑，將噴涂好的涂層浸泡在腐蝕劑中一個月，通過光譜分析涂層浸泡前后的化學成分，發現涂層化學成分變化十分小。如將該涂層應用在氣缸套上，能增大氣缸套的耐腐蝕性能，延長氣缸套的使用壽命。

    Edrisy等針對低碳鋼氣缸內壁涂層，分別探討了涂層在銷盤摩擦中和在實際使用中的耐磨性以及拉缸損壞情況。結果表明，鋁合金氣缸內壁的低碳鋼涂層在實驗室磨損測試條件下展現出很好的耐磨性。在實際應用中，氣缸壁磨損最嚴重的地方發生在最大推力面處，在燃燒動力沖程循環過程中，由于施加較大的負載，導致在涂層下面產生單一方向的塑性變形層，剝離是磨損的主要形式。

    2.2電弧噴涂

 

    電弧噴涂是利用兩根連續送進的金屬絲之間的電弧來熔化金屬，用高速氣流把熔化的金屬霧化，并迅速噴射到基材表面形成涂層。電弧噴涂因易操作、效率高、對工件熱影響小、涂層性能優異、適用范圍廣及經濟安全等特點而得到迅速發展，到 20 世紀末，電弧噴涂的應用占所有熱噴涂的 15%，市場比例位居第 3 位。目前，國外使用電弧噴涂制備氣缸內壁涂層的報道并不多，而國內學者做了較多的工作。

    李 增 榮、 吳 比 等 設 計 并 制 造 的XDP-5 型內孔電弧噴涂設備，解決了發動機氣缸內壁難以噴涂的問題。他們選用鐵基合金金屬絲材制備鋁制缸體內壁減摩涂層以代替鑄鐵缸套，涂層由扁平粒子堆積而成，在顆粒邊界還存在一些孔隙和帶狀金屬氧化物。摩擦磨損結果表明，涂層孔隙結構的儲油效應和表面氧化物起到明顯降低摩擦系數的作用，提高了涂層的耐磨性。

    Kim 等采用雙絲電弧噴涂（TWAS）在鋁合金氣缸套內壁制備 FeO 涂層，研究珩磨工藝對內壁涂層的影響。兩種珩磨的氣缸內壁涂層分別是 40°珩磨角的光滑層（SH）和 140°珩磨角的螺紋結構珩磨層（HSH），如圖 2 所示。在干摩條件下，由于 HSH 的珩磨槽更大，可以留住磨粒因而避免磨粒磨損，所以 HSH 層的摩擦系數更低。在潤滑條件下，由于 SH 層的表面更加光滑，因此具有較低的摩擦系數。綜合來講，采用TWAS 工藝制備的氣缸內壁涂層即使在惡劣的發動機工作條件下，仍可以展現優異的摩擦性能。

 

    采用電弧噴涂技術也可對氣缸套進行修復。吉榮廷等采用電弧噴涂對內燃機缸套內表面進行修復，恢復缸套的尺寸，修復成本僅為新缸套的 1/3，而修復好的缸套的使用壽命可以達到原缸套的 3 倍。因此，無論從經濟效益還是社會效益來看，電弧噴涂工藝修復內燃機缸套都是一種理想的方法。曾志龍、徐亮等針對大型船舶柴油機氣缸套腐蝕磨損失效情況，采用高速電弧噴涂和亞音速火焰噴涂工藝，對失效氣缸套進行再制造并進行摩擦磨損實驗。研究表明，在實際運行工況下，電弧噴涂的3Cr13 涂層表現出的性能優于火焰噴涂的 NiCr-Cr 3 C 2 涂層，且電弧噴涂成本較低，該技術有望在氣缸套再制造中得到應用。

    2.3大氣等離子噴涂

 

    大氣等離子噴涂（APS）通過放電生成的熱等離子（15000K）將粉末材料熔化并噴射到基體表面形成涂層。這種工藝適合噴涂各種熔點高的粉末材料，尤其是復合材料和陶瓷材料。20 世紀90 年代初，Sulzer Metco 公司（OerlikonMetco 前身）開發了“RotaPlasma”旋轉式 APS 噴涂設備，至今仍被很多制造商用于噴涂發動機氣缸內壁涂層。在過去幾年中，APS 技術不斷改進發展，有關APS 內孔涂層工藝和材料選擇的進展已有很多外文文獻報道。

    在原始粉末中加入其他元素可以有效提高 APS 涂層的綜合使用性能。Uozato 等研究了 APS 噴涂鐵基合金粉（Fe-C-Ni-Cr-Cu-V-B）中添加不同含量 Ni 粉所得柴油機氣缸內壁涂層的耐磨耐腐蝕性并與常用鑄鐵缸套進行比較。摩擦實驗結果表明，鐵基涂層的磨痕深度最大值小于鑄鐵缸套磨痕深度的一半，并且摩擦對偶銷的磨損深度也低于鑄鐵缸套對偶銷。在實際應用中，不僅要保證氣缸內壁耐磨，同時要減少對活塞環的磨損，采用這種涂層可增加活塞環的使用壽命。在原始鐵基粉中加入質量分數 4% ~ 14% 的 Ni 粉以后，涂層在硫酸溶液中的耐腐蝕性隨 Ni 含量增加而提高，且遠遠優于鑄鐵材料，但與此同時，在油潤滑下涂層的耐磨性隨 Ni含量的增加而降低，這主要由于 Ni 的添加降低了涂層硬度。因此，合適的 Ni含量，將有助于平衡涂層的耐磨性和耐蝕性。

    APS 焰流速度高，粉末顆粒速度快，噴涂時采用 Ar 等惰性氣體，因此所得涂層的致密度和結合強度都很高，且涂層的氧化物和雜質含量少。Kim 等采用 APS 工藝在鋁合金基體上分別噴涂了水霧化得到的鑄鐵（Fe-3.75C-3.6Si-3.93Al）粉末和經過退火預處理含有石墨結構的鑄鐵粉，獲得涂層 C1 和 C2。浸泡腐蝕結果表明，涂層的耐蝕性主要取決于孔隙率，兩種涂層的孔隙率均較低，分別為 4.33% 和 3.4%。C1 涂層表面和截面形貌都有明顯改變，存在顯著的點蝕現象，而在含有石墨結構的涂層中存在混合的碳化物相和片狀石墨，提高了涂層的耐腐蝕性。石墨層的存在對于氣缸內壁還可以起到自潤滑的作用，提高了涂層的耐磨性。

    劉明等研究了內孔等離子噴涂Ni45-15%Mo 涂層與 38CrMoAl 滲氮層的耐磨性。在邊界潤滑條件下，涂層表面產生的 MoS 2 和 MoO 2 具有良好的減摩性，對提高涂層的耐磨性起到關鍵性作用，同時，涂層對偶件的損傷明顯小于滲氮層對偶件。在實際內孔等離子噴涂過程中，缸套內壁溫度高，煙塵污染嚴重，為了解決這些問題，王海軍等人開發設計了一種具有排塵、防塵和冷卻功能的內孔等離子噴涂裝置，對使用前后涂層的性能進行了分析，研究發現，使用該裝置可以明顯降低涂層的缺陷，為制備性能優越的減摩耐磨氣缸壁涂層提供了條件。

    大氣等離子噴涂陶瓷缸套內壁涂層具有較低的摩擦系數和優良的耐蝕、耐高溫特性。毛俊元等采用等離子噴涂制備 Al 2 O 3 -13%TiO 2 復合陶瓷納米涂層，它具有陶瓷的高硬度、剛度和高溫下極好的化學穩定性，將這種材料噴涂在金屬基體表面，在一定程度上能克服陶瓷本身韌性、塑性、導熱性差的缺點。李福村等也采用等離子噴涂技術，在缸套內壁制備了耐高溫、耐磨損的 Al 2 O 3 -13%TiO 2 陶瓷涂層，以增強缸套的壽命。涂層磨損機理是切削和脆性斷裂或脫落磨損，其耐磨性、結合強度和抗震性等符合缸套的工作環境。Skopp 等研究了混合邊界潤滑條件下 APS 噴涂低價氧化鈦涂層的摩擦特性，摩擦實驗選用了不同種類的活塞環對偶涂層，結果表明，TiOx 涂層的耐磨性能優于灰鑄鐵缸套。

    同 時， 實 驗 還 發 現， 在 酯 類 潤滑條件下，涂層的摩擦系數減少了10% ~ 20%，在甘醇類潤滑條件下，涂層的摩擦系數從 0.12 降到 0.04 ~ 0.06。衡量一種涂層摩擦性能的兩個重要指標分別是硬度和摩擦系數，這種氧化鈦陶瓷涂層的硬度約為 650HV0.2，在耐磨領域具有明顯的優勢。

    2.4 等離子轉移弧線材噴涂

 

    等離子轉移弧（PTA）與非轉移弧的區別是，非轉移型等離子弧的鎢級接負極而噴嘴接正極，轉移型等離子弧的鎢級接負極而工件接正極，后者使等離子弧在鎢級和工件之間產生。實際工作中，首先要用噴嘴接正極產生等離子弧來引弧， 然后工件接正極把弧引出去。等離子轉移弧線材噴涂（PTWA）工藝可以噴涂幾乎所有材質的實芯或藥芯焊絲，對材料的要求是所噴涂的焊絲材料必須導電。

    電弧電流強度對 PTWA 噴涂涂層的結構有較大影響。Darut 等研究了不同電流強度對等離子轉移弧噴涂高碳鋼氣缸套內壁涂層的結構與成分的影響，實驗所用的電流分別為 85A 和 150A。通過對比涂層的孔隙率發現，當電弧電流從85A 增強到 150A 時，涂層從頂部到底端的孔隙率增加顯著。實驗還發現，涂層中間部位的氧化物含量最高，因為在噴涂中間過程中，系統的熱量不易擴散且通風性較差，因而導致涂層氧化嚴重。Schramm 等采用 PTWA 工藝在發動機氣缸內壁噴涂鐵基合金涂層，添加 Al、Cr 合金元素可以提高涂層的耐磨耐腐蝕性。摩擦實驗選用線性往復摩擦試驗機表征氣缸壁和活塞環間的摩擦行為，實驗對比了三種材料（氮化鋼、類金剛石（DLC）涂層、氮化鉻鋁涂層）的活塞環，以尋求最佳涂層組合。與灰鑄鐵缸套相比，高鉻、鋁含量的鐵基材料 PTWA 涂層與 CrAlN 涂層活塞環間的平均摩擦系數可從 0.11 降到 0.066，表現出很大的減摩潛力，該涂層與活塞環組合應用于發動機將更經濟、環保。

    Rabiei 等研究發現，采用 HVOF 和PTWA 噴涂鐵基絲材時，涂層中 α-Fe扁平粒子之間會存在一層厚度超過 100nm 的非晶氧化物薄膜，為了研究該氧化層所起的作用，實驗利用楔形物在光滑涂層表面加載促使該涂層產生裂紋，加載后涂層截面如圖 3 所示（箭頭標記地方是裂紋形成的地方），可以看出加壓后裂紋主要在非晶氧化層處形成。從斷裂韌性測試結果來看，該氧化層和α-Fe 顆粒之間的結合很差，導致局部斷裂韌性只有 0.2 ～ 1MPa·m 1/2 。因此，有效地抑制該非晶氧化物薄膜層的形成，將有助于提高涂層的耐用性。

 

    Edrisy 等研究了 PTWA 工藝在鋁合金表面噴涂低碳鋼涂層的干摩擦特性，發現在低速高負載摩擦條件下，由于涂層中不銹鋼扁平粒子斷裂分層嚴重，涂層的磨損率最高；當速度提高、加載減小時，涂層表面生成氧化物含量較高的摩擦層，該摩擦層能夠保護下面涂層免于被磨損。該課題組又研究了濕度對PTWA 噴涂低碳鋼涂層的摩擦磨損性能的影響，研究結果表明，在低速低負載條件下，涂層表面主要發生氧化磨損。當環境濕度增加時，磨拋變得更加活躍，涂層的磨損率降低。若在此基礎上增加負載，扁平粒子的塑性變形嚴重，繼而發生斷裂和破碎。

    3、氣缸套內壁涂層的后處理

 

    后處理對發動機氣缸內壁涂層的性能影響非常重要。通常采用金剛石砂條對涂層進行珩磨，珩磨后形成的微觀支撐平臺和珩磨網紋的夾角是保 證 良 好 潤 滑 的 關鍵。 珩磨好的內壁涂層可以提高氣缸的注入和燃燒壓力，降低摩擦系數，減少磨損量，提高耐腐蝕性等。表 1 給出了涂層珩磨后推薦的粗糙度值。另外，APS 涂層和普通灰鑄鐵珩磨的一個顯著區別是：珩磨后涂層表面無珩磨特有的帶有可見交叉網紋模式，而是具有開放孔隙的光滑珩磨面。與凸臺形鑄鐵珩磨表面相比，多孔隙的存油結構不會像交叉條紋結構那樣被磨掉，而會隨著磨損不斷打開新的孔隙。因此，采用涂層結構的氣缸內壁可以降低機油消耗率并且提高氣缸的使用壽命。

 

    國內汽車行業的珩磨內燃機氣缸孔最早采用手動珩磨技術，隨著技術的發展，近幾年來滑動珩磨和平頂珩磨逐漸走向主流。國外先進的汽車、船舶企業已經開始推進更先進的珩磨手段，比如激光珩磨、超聲振動珩磨、螺旋滑動珩磨、電解珩磨等。徐啟圣等通過對以上幾種珩磨加工工藝方法的對比發現，激光珩磨是缸套工作表面儲油結構的新型加工方法。雖然激光珩磨的成本較高，但它具有其他方法無法比擬的優點，其創新之處是激光珩磨對內壁表面具有激光淬火的作用，將珩磨與激光表面局部硬化有機結合，產生珩磨強化復合效果。如將這種珩磨方法用于內壁涂層上，不僅可以起到珩磨的作用，同時高能量密度的激光束還可以起到激光重熔的效果，最終達到降低涂層孔隙率、減少涂層內部殘余應力、優化涂層組織和提高涂層與基體間結合強度的多重效果。

 

    4、氣缸內壁熱噴涂涂層的應用現狀

 

    表2歸納了制備氣缸內壁涂層的幾種常用熱噴涂工藝特點，越來越多的汽車制造商開始采用熱噴涂技術制備和修復氣缸。

 

    Metco 公司自 20 世紀 90 年代開始研發氣缸內壁涂層，大眾汽車在 2002年引入了該公司的粉末等離子噴涂工藝，并成功應用于小型客車。Metco 在2013 年推出了一種用于柴油機節能減排的 SUME Bore 粉基涂層，該技術采用APS 工藝噴涂得到的涂層顯著降低了摩擦力和機油消耗，有助于柴油機排放達到標準，現已投入重型柴油機汽車的批量生產。紐約長島的火焰噴涂企業（FSI）和 Ford 汽車公司聯合研發的等離子轉移弧線材（PTWA）噴涂工藝應用于2011 年生產的野馬 V8 5.4 型鋁合金氣缸，新款發動機與采用鑄鐵缸體的 2010款 GT500 V8 發動機相比質量減輕了46kg。Daimler-Benz 公司的雙線弧法已經相對成熟，2005 年以來，該公司開始在 AMG 發動機上應用雙絲電弧噴涂工藝，最近將這一技術大規模應用于奔馳柴油發動機車上，熔融的顆粒以超細納米晶形式沉積到鋁合金缸壁表面，因此賦予它更時髦的名字——NANOSLIDE 納米級缸壁涂層技術。經珩磨后，涂層的最終厚度只有 0.1 ~ 0.15mm，氣缸的機械摩擦損失比傳統鑄鐵缸套降低 50%，同時具備非常高的耐磨性。

    福 特 汽 車 于 2015 年 宣 布， 利 用PTWA 技術可以讓廢舊發動機“重獲新生”。通過 PTWA 工藝對失效發動機進行修復，可以減輕對環境的污染。與新發動機相比，其二氧化碳排放量甚至降低了 50%，同時經過加工的發動機缸體在性能等方面的表現不遜色于全新發動機。通用（GM）公司的超音速火焰噴涂（HVOF）也得到了推廣與應用，該工藝方法具有能量密度高、粒子速度快等優點，尤其適合噴涂易發生氧化的材料，在耐蝕性涂層的制備上具有很大的應用前景。

    盡管熱噴涂在制備氣缸內壁涂層方面有諸多優勢并得到部分應用，但熱噴涂方法也存在一定缺點，如設備成本高、工作環境差、粉塵污染嚴重、涂層在服役過程中性能不穩定、難以制備厚度較厚的涂層等。這些實際問題仍需進行深入研究。隨著設備、材料以及工藝的不斷進步，熱噴涂技術在制備氣缸涂層領域將會得到進一步的發展和完善。

    5、總結與展望

 

    汽車輕量化成為汽車行業的一種發展趨勢，研究開發可靠的氣缸內壁涂層來取代鋁合金氣缸體內鑲嵌的鑄鐵缸套成為一種趨勢。近年來，國外學者和汽車制造商采用熱噴涂技術制備氣缸內壁涂層取得了重要成果。我國對于先進熱噴涂技術的研究也有不少進展，但與國際先進水平還有一定差距，針對采用熱噴涂制備氣缸內壁涂層的后續研究與開發，可以在以下四點開展進一步的研發工作：

    （1）優化噴涂工藝參數，通過對涂層中孔隙和生成的具有自潤滑性的FeO 和 Fe 3 O 4 等氧化物的調控，來改善涂層的儲油能力和潤滑特性。

    （2）擴大材料的研究種類，尋求最佳的活塞環和氣缸內壁的涂層組合，例如在活塞環表面噴涂一層納米結構的金屬陶瓷，可以使活塞環與氣缸內壁在長時間的對磨中保持良好的潤滑狀態。

    （3）控制涂層應力，通過有效的前處理、優化的沉積工藝和適當的后處理以增強涂層與基體以及涂層顆粒間的結合強度。

    （4）面對能源緊缺和生物燃料逐漸推廣的實際問題，對氣缸內壁涂層越來越重要的要求是提高相容性和耐腐蝕性，這一方面的工作值得重視。

 

    （資料來源：知網）

 

6 鎂合金表面處理國內外研究應用現狀

 

    鎂是金屬結構材料中最輕的一種純鎂的力學性能很差。但鎂合金因體積質量小、比強度高、加工性能好、電磁屏蔽性好、具有良好的減振及導電、導熱性能而備受關注。鎂合金從早期被用于航天航空工業到目前在汽車材料、光學儀器、電子電信、軍工工業等方面的應用有了很大發展。但是鎂的化學穩定性低、電極電位很負、鎂合金的耐磨性、硬度及耐高溫性能也較差。在某種程度上又制約了鎂合金材料的廣泛應用，因此，如何提高鎂合金的強度、硬度、耐磨、耐熱及耐腐蝕等綜合性能，進行適當的表面強化，已成為當今材料發展的重要課題。

 

    鎂合金是最輕的金屬結構材料之一，密度僅為 1.3g/cm 3 ～ 1.9g/cm 3 ，約為 Al 的 2/3，Fe 的 1/4。鎂合金具有比強度高，比剛度高，減震性、導電性、導熱性好、電磁屏蔽性和尺寸穩定性好，易回收等優點。以質輕和綜合性能優良而被稱為 21 世紀最有發展潛力的綠色材料，廣泛應用于航空航天、汽車制造、電子通訊等各個領域。但是鎂合金的化學和電化學活性較高，嚴重制約了鎂合金的應用，采用適當的表面處理能夠提高鎂合金的耐蝕性。

    1、微弧氧化處理

 

    微弧氧化技術又稱微等離子體氧化或陽極火花沉積，實質上是一種高壓的陽極氧化，是一種新型的金屬表面處理技術。該工藝是在適當的脈沖電參數和電解液條件下，使陽極表面產生微區等離子弧光放電現象，陽極上原有的氧化物瞬間熔化，同時又受電解液冷卻作用，進而在金屬表面原位生長出陶瓷質氧化膜的過程。與普通陽極氧化膜相比 , 這種膜的空隙率大大降低 , 從而使耐蝕性和耐磨性有了較大提高。目前，微弧氧化技術主要應用于 Al、Mg、Ti 等有色金屬或其合金的表面處理中。鎂合金微弧氧化技術所形成的氧化膜主要由 MgO和 MgAl 2 O 4 尖晶石相組成，總膜厚可達100Lm 以上，具有明顯的三層結構 : 外部的疏松層、中間的致密層和內部的結合層。致密層最終占總膜厚的 90%, 與基體形成微區冶金結合。疏松層中存在許多孔洞及其它缺陷，其物理、化學特性與微弧氧化處理時電參量的選擇、電解液的配方以及樣品自身的特性有關。與普通的陽極氧化膜相比，微弧氧化膜的空隙小，空隙率低，與基質結合緊密，且在耐蝕、耐磨性能等方面得到了很大的提高。微弧氧化技術生成的膜層綜合性能優良，與基體結合牢固，且工藝簡單，對環境污染小，目前對其生長規律、生長機理和影響因素等已經有了較為深入的研究，在工業上得到了一定的應用，是一種具有發展潛力的鎂合金表面處理技術。

    2、化學轉化

 

    化學轉化是在化學處理液中在金屬表面形成氧化物或金屬化合物鈍化膜。化學轉化膜較薄，結合力較弱，只能減緩腐蝕速度，并不能有效地防止腐蝕，還需要進一步涂裝。鎂合金化學轉化的研究較多，最成熟的是鉻酸鹽轉化，但是 Cr 6+ 有毒，危害人體健康且污染環境。近年來開發了一系列新型的對環境和健康無害的轉化工藝，這些轉化工藝大體上又可以劃分為兩類：有機化合物溶液和無機鹽溶液轉化處理。前者包括植酸轉化、硅烷衍生物轉化、酸鹽轉化等，后者包括磷化、錫酸鹽轉化、氟化物轉化、磷酸鹽—高錳酸鹽轉化、稀土轉化膜和磷酸—碳酸錳—硝酸錳轉化等。

    2.1植酸轉化植酸處理

 

    植酸轉化植酸是一種少見的金屬多齒螯合劑，具有獨特的結構，是一種全新的無毒環保型金屬表面處理劑。植酸在金屬表面發生化學吸附，形成一層致密的單分子有機保護膜，膜層能有效阻止侵蝕性陰離子等進入金屬表面，抑制金屬的腐蝕。目前植酸轉化在鎂合金上的研究還比較少，只有國內少數學者初步進行了研究。

    鄭潤芬等對 AZ91D 鎂合金植酸轉化膜的組成以及耐蝕性進行了研究。研究發現，膜層主要成分為植酸的鎂鹽和鋁鹽，膜層具有纖維網狀裂紋結構，與基體結合牢固，耐蝕性有明顯提高，腐蝕電位比鉻酸鹽轉化高 0.4V，腐蝕電流密度較鉻酸鹽轉化小 5 個數量級。Liu 等也使用植酸轉化液在鎂合金上生成了保護膜，膜層的耐蝕性與鉻酸鹽轉化膜相當。植酸轉化形成的單分子有機膜層和有機涂料具有相近的化學性質，與有機涂料的粘結性增強，能進一步提高鎂合金的耐蝕性。

    2.2磷化鎂合金的磷化處理

 

    磷化鎂合金的磷化處理研究開展得較早，形成的磷化膜為微孔結構，與基體結合牢固，具有良好的吸附性，可以作為鎂合金涂裝前的底層。Kouisni 等研制了一種鎂合金的磷化工藝，磷化液主要由 Na 2 HPO 4 、H 3 PO 4 、Zn（NO 3 ） 2 等組成，形成的磷化膜主要由 Zn 3 （PO 4 ） 2 ·4H 2 O組成。對磷化膜的形成機制和磷化液各成分的影響以及該磷化膜在硼酸緩沖溶液中的腐蝕行為進行探討，研究表明，磷化后自腐蝕電位增加約 700mV，耐腐蝕力達15h，其耐蝕性還望進一步提高。 Li 等利用磷化液中添加鉬酸鈉和腐蝕抑制劑的方法在 AZ91D 鎂合金上制備了均勻細致、結合牢固的鋅系復合磷化膜，磷化膜主要由 Zn 3 （PO 4 ） 2 ·4H 2 O 和單質Zn 粒組成。研究表明，在磷化液中加入鉬酸鈉可使磷化膜組織更加細致，提高了基體與有機涂層的結合力及其防腐蝕能力，自腐蝕電位增加約 500mV。其它的無鉻轉化處理也都提高了鎂合金的耐蝕性。其中磷酸鹽—高錳酸鹽轉化膜耐蝕性與鉻酸鹽轉化膜相當，可以取代鉻酸鹽轉化膜，磷酸—碳酸錳—硝酸錳轉化得到的復合膜層結合力好、均勻連續，耐蝕性比鉻酸鹽轉化膜好。

    3、自組裝單分子膜

 

    自組裝單分子膜（SAMs）是將金屬或金屬氧化物浸入含活性分子的稀溶液中，通過化學鍵吸附在基片上形成取向規整、排列緊密的有序單分子膜，制備方法簡單且具有很高的穩定性。目前已經在 Fe、Cu、Al 等金屬上成功地制備出了自組裝單分子膜，由于Mg極易氧化，因而在 Mg 及其合金上制備自組裝膜比較困難，但國內仍有學者對其進行了嘗試性研究。

    雍止一等首次采用油酸咪唑啉水溶液在 AZ91D 鎂合金表面制備了以 -NH-為頭基、-CH3 為尾基的定向排立的單分子層；研究了該組裝膜對鎂合金的緩蝕作用，并通過接觸角、FT-IR、EIS 和線性極化等方法對自組裝膜的形成過程和保護效率進行了研究；最佳工藝條件下保護效率（PE）值高達 98.1%。Liu等使用羧酸鹽的乙醇溶液在 AZ91D 鎂合金制備了定向排立的致密自組裝單分子膜，PE 值高達 98.5%。研究表明，烷基鏈越長，組裝時間越長，自組裝膜耐蝕性越好。

    4、陽極氧化

 

    陽極氧化是在金屬表面通過電化學氧化形成一層厚且相對穩定的氧化物膜層，Mg的陽極氧化膜層比化學轉化膜厚，強度大、硬度高、耐蝕性好。鎂合金陽極氧化膜具有雙層結構：薄的致密內層和厚的多孔外層，外膜層的孔并沒有穿透內膜層，外層的孔隙經涂漆、染色、封孔或鈍化處理后，耐蝕性進一步提高。

    4.1普通陽極氧化

 

    鎂合金陽極氧化的典型工藝是美國 Evangelides 開發的 HAE 工藝和 DOW化學公司研制的 DOW17 工藝。早期的陽極氧化處理是使用含 Cr 的有毒化合物，目前發展了可溶性硅酸鹽、氫氧化物和偏鋁酸鹽的陽極氧化工藝。在鎂合金陽極氧化過程中，處理液的成分強烈影響陽極氧化膜的結構和組成，不同的氧化液可得到不同性能的陽極氧化膜。曹發和等對不同氧化液得到的陽極氧化膜的微觀結構及其耐蝕性進行了評價，認為外加電壓和氧化液組成對氧化膜的微觀結構及其性能有至關重要的影響；在堿性溶液中，NaAlO 2 和 Na 2 SiO 3的協同作用下，得到的氧化膜耐蝕性優異，自腐蝕電流密度達 1.87×10-7A/cm 2 ，耐中性鹽霧腐蝕性能 >500h（氧化膜未封孔）。周玲伶等研究了一種環保型陽極工藝，所得膜層顯微硬度值高達 558.4HV，其耐蝕性也遠優于傳統含CrDOW17 工藝所制備的防護膜。

    4.2等離子體氧化等離子氧化

 

    近些年來興起的一種表面處理技術，作為環境友好型處理技術最先用于提高鋁合金耐磨性和耐蝕性。它是利用高壓放電產生熱等離子體，利用等離子體區瞬間高溫直接在金屬表面原位生長陶瓷膜。等離子體氧化得到的膜層綜合性能優良，與基體結合牢固，工藝簡單，對環境污染小，是鎂合金表面處理的一個重要發展方向。等離子體氧化分為 2 種：一種是在水溶液中發生等離子體化學作用；另一種是用氧等離子體取代水溶液。后者是一種更為先進環保的工藝，并且等離子體氧化還可以與物理氣相沉積（PVD）聯合使用，獲得既耐磨又耐蝕的膜層。Timoshenko 等采用在 NaOH 和 Na 3 PO 4 電解液氧化鎂合金，膜層厚度 60μm，孔隙率 <15%，耐蝕性較好。國內外學者采用硅酸鹽或磷酸鹽電解液在鎂合金上生成等離子體氧化膜，前者膜層主要成分為 Mg 2 Al 2 O 4 和MgO，后者膜層主要成分為 Mg 2 SiO 4 和MgO，并且在涂層與基體的接界處分別0.7μm ～ 1μm 和 1μm ～ 2μm 的富 F區，電化學極化曲線顯示，二者都能顯著提高鎂合金的耐蝕性 , 而前者耐蝕效果更好。Zhang 等采用自制的等離子體氧化裝置處理 AZ91HP 鎂合金 , 所得膜層的耐蝕性達到 9 級。

    5、電鍍與化學鍍

 

    鎂合金的電化學活性很高，鍍液會對鎂合金基體造成腐蝕，并且 Mg 與鍍液中的陽離子發生置換，形成的鍍層疏松多孔、結合力差，所以必須對鎂合金進行適當的前處理，傳統的前處理包括浸鋅和直接化學鍍，生成保護膜后再進行化學鍍或電鍍。目前有關鎂合金化學鍍鎳的研究很多，研究表明，合理的前處理工藝對整個化學鍍技術能否實施、鍍層質量以及鍍層與基體間結合力等具有至關重要的作用。美國專利將鎂合金放入 CuSO 4 溶液中，于超聲波中發生Mg 置換 Cu 的反應，在鎂合金上生成一層致密的 Cu 膜，之后通過化學鍍 / 電鍍 / 電刷鍍 / 粉末鍍或者它們的聯合使用，鍍上 Ni/Ti/Mn/Al/Fe/Co/Zr/Mo/Nb/W，內層 Cu 膜對 Mg 及其合金提供了陰極保護作用，尤其當表面膜破裂時，對鎂合金還能起到持續的保護作用。Gu等在 AZ91D 鎂合金上直接化學鍍鎳后，通過直流電沉積 Ni 納米鍍層，鍍層顆粒大小為 40nm 左右，結構細致，孔隙率低，鍍層表面致密，硬度遠遠高于基體。Ni 納米鍍層抗腐蝕性和強度均很高，有望促進鎂合金的應用。朱立群等通過電沉積和低溫熱處理在 AZ91D 鎂合金表面獲得復合膜層，在鍍上一層鋅后鍍錫，得到具有好的結合力的 Zn-Sn 復合鍍層，和均勻一致的表面，然后進行 190±10℃熱處理 12h，復合鍍層經熱處理后，由于 Sn的擴散，形成了 3 層結構：內層致密，由Sn 和 Mg 2 Sn 組成；中間層由 Zn 和 ZnO 組成；外層疏松，主要成分是Sn。研究表明，這種 3 層結構的鍍層比 Zn-Sn 鍍層更好地提高了耐蝕性。由于鍍層比鎂合金基體具有較正的電位，相對于鎂合金是陰極，易發生電偶腐蝕，要實現鎂合金的腐蝕防護要求，主要取決于鍍層是否均勻、無孔并且要有一定厚度。納米復合鍍將會是鎂合金表面防護的一個嶄新方向。

    6、液相沉積與溶膠凝膠涂層

 

    通過液相沉積法（LPD）和溶膠凝膠方法在鎂合金表面得到無機、有機以及無機 - 有機雜化膜層的研究還處于嘗試階段，一些研究者通過這些方法獲得了納米氧化物膜層，是鎂合金表面處理的一個新方向。

    6.1液相沉積

 

    液相沉積是從金屬氟化物中的水溶液中生成氧化物薄膜的方法，通過添加水、硼酸或金屬 Al 使金屬氟化物緩慢水解成金屬氧化物沉積到基體表面。胡俊華等用 LPD 方法首次在 AZ31鎂合金表面制備了銳鈦礦型的 TiO 2 薄膜，平均粒徑為 100nm，薄膜表面由150nm ～ 200nm 的顆粒構成，薄膜的厚度約 7μm。研究發現，較低的水解溫度和適當短的沉積時間有利于提高薄膜的耐腐蝕性能。

    6.2溶膠凝膠涂層

 

    近年來，關于溶膠凝膠方法制備有機—無機雜化材料以及無機復合材料的研究非常活躍，溶膠凝膠涂層能夠提高金屬的耐蝕性，但是在鎂合金表面直接涂覆卻很難實現，原因是鎂合金與溶膠中的某些成分發生反應，導致結合性變差。提高膜層結合力的方法有 3 種：有機—無機雜化，無機復合薄膜，以及多層復合膜。Khramov 等用含磷酸酯基團的硅氧烷對硅溶膠進行改性，在 AZ31B鎂合金上制得有機—無機雜化膜，膜層中的成分能與鎂合金基體發生化學反應，生成 P-O-Mg 鍵，使膜層的結合力和耐蝕性都得到較大地提高。Phani 等利用溶膠凝膠技術在鎂合金上制備了SiO 2 -Al 2 O 3 -CeO 2 復合膜層，納米復合物 Al 2 O 3 -CeO 2 彌散在 SiO 2 基體中，分別經 180℃、140℃退火處理，硬度和彈性模量分別達 4.5GPa、98GPa，鹽霧耐蝕性試驗達 96h。研究認為，CeO 2 提高了膜層的耐蝕性，Al 2 O 3 提高了結合力和耐磨損性。

    將陽極氧化與溶膠凝膠方法聯合使用，利用陽極氧化膜多孔的特點能大大提高溶膠凝膠膜層的結合力。Tan 等在 AZ91D 鎂合金陽極氧化后將制備的溶膠噴涂到合金表面，經多次噴涂后膜層厚度可達 57μm，自腐蝕電位提高到 -0.8V。

    7、氣相沉積

 

    7.1物理氣相沉積（PVD）

 

    物理氣相沉積是把固（液）體鍍料通過高溫蒸發、濺射、電子束、等離子體、離子束、激光束、電弧等能量形式產生氣體原子、分子、離子（氣態等離子態）進行輸運，在固態表面上沉積凝聚和生成固態薄膜的過程。PVD 沉積速度較快、無污染，缺點是膜層的結合力和均勻性較差，所以在沉積前后必須加以適當的處理，Ti 離子注入是一種有效的表面改性方法。

    根據不同的防護要求采用 PVD 工藝在鎂合金表面沉積金屬氮化物膜研究的較多，最初是為了滿足鎂合金的強度和耐磨性，目前重視作為防護性膜層的應用。Wu 等采用多靶磁控濺射技術在AZ31 鎂合金上沉積陶瓷 / 金屬雙涂層，制備的 Al 2 O 3 /Al 膜層大大提高合金的耐蝕性，Al 2 O 3 /Ti 膜層提高了合金表面的機械性能。Hikmet 等通過直流電磁濺射PVD 方法在 AZ91 鎂合金上沉積了多層AlN和AlN/TiN膜，其中前者耐蝕性較好。

    7 . 2 等 離 子 體 增 強 化 學 氣 相 沉 積（PECVD）

 

    PECVD 是依靠冷等離子體中電子的動能去激活氣相的化學反應，具有沉積溫度低和沉積速率高等優點，特別適用于鎂合金。Voulgaris 等采用射頻（RF）PECVD 從四乙基原硅酸鹽（TEOS）中在鎂合金表面沉積 SiOxCyHz 薄膜，膜層覆蓋率好、光滑和耐蝕性有所提高。利用 PECVD 制備類金剛石 （DLC） 膜，可顯著提高鎂合金的硬度和耐磨性，有效降低摩擦系數，并能改善耐腐蝕性能。

    8、噴涂

 

    8.1熱噴涂熱噴涂技術

 

    采用氣（液）體燃料或電弧、等離子弧、激光等作熱源，將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態，高速氣流使其霧化，然后噴射沉積，從而形成附著牢固的涂層。近年來熱噴涂技術在鎂合金表面修飾中有較好的應用前景，是一種較好的長效保護方法，但是噴涂過程中會引起鎂基體的強烈氧化。Chiu 等在 AZ31鎂合金表面電弧噴涂鋁，形成的 Al 涂層再經熱處理和陽極氧化又生成了一層Al 2 O 3 ，大大提高了耐蝕性。利用超音速火焰噴涂（HVOF）技術在鎂合金上沉積致密的 WC-12Co 涂層，WC-Co 高的動能會產生自粗糙效應，跟基體有良好的結合力，但未經密封處理的 WC-Co 涂層不能對基體起到防護作用，反而會加速腐蝕，如果預先噴涂一層 Al，雙涂層結構就會大大提高鎂合金的耐蝕性。另外，在噴涂 WC-Co 后再用有機涂料密封也是一種有效的防腐蝕方法。

    8.2冷噴涂冷噴技術

 

    冷噴涂冷噴技術近年來出現的新型噴涂工藝，它是利用電能把高壓氣流（N 2或 He 等保護性氣體）加熱到一定的溫度，該氣流再經拉瓦爾管加速產生超音速的束流，用該束流加速粉末粒子，以超音速撞擊到基體的表面，通過固體的塑性變形形成涂層。冷噴涂層是形變組織，經特殊條件下的處理后，可得到納米結構的組織。對鎂合金表面進行冷噴涂，可以防止噴涂過程中鎂合金表面的氧化。國內學者首次研究了在 AK63 鎂合金表面冷噴涂快凝 Zn-Al 合金粉末，得到致密的涂層，噴涂層與基體結合界面無燒結、熔化現象，涂層與鎂合金基體結合力強，并且大大提高了鎂合金的硬度。

    9、激光熔覆合金涂層

 

    國內外一些學者研究鎂合金激光熔覆材料和性能表明，激光熔覆可以細化鎂合金的表面組織，改變鎂合金的結構，是提高鎂合金表面性能的有效方法，具有良好的前景。Yue 等在純 Mg 基體上激光熔覆 1.5mm 厚的 Zr 65 Al 7.5 Ni 10 Cu 17.5無定形合金。研究表明，熔覆合金層顯微硬度提高到 HV550 ～ 600，熔覆層腐蝕電位比標準試樣電位高 1120mV。Gao等采用寬頻激光熔覆技術在 AZ91HP 鎂合金表面制備了 Al-Si 合金，熔覆層中含有 Mg 2 Si，β-Mg 17 Al 12 和 Mg 2 Al 3 金屬化合物和 α-Mg。研究發現，顯微硬度增加了 340%，耐磨性提高了 90%，并且由于晶粒細化和 Mg 金屬互化物的重新分布，熔覆層耐腐蝕性能大大提高。

    10、結語

 

    作為一種新型的結構材料，鎂合金將會獲得越來越廣泛的應用，而其相應的表面處理方法也將得到迅速發展。鎂合金的鉻化處理污染環境且生產中危害人體健康，許多研究者正在尋求新的方法來代替現有的處理工藝，磷化處理是鎂合金無鉻處理中較有發展前途的方法，有取代鉻化處理的趨勢。微弧氧化處理技術具有工藝簡單、材料適應性寬等特點，所得膜層均勻、質硬，將是鎂合金陽極氧化的一個發展方向。有機涂層可以起到長期的保護作用，但是涂層與基體的結合不太緊密，這也是制約其發展的一個重要因素，開發新型的涂層材料和涂覆工藝是提高有機涂層使用性能的良好途徑。因此，加強鎂合金表面處理技術的發展、深入研究保護膜形成的機理、進一步改善表面防護膜的性能以提高鎂合金的耐蝕性，對推進鎂合金材料的應用具有十分重要的現實意義和經濟效益。

 

    （資料來源：知網）

 

7 Al-Mg-Si系鋁合金汽車車身板的研究進展

 

    近年來，隨著汽車工業的不斷發展和汽車產量的持續增加，導致能源、環境和安全三大問題日益突出，能源匱乏和環境污染已成為限制汽車產業可持續發展的瓶頸。通常情況下，汽車自身車重消耗約 70% 的燃油，而汽車車身約占汽車總重量的 30%，汽車車重每減少10%，可節約燃油 6% ～ 8%，減少排放 4%。減輕車身重量，以降低能耗、減少排放及提高效率已成為汽車企業提高競爭力的重要目標。

    鋁合金具有密度低、抗沖擊性好及可再生利用的特點，通過微合金化及熱處理等方法得到強化的鋁合金，其比強度超過很多合金鋼，替代傳統鋼板時可減輕重量達到 50% 以上。為提高汽車的鋁合金化率，加快發展鋁合金板材在汽車行業中的應用規模及帶動汽車工業的節能減排，鋁合金材料在汽車中的應用已成為一種發展趨勢。

 

    1、性能特點及應用現狀

 

    鋁合金汽車車身板的厚度一般要求為 0.8 ～ 1.6mm，其同時還應具有良好的板材成形性能、低的屈強比和高的成形極限、一定的抗時效穩定性，以及良好的烘烤硬化性、翻邊延性和表面處理及涂裝性能等。

    鋁合金汽車車身板的開發一直是國內外研究的重點，主要研究集中在 Al-Cu-Mg 系 （2 系 ）、Al-Mg 系 （5 系 ） 和Al-Mg-Si 系 （6 系 ） 三個系列。2 系鋁合金是可熱處理強化合金，強化相主要有 CuAl 2 和 CuMgAl 2 兩相。該系鋁合金具有良好的成形性和較高的強度，但耐蝕性和烘烤硬化能力差，主要應用于汽車內板。5 系鋁合金是非熱處理強化合金，鎂起固溶強化作用。該系鋁合金成形性和耐蝕性均比較好，但是沖壓后容易引起板材表面起皺，且延展性和彎曲能力不強，多應用于汽車內板。6 系鋁合金是可熱處理強化合金，主要強化相為 Mg 2 Si.Mg 2 Si 相平衡時 Mg 和 Si 的質量比為 1.73，w（Mg 2 Si） 每增加 0.1%，合金的抗拉強度 σb 增加 5MPa，初生w（Si） 每增加 0.1%，σb 增加 10 ～ 15MPa，延伸率下降 0.25%。該系鋁合金具有成形性好、耐蝕性強、強度高及耐高溫性能好等優點，可通過微合金化來細化晶粒，改變再結晶狀態，同時改進鑄造、軋制及熱處理等工藝，可使合金獲得良好的綜合性能。常見 6 系鋁合金車身板的牌號和成分及力學性能分別列于表 1 和表 2。

 

    二十世紀 80 年代 Audi 公司開始研究鋁合金車身，并于 1995 年推出第一代全鋁合金汽車 Audi A8，車重減輕了46.8%，剛度提高了 14%。目前國際市場上，奔馳 CLA、雪佛蘭 Corvette、特斯拉 Model S 及法拉利 488spider 等車部分或全部采用鋁合金車身。車身板材使用的 6 系鋁合金主要有 6009，6010，6016，6111 和 6022 等合金，美國主要采用含 Cu 量高的 6111 鋁合金，而歐洲廣泛采用含 Cu 量低的 6016 鋁合金。美國 Duke Energy 公司預測，雖然 2013 年北美生產的全鋁車身汽車量還不到1%，但到 2025 年全鋁車身可占汽車生產總量的 18%，北美 75% 以上皮卡車將是全鋁車身，未來 10 年內 Ford，GM 和FIAT 將是汽車產業用鋁量最多的幾大汽車公司。據美國 Alcoa 公司預計，2012至 2025 年期間全球車用鋁板銷量將保持 14% 左右的年復合增速。因此，鋁合金在汽車板材上的應用具有巨大的潛力和發展前景。

    國內鋁合金車身板的研究起步較晚，且研發的鋁材質量與國外差距較大，但國內鋁加工企業一直致力于鋁合金板材在汽車上應用的研究及開發工作。目前一汽奔騰、長安 CV11、吉利 NL-1 和奇瑞 A5 等車型，已經使用鋁合金覆蓋件。國內汽車車身外板主要采用 6016，6022，6111 和 6181 鋁合金，內板采用5754，5182 和 5052 鋁合金。近年國內的汽車業發展非常迅速，預計 2020 年以后年產銷量將達到4000萬輛的規模，其中 5% 采用鋁合金車身，鋁合金車身板的年需求量將超過 20wt，因此中國鋁合金車身板的需求量是非常可觀的。

 

    2、合金化對組織和時效的影響

 

    合金的主要組成元素 Mg，Si 和 Cu影響著鋁合金中的析出相和時效動力學，以及提高合金烤漆硬化性和加速時效。Mn，Cr，Ti 和 Zr 等過渡族元素主要改變織構組態和再結晶過程，進而影響鋁合金成形性能。Sc，Ce 和 Er 等稀土元素的加入能夠抑制再結晶晶粒長大，細化晶粒及晶間析出物，加速時效過程。Fe 屬于雜質元素，過量時易形成粗大的硬脆性富鐵相，主要有長條 狀 β-Al 5 FeSi相 和 漢 字 狀α-Al 8 Fe 2 Si 相，不利于加工變形。

    2.1主要組成相元素的影響

 

    Mg 2 Si 相 是6 系鋁合金的主要強化相，其析出序列一般為：α 過飽和固溶體→ G.P. 區→ β″相→ β′相→ β相，其中 β″相強化效果最好，β′相次之。鋁合金中Mg 和 Si 的固溶度隨彼此含量的增加而降低，有利于 Mg 2 Si 相的形成。過剩 Si時，能夠改變相的析出序列，且降低β″相和 Si 析出物的析出溫度；高過剩 Si時，主要由 Mg 含量控制 β″和 β′兩相析出行為。Si 含量的增加會降低合金的拉伸性能及彎曲性能，Mg 能顯著提高合金的強度，但不利于成形性能。楊銀通過調整 6061 鋁合金中 Si 元素的含量，得出 Mg/Si 約為 1.73 時，鑄態組織分布均勻，只有少量的 Mg2Si 相及粗大針狀 AlFeSi 相富集于晶界處。高過剩Si 或 Mg 會影響組織的均勻性及析出相的種類、尺寸和分布。同樣保持 Mg 和Si 總含量定值的條件下，Hao Zhong 設計了三組不同 Mg 和 Si 含量的合金及三組對照添加 Cu 元素的合金，研究表明降低 Mg/Si 和添加 0.3% 的 Cu 均可顯著提高合金的韌性及成形性能，且對烤漆硬化效果有影響。

 

    在 6 系鋁合金中添加 Cu 元素后可能出現 Q 相、β 相、單晶 Si 和 θ 相等平衡相。Cu 可以降低前驅相 Q′和平衡相 Q 的激活能而改變析出序列，同時β″相的密度會增加且更容易形核，所以 Cu 主要提高 β″相的析出動力學，改善烤漆硬化性能，但是合金的耐蝕性、焊接性和塑性會降低。劉亞妮制備了 Cu含量分別為 0，0.15% 和 0.8% 的三種Al-Mg-Si 合金，并在 180℃下進行人工時效和兩周自然時效后再 180℃人工時效的兩種熱處理工藝。當合金中 Cu 添加量為0.15%時峰值時效出現β″相，合金中 Cu 添加量為 0.8% 時峰值時效存在 β″和 Q″兩種析出相，表明 Cu元素的添加可以抑制自然時效對人工時效峰值硬度的不利影響；對比兩種工藝處理發現，人工時效峰值中針狀析出相的數量及密度均比自然時效后再人工時效要大。Al-Mg-Si-Cu 系合金中 Mg/Si 大小會影響自然時效形成的 G.P 區，圖 1 為獲得的峰值時效時主要硬化相的 HRTEM 照片及 FFT 衍射花樣。當 Mg/Si 較大時，少量的 G.P. 區誘導板條狀Q″ /L 析出物優先長大，對時效峰值硬度有負面影響；當 Mg/Si 較小時，大量的 G.P. 區誘導針狀 β″相同步增長，從而限制了 Q″ /L 析出物優先長大。

    2.2過渡族元素的影響

 

    6 系鋁合金中添加微量 Mn，Cr，Ti，Zr，Zn 或 V 等過渡族元素會析出彌散相。彌散相釘扎晶界會阻礙其遷移，抑制再結晶晶粒長大，從而細化晶粒；還可作為強化相的形核核心，加速時效的析出過程；另外，彌散相能夠促進均勻滑移，提高合金的強度、塑性及彎曲等力學性能。Mn 元素能促進 AlFeSi 由長條狀 β 相轉化為球狀 α 相，同時彌散相 Al 6 Mn 還具有細化晶粒的作用，從而提高合金的強韌性和耐腐蝕性。微量的 Cr 可抑制 Mg 2 Si 相在晶界析出以延緩自然時效，并形成細小的 Al 12 Mg 2 Cr 相，阻礙再結晶晶粒長大。Ti 和 Zr 均是有效的晶粒細化劑，有研究表明加入0.2%的 Zr 元素能明顯改善合金的成形性能。亞穩相 Al 3 V 能細化軋制纖維結構，抑制再結晶的晶粒長大。

    劉星興采用復合添加過渡族元素的方法，探究微合金化對 6016 鋁合金組織及性能的影響。結果顯示添加適量的Mn，Cr，Zr 和 Sr 元素均可細化晶粒，產生彌散相并改變第二相的類型和分布。復合添加 Mn，Cr 和 Zr 不改變 β″相激活能，主要起彌散強化作用；復合添加 Mn，Cr 和 Sr 會降低 β″相激活能使得 β″相均勻析出，并促進富鐵相的轉變。圖 2 為 6016 合金板淬火態及人工時效態的力學性能，其中 1# 為對照組、2# 為 Mn 和 Cr 組、3# 為 Mn，Cr和 Zr 組、4# 為 Sr 組、5# 為 Mn、Cr和 Sr 組。實驗結果表明，Mn，Cr 和 Zr均有利于合金強度的提高，Sr 的添加能夠改善Mn和Cr 對合金塑性的不利影響。Yi Meng 發現，添加微量 V 元素后 Al-Mg-Si-Cu 合金的鑄態組織呈等軸晶，并析出 Al3V 彌散相。Al3V 彌散相能夠減小后續熱擠壓和熱處理過程中再結晶晶粒的大小，從而提高合金的成形性能。

 

    2.3稀土元素

 

    在 6 系合金中稀土元素主要起到固溶強化、細晶強化和第二相強化的作用。添加適量的稀土元素能改善鑄態組織、細化晶粒及晶間析出物，加速時效析出，提高合金強度及熱塑性，降低變形抗力。Sc 是鋁合金微合金化最有效的元素，共格且細小的 Al 3 Sc 彌散相能抑制動態再結晶，阻礙位錯運動，提高合金再結晶溫度及組織的穩定性。與單獨添加 0.2% 的 Sc 相比，復合添加 0.1%的 Nd 和 0.1% 的 Sc 的合金具有更細小的鑄態晶粒，其屈服強度和抗拉強度均比單獨添加 Sc 的板材提高約 20MPa。Er 與 Sc 有類似的積極作用，可以代替Sc.Al3Er彌散相能夠釘扎位錯和亞晶界，提高再結晶溫度，抑制再結晶晶粒長大。有研究表明，當 Er 添加量小于 0.4% 時合金的硬度隨 Er 含量的增加而增加，超過 0.6% 時合金的硬度降低。Ce 能抑制再結晶晶粒長大，影響再結晶晶粒尺寸。關紹康在 Al-Mg-Si 汽車板材中添加 Ti和 Ce 元素后發現，Ti 分布于晶界且抑制 α（Al） 晶粒生長，有效地細化組織，提高合金的成形性能；Ce 元素的加入提高了 β″相的激活能，降低了 β′相的激活能，促進了 β′相的形成，從而降低了板材的抗拉強度，使屈強比增大，對合金的成形性能不利。

 

    3、軋制工藝參數的影響

 

    軋制溫度、變形速度及軋制壓下量等軋制工藝參數，對鋁合金汽車板的顯微組織和力學性能有顯著地影響。F.Rajabi 采用正交設計法，對 6061 鋁合金的軋制溫度和變形速率進行了探索 （ 圖 3）。結果表明：250℃軋制溫度時發生動態回復，不發生動態再結晶；350℃軋制溫度時產生明顯的一次再結晶晶粒；450℃軋制溫度時動態再結晶晶粒數量增多，而且產生新的沉淀相。軋制溫度在 250 ～ 450℃范圍時，合金室溫強度和延展性隨軋制溫度的升高而增加；一定的軋制溫度下，屈服強度隨應變速率的增加而降低。

    李郝亮通過優化工藝參數獲得了一種綜合性能較好的 Al-Mg-Si-Cu 合金，并在軋制溫度為 430℃的條件下分別進行了 13%，33% 和 47% 的單道次壓下量軋制實驗。隨著單道次加工量的增加，組織越來越細小，力學性能得到明顯地改善。單道次加工量為 47%時，板材的力學性能最好，抗拉強度為398.4MPa，延伸率為 20%，布氏硬度為112。單道次加工量越大，合金耐鹽水腐蝕性越好；均勻化退火大大地降低了合金的耐腐蝕性，軋制態腐蝕性能比鑄態稍差，但遠遠優于均勻化退火態。

 

 

    4、熱處理工藝的影響

 

    6 系鋁合金熱處理工藝主要為固溶時效處理，固溶處理是熱處理的重要環節，時效處理是熱處理的關鍵步驟。

    固溶處理是使合金元素充分固溶于基體從而獲得過飽和固溶體，并在后續時效過程中以析出強化相的方式來提高合金強度。張國鵬在固溶溫度520 ～ 580℃、保溫 40min 及過燒敏感溫度 620℃條件下，優化出 Al-0.4Mg-0.45Si-1.0Cu 合金。經過 520℃ /40min固溶處理后合金中仍存在部分較粗大的 粒 狀 α-Al15（FeMn）3Si2 相、 針 狀β-Al9FeSi 相 和 部 分 殘 余 Mg2Si 相；經過 T6 熱處理 （165℃ /10h） 后合金的抗拉強度達到 330 MPa，屈服強度達到243MPa，延伸率為 17%。如圖 4 所示，隨著固溶溫度的增加及保溫時間的延長，顯微硬度變化呈先增加后降低的總體趨勢，但固溶溫度為 600℃時發生嚴重軟化現象。

    時效處理可分為自然時效、人工時效和預時效。自然時效使人工時效后合金的強度和硬度下降，而預時效則能減輕自然時效的有害作用。近年來，很多研究人員通過三維原子探針 （3DAP） 和高分辨率透射電子顯微鏡 （HRTEM） 等方法研究分析 6 系鋁合金時效早期的析出相和自然時效的團簇。一般認為，低于50℃時形成具有高溫穩定性的小尺寸 I型 Mg-Si 團簇，β″相激活能較高，不利于 β″相形核，烤漆硬化效果不佳；80~100℃左右形成大尺寸的Ⅱ型 Mg-Si團簇，極大的降低 β″相激活能，烤漆后形成均勻細小的 β″相，烤漆硬化效果較好；120 ～ 150℃附近形成 G.P. 區，對烤漆前的沖壓成形性有不利影響。

    目前，預時效處理是有效降低合金自然時效和提高烤漆硬化速率的方法。中南大學的許可勤針對自然時效和預時效對合金力學性能的影響進行了研究發現 : 自然時效主要形成 G.P. 區，人工時效主要形成 Mg 2 Si 強化相；人工時效后合金的強度和硬度增加，但人工時效后的硬度隨淬火后室溫停放時間的延長而降低；合理的預時效工藝可以有效減輕自然時效對人工時效的不利影響。東北大學的劉宏通過 DSC 和 TEM 等方法，對自然時效及預時效的幾種 6000 系合金人工時效析出行為分析發現 :170℃人工時效初期，T4 態合金中 G.P. 區的溶解推遲了 β″相的析出，主要形成β″相的形核核心，導致時效硬化性下降；而 T4P 態合金 β″核心連續長大成為 β″相，導致時效硬化性增強。延長預時效時間，人工時效硬化效果更好。增大過剩 Si 合金的 Mg/Si 比值，有利于β″核心的析出，提高人工時效硬化性。 Lipeng Ding 等人對四種不同 Mg/Si 和 Cu含量的 Al-Mg-Si-Cu 合金淬火后立即進行 180℃人工時效處理發現，不同元素含量的 Al-Mg-Si-Cu 合金的硬度隨時效時間的變化趨勢相同，人工時效 2 ～ 3h后顯微硬度急劇增加到最大值，隨后的過時效階段顯微硬度逐漸減小 （ 圖 5）。

 

    5、結語

 

    鋁合金車身板的研發應以滿足板材的成形性為首要依據，通過確定 Mg，Si，Cu，Fe，Mn，Ti 和 Zn 等元素的合金成分，優化軋制工藝參數并改善熱處理工藝，合理調配抗時效穩定性、成形性、烘烤硬化性和抗凹痕性等相互聯系又相互矛盾的性能，使得同時滿足鋁合金車身板的力學性能及工藝性能要求。國外汽車車身板用鋁合金板材替代鋼板材料已獲得部分應用，如美國研制的6009 和 6010 鋁合金汽車車身板塑性良好，成形后噴漆烘烤過程中實現人工時效，獲得更高的強度，可用作汽車車身板的外板和內板。國內在合金成分、軋制工藝和熱處理制度上對 6 系鋁合金汽車車身板材雖做了很多基礎研究工作，但研制的板材成形性能仍比不上低碳鋼板材，強度偏低且變形抗力不強。我國鋁合金車身板的開發與應用已得到國家的重視和大力支持，開發高性能鋁合金車身板，對于解決依賴進口的難題及提高我國汽車工業鋁材使用的整體水平具有重要意義。

 

    （ 資料來源：知網 ）

 

8 汽車用高強鋼及超高強鋼的研發進展

    在汽車輕量化的同時，提高安全性成為汽車工業發展的必然趨勢。高強度鋼和先進高強度鋼是既能保證汽車輕量化，又能提升和保證汽車安全性的性價比高的現代汽車制造材料。為此，國內外的研究機構以及鋼鐵企業加大了高強以及超高強汽車用鋼的研究與開發。本文針對目前研究較多的 Q?P 鋼、中錳鋼、超級貝氏體鋼、δ-TRIP 鋼以及熱沖壓成形鋼的最新研發進展進行介紹。

    隨著汽車產量和保有量的不斷增加，在給人們出行帶來方便和拉動經濟增長的同時，也產生了環境污染等問題。汽車輕量化是降低汽車油耗和排放最直接和最有效的手段。實驗和研究表明，乘用車自重每下降 10%，其油耗和排放都會降低 6%-8%。對新能源汽車，由于電池的增重和電池功率比的限制，其輕量化更為重要。為滿足各國政府不斷出臺的日益嚴格的安全法規，在汽車輕量化的同時，提高安全性成為汽車工業發展的必然趨勢。高強度鋼（HSS）和先進高強度鋼（AHSS）是既能保證汽車輕量化，又能提升和保證汽車安全性的性價比高的現代汽車制造材料，是其他材料難以替代的材料。國際鋼協“世界汽車用鋼聯盟”項目未來鋼制汽車 FSV計劃的研究結果表明，在不增加生產成本的前提下，通過大量使用先進高強鋼（97% 的應用比例）和先進制造技術，可以在滿足碰撞安全要求的同時，較標桿車實現 35% 的白車身減重。FSV 項目體現了鋼鐵產品持續不斷的輕量化潛力。鋼鐵材料占汽車重量的 70%-80%，開發高強度鋼板，提高高強鋼應用比例，可以有效減輕車身重量。

    近年來，為滿足汽車輕量化發展的需求以及汽車板的各種性能要求，高強度鋼和先進高強度鋼近年來發展很快。目前第一代先進高強度鋼已在汽車上廣泛應用，并對汽車輕量化發揮了非常重要的作用。但第一代先進高強度鋼的強度、塑性與強塑積等還不能滿足汽車安全性與能源節約的要求。而第二代先進高強鋼由于合金元素含量高，其生產成本高，而且其工藝性能與使用性能差，未能批量應用。為此，針對第一代先進高強度鋼塑性低與第二代先進高強度鋼成本高、工藝性能較差，國內外對第三代先進高強度鋼開展了大量的研究與開發。下面對目前研究較多的幾種典型鋼種進行闡述。

    1、Q·P 鋼

 

    近幾年，研究者提出了一種新工藝——淬火 - 配分（Q · P），淬火 - 配分工藝是在帶鋼發生部分馬氏體相變后將其進行等溫配分處理，使得碳元素從馬氏體中擴散到未轉變的奧氏體中，從而提高奧氏體的穩定性。雖然馬氏體鋼淬火后通過回火可以得到較高的強度和相對好的韌性，但因其塑性較低制約了馬氏體鋼的廣泛應用。為此，在無碳化物貝氏體鋼的研究基礎上提出馬氏體鋼淬火（碳）配分的熱處理工藝（圖 1），即將鋼在奧氏體化溫度（TA）淬火到Ms-Mf 之間的某一溫度（TQ），再在此溫度或高于此溫度（TP）保溫，使碳從馬氏體向未轉變的奧氏體中擴散并使之穩定化，最后淬火到室溫，得到由馬氏體和殘余奧氏體組成的、具有高強度和較好塑韌性的組織。在該熱處理工藝中，當 Tp=TQ 時，為一步法 Q · P 工藝；當Tp>TQ 時，為兩步法 Q · P 工藝。該工藝通過加入 Si 或 Al、P 元素來抑制碳化物的析出，以保證碳的再配分。Q · P 鋼的顯微組織主要是由馬氏體基體和殘余奧氏體雙相復合而成。對于含碳量較低的鋼，經 Q · P 處理后其顯微組織為典型的板條馬氏體和馬氏體條間的薄膜狀殘余奧氏體組成。Q · P 鋼屬于第三代先進高強度鋼，可以達到的力學性能范圍為抗拉強度 800-1500MPa，伸長率 15%-40%。Q · P 鋼具有高強度與高塑性匹配，具有良好的應用前景。

 

    2010 年，寶鋼全球首次實現第三代先進高強鋼 980MPa Q · P 鋼（淬火延性鋼）的工業化生產，并于 2012 年在一汽轎車實現了批量供貨。而且，2013 年寶鋼全球首次成功開發熱鍍鋅 980MPaQ · P 鋼。2015 年， 寶 鋼 第 一 卷 Q · P1180GA 鋼成功下線，實現全球首發。Q · P1180GA 鋼板在達到 1200MPa 的超高強度的同時，具有 15% 以上的高延展率，更是首次實現了 980MPa 強度以上級別高強鋼的鋅層合金化，具有更好的焊接性能、涂著性能、耐熱性和耐腐蝕性，既能滿足不同汽車用戶的用材需求，也為實現汽車行業的輕量化發展和車輛全生命周期的節能減排提供了有力支撐。目前，寶鋼正在加緊研發 1300MPa 級冷軋和 1300MPa 級熱鍍鋅 Q · P 鋼。此外，鞍鋼在傳統產線（非高強鋼專用生產線）上實現了 980MPa 級 Q · P 鋼的工業化生產，并成功沖壓出 B 柱加強板等零部件。

    近年來，在 Q · P 工藝的基礎上，提 出 了 一 種 淬 火 - 碳 分 配 - 回 火（Quenching-Pa r t i t i oni ng-Temper ing，Q-P-T）的新型熱處理工藝，該工藝的實質是在回火過程中析出 Nb、V、Ti 等碳化物來進一步提高鋼的強度。寶鋼所研究的中碳 Q-P-T 鋼的抗拉強度超過2000MPa，其伸長率超過 10%。

    2、中錳鋼

 

    無論是第一代汽車鋼中的 DP 鋼和TRIP 鋼，還是第三代汽車鋼中的 Q · P 鋼，都有一個共同的特點，那就是通過碳的配分，實現奧氏體富碳，從而穩定奧氏體。依靠碳的配分，需要鋼中含有較高的碳含量才能獲得大量的亞穩奧氏體，所以普通的 TRIP 鋼和 Q · P 鋼中的奧氏體含量一般不會大于 15%，無法將亞穩相的含量調控到較高的水平。而將鋼中的碳含量調高到 0.4% 以上的水平又會顯著惡化鋼的焊接性能。所以，僅僅依靠碳配分來進行亞穩相調控存在很大的局限性。由此得到啟示，研發高強高塑汽車鋼必須走復合配分與亞穩控制的思路。為此，提出了利用逆相變原理，通過碳錳復合配分控制亞穩奧氏體含量的中錳鋼研發思路。該研發思路是通過中錳合金化，利用 C 和 Mn 在逆相變過程中的復合配分到奧氏體中，形成 BCC 與FCC 的復合組織，其中基體與奧氏體均是亞微米的晶粒尺寸，奧氏體的含量為20%-40%。目前，浦項科技大學、科羅拉多大學和中國的鋼鐵研究總院，寶鋼、華中科技大學、北京科技大學等均對以中錳鋼為代表的第三代汽車用鋼的成分、組織、性能以及生產工藝進行了深入的理論和實驗分析，并取得了一定的研究成果。實驗研究的中錳鋼的成分設計為 C的質量分數為 0.1%-0.6%，Mn 的質量分數為 4%-12%。為提高逆相變退火時殘余奧氏體的穩定性，部分學者在中錳鋼中加入了 Si、Al，二者的質量分數基本控制在1.5%-3.0%范圍內。此外，少數研究中添加了 Mo 和微合金化元素V，旨在提高晶界強度和細化基體晶粒尺寸。研究發現，在中、低碳范圍內，新型汽車用中錳鋼的強塑積主要取決于鋼中的錳含量，其隨錳含量的增加而顯著增大。而且，制定合理的加工、退火工藝能使中錳鋼中獲得大量穩定的殘余奧氏體。目前已報道的中錳鋼的實驗流程為：澆鑄 - 均勻化 - 鍛造 - 逆相變退火和澆鑄 - 均勻化 - 鍛造 - 均勻化 -熱軋 - 冷軋 - 逆相變退火。對于 Fe-0.2C-（5-7）Mn 鋼，其均勻化溫度一般控制在 1250℃左右，保溫時間一般2h，目的是緩解 Mn、C 元素的宏觀偏析，提高組織和成分的均勻性。中錳鋼的熱鍛溫度一般控制在 1200-850℃之間，鍛后的試樣在 750℃保溫 30min 進行奧氏體均勻化處理，然后淬火。逆相變退火控制在兩相區，退火時間為 1min-12h 不等，最后空冷獲得以亞穩態的奧氏體和鐵素體為主的雙相組織。鋼中錳的質量分數處于中、低范圍（4%-8%）時，逆相變處理后基體中殘余奧氏體的體積分數一般小于 50%，且由于其堆垛層錯能較低，使其在形變時不足以形成TWIP 效應，塑性變形機制以 TRIP 為主。目前研究的中錳鋼的熱軋初軋溫度一般控制在 1150-1125℃，終軋溫度控制在 800-930℃。這就意味著中錳鋼熱軋控溫制度與常見鋼種差異不大，即可采用常規熱軋機對其進行熱加工。逆相變退火處理是新型中錳鋼的必備工藝，其退火溫度在 575-800℃之間，退火時間1min-168h 不等。采用不同成分中錳鋼軋制—退火后對比發現，不同工藝處理后中錳鋼的強度、塑性差異很大，強塑積在 20-60GPa?% 范圍內。值得注意的是，當鋼中錳的質量分數較高時（8%-12%），逆相變退火后殘余奧氏體的體積分數一般超過 50%，而強塑積也在50GPa% 以上。根據已有研究，殘余奧氏體在形變時同時發生 TRIP-TWIP 效應是提高中錳鋼拉伸性能的主要因素。

    值得欣喜的是，2015 年 6 月，寶鋼成功開發出冷軋 CR980MPa 級、熱鍍鋅GI 980MPa 級和熱鍍鋅 GI 1180MPa 級中錳鋼。目前該鋼種已用于“后地板左右連接板”零件的工業試制。由于該鋼種強度在 980MPa 以上的同時，塑性與低強度的先進高強鋼相當，因而適用范圍比一般超高強鋼更為廣泛，其應用前景包括汽車 A 柱、B 柱、防撞梁和門檻加強件等眾多車身結構件。

    3、超級貝氏體鋼

 

    貝氏體鋼是一種具有較高強度和良好韌性的鋼種，一直是鋼鐵材料界的研究重點。經過十幾年的研究，已經開發出低合金貝氏體鋼以及高性能低碳貝氏體鋼。近年來，一種具有良好強韌性能的高強度貝氏體鋼受到鋼鐵界的重視，目前這種新型貝氏體鋼統稱超級貝氏體鋼。超級貝氏體鋼的基本合金元素為 C-Mn-Si，通過 300-500℃低溫相變得到超細貝氏體、馬氏體和殘余奧氏體組織。對于超級貝氏體鋼，為了保證超高強度和良好的強韌性能，以及保證貝氏體的低溫轉變，通常需要添加較多的C、Mn、Si 元素，這些元素一方面可以提高鋼材的強度，降低貝氏體轉變開始溫度 Bs 和馬氏體轉變開始溫度 Ms，另一方面也會影響材料的焊接性能，同時錳含量過高也容易引起成分偏析。高硅是為了抑制碳化物從奧氏體中析出，從而避免在貝氏體鐵素體板條間形成脆性相滲碳體。富碳的奧氏體穩定性很強，在貝氏體相變過程中會以薄膜狀殘余奧氏體的形式分布在貝氏體鐵素體板條之間，從而達到改善鋼材韌性的目的。由于貝氏體形成條件比較苛刻，為了避開高溫先共析鐵素體或珠光體轉變，貝氏體轉變往往需要一個比較大的臨界冷卻速度，冷卻到貝氏體轉變區間等溫發生貝氏體轉變。為了減小臨界冷卻速度，增加貝氏體的淬透性，促進貝氏體相變，其措施是在 C、Mn、Si 元素的基礎上添加一定量的合金元素，如 Ni、Cr、V、Mo等，這些合金元素的添加可以降低C、Mn等元素的含量，改善鋼材的焊接性能，但增加了貝氏體鋼的生產成本。

    清 華 大 學 研 究 了 Fe-0.25C-2.5Mn-1.8Si-0.5Cr 貝氏體和馬氏體復相鋼的組織和性能，所研究鋼種的組織由超細貝氏體、馬氏體以及分布于貝氏體板條間富碳殘余奧氏體組成，鋼的抗拉強度為 1500MPa，伸長率為 13%。加拿大 McMaster 大學與安賽樂米塔爾公司合作研發了一種不含其他合金元素的C-Mn-Si 超級貝氏體鋼。在沒有加入Cr 和 Mo 等合金元素的情況下，采用熱處理的方法，在 300℃下轉變 90min，可獲得屈服強度 1165MPa、抗拉強度1715MPa、伸長率達 14% 的力學性能。獲得的貝氏體板條的寬度約為 300nm。英國劍橋大學和西班牙國家冶金研究中心在以前的研究基礎上一起合作，以增加 Mn 含量、改變 Cr 的含量、減少 Ni 的使用為指導思想，設計了新型低 Ni 貝氏體鋼，Mn和Cr可以增加奧氏體穩定性、降低貝氏體相變開始溫度（Bs），Mo 可防止脆化相生成。這種貝氏體鋼經過加速冷卻后再空冷即可獲得貝氏體組織，獲得的貝氏體板條寬度約為 300nm，得到的超級貝氏體鋼屈服強度約為1200MPa，抗拉強度約為 1600MPa。此外，對于納米級的條狀貝氏體鐵素體和殘余奧氏體的混合組織及性能展開了相應研究。結果表明 , 將所設計的 C 含量為 0.8% 左右的合金鋼經 200-300℃等溫處理數小時（最長為 96h）后發現 ,實驗鋼的最高抗拉強度為 2200MPa, 延伸率可達 30%, 組織為板條狀貝氏體鐵素體與殘余奧氏體的混合組織。

    超級貝氏體鋼的幾十到數百納米級的超細貝氏體、馬氏體的組織結構決定了其超高強度，組織中薄膜狀的殘余奧氏體且無脆性相滲碳體使其同時具有良好的韌性。但貝氏體轉變時間長達數天乃至十幾天這一缺點限制了其在工業生產上的應用。為了加快貝氏體低溫轉變時間，開發了含 Co 和 Al 的超級貝氏體鋼，添加 Co 和 Al 可以縮短貝氏體轉變時間，但低溫貝氏體轉變時間仍然長達十幾小時。因此，如何縮短低溫貝氏體轉變時間是今后的一個主要研究方向。目前縮短轉變時間有兩種方法，一是添加貴重的合金元素，如 Co 等貝氏體相變促進元素等，這將增加生產成本。另外一種方法是通過變形促進貝氏體低溫轉變。奧氏體形變對貝氏體相變動力學的影響是個復雜的課題，這也是今后的一個重要研究內容。

    4、δ-TRIP 鋼

 

    研 究 人 員 設 計 了 一 種 Fe-0.4C-0.5Si-2.0Mn-2.0Al-0.5Cu-0.02P（質量分數）合金，經臨界區退火和貝氏體等溫相變的熱處理后可獲得約含 40%（質量分數）殘余奧氏體的 TRIP 鋼。設計的此種合金成分在平衡相圖中，在任意溫度下都不能獲得100%奧氏體組織，即 δ 鐵素體在凝固之后的整個固態相變過程中均不會完全消失。經常規 TRIP鋼熱處理工藝（奧氏體等溫淬火）后，含有大量枝晶 δ 鐵素體的組織轉變為枝晶 δ 鐵素體與貝氏體（鐵素體與殘余奧氏體片層交替組織）。其在鑄態下未經任何軋制細化晶粒的條件下，熱處理后即可獲得較好的力學性能，強度約1000MPa，延伸率約為 22%。該材料的δ 鐵素體取代了傳統 TRIP 鋼中 α 鐵素體，因此被命名為 δ-TRIP 鋼。除較好的力學性能外，δ-TRIP 鋼中只含有少量的 Si 元素，可避免熱軋和鍍鋅時的表面問題，因此認為具有潛在的工業應用可能性。此外，有人研究了高 Al-TRIP鋼（質量分數為 3%-5%Al），其熱軋態和熱處理態下均有大量 δ 鐵素體存在，其熱處理后的顯微組織為α鐵素體、δ 鐵素體、貝氏體（板條鐵素體薄膜狀殘留奧氏體）以及塊狀殘留奧氏體的復合組織。由于 Al 的添加，可降低鋼鐵材料密度 4.5%-8%，從而可以更加有效地實現了輕量化，而且高 Al-TRIP 鋼因其高 Al 含量而能獲得超高延性，且可電阻點焊，因此 δ-TRIP 鋼作為第三代汽車鋼產業化前景較好。目前，寶鋼正在開發 590MPa、780MPa、980MPa 級冷軋和熱鍍鋅 δ-TRIP 鋼。

 

    5、熱沖壓成形鋼

 

    鋼板熱沖壓新技術是一種將特殊的高強度鋼板加熱到奧氏體溫度范圍，快速移動到模具，快速沖壓，在壓機保壓狀態下通過模具（而不是空氣）對零件進行淬火冷卻（并要保證一定的冷卻速度），最后獲得超高強度沖壓件（組織為馬氏體，強度在 1500MPa 左右甚至更高）的新型成形工藝。該技術需要一種特殊的高強鋼，這種鋼初始抗拉強度在400-600MPa 左右，奧氏體化以后通過快速淬火處理，可以得到馬氏體組織，其強度能達到 1500MPa，甚至更高。自2000 年安賽樂米塔爾開發出高強度熱沖壓成形鋼以來，熱沖壓成形技術迅速推廣，熱成形構件產量迅速增長。2013 年全世界已有 159 條熱成形機組，大部分集中在歐洲和北美，而熱沖壓構件產量已達到 4.5 億件。美國福特公司 2010年版福克斯車型中，熱成形構件占白車身重量的 26%。瑞典沃爾沃公司預計熱成形構件在其成型白車身中的飽和極限重量比將達到 45%。德國大眾汽車公司建起了多條熱沖壓成形生產線，在新車型中大量采用熱沖壓構件。我國長春 BENTLER、昆山 GESTAMP、上海BENTLER、上海 COSMA 和上海寶鋼熱沖壓零部件有限公司建有熱沖壓生產線，而且武鋼研究院建有一條熱沖壓成形試驗生產線。預計我國的熱沖壓成形生產線將在近期內得到迅速發展。目前，寶鋼、武鋼、本鋼、華菱正加緊熱沖壓成形鋼的開發。寶鋼已開發出抗拉強度高達 1200MPa 和 1500MPa 的冷軋熱沖壓成形鋼。而且，該公司開發的抗拉強度高達 1500MPa 的鍍層（GI 和 GA）熱沖壓成形鋼已完成大生產試制。目前，該公司正在開發抗拉強度高達 1800MPa 的冷軋、鍍層熱沖壓成形鋼。武鋼開發1300MPa 和 1500MPa 級熱成形鋼，碳含量為 0.20%-0.23%，室溫下組織為鐵素體滲碳體，抗拉強度約為 500MPa，伸長率約為 26%。熱成形后獲得全馬氏體組織，實物零件強度達到 1350MPa 以上，同時可獲得 4.5% 以上的伸長率。安賽樂米塔爾是世界上首家提供帶鋁硅涂層熱沖壓成形鋼 Usibor?1500 的鋼鐵生產商。該產品現在已授權華菱安賽樂米塔爾汽車板有限公司生產。Usibor?1500是一種適用于汽車結構件和安全件制作的熱成形鋼種。與常規冷沖壓件相比，熱沖壓后的最終部件具有非常高的機械強度，能夠降低 30% 至 50% 的重量，而且無回彈。另外，本鋼集團研發出PHS1500 冷軋退火熱沖壓成形鋼，并成功應用在國產某大型汽車品牌高檔轎車上，零件屈服強度達到 1200MPa 以上，抗拉強度達到 1500MPa 以上。超高強度熱沖壓成形鋼是未來汽車用鋼一個發展方向，特別是帶鍍層的熱沖壓成形鋼，未來用量可能會有較大的提升。

 

9 高強度汽車齒輪表面強化技術的研究進展

 

     齒輪是機械裝置中傳遞動力的重要零部件 , 日本機械學會曾對各行業的齒輪傳動失效實例進行過系統調查研究 ,約 74% 的齒輪傳動副失效因齒輪表面疲勞失效而引起 , 這充分說明 , 齒輪的強度和使用壽命與機械裝置優劣緊密相關。近年來 , 隨著現代汽車和新能源汽車、軍用車輛、艦艇、航空航天器、高速鐵路設施等技術的進步發展 , 其動力傳動機構進一步要求齒輪具有高強度化、高速度化、高效率、高壽命、輕量化和小型化 （ 四高一輕小 ） 等特點。這不僅對齒輪的設計提出了新的課題 , 也為開發新材料和創新型材料加工技術帶來新的研發任務。其中表面強化技術是保證齒輪實現四高一輕小的關鍵。目前，我國在高強度齒輪設計與制造技術方面與歐、美、日等國家相比還存在相當差距 , 特別是表現在高檔汽車和機械產品的零部件與國外產品的強度和使用壽命等方面的差距尤為突出 , 制約了我國汽車自動變速器及其他高端機電裝備的發展 , 因此全面提升高端齒輪的高強度化成為勢在必行的重要課題。眾所周知 ,根據研究實踐表明 , 提高齒輪的疲勞強度壽命極限 , 既需要改善優化材料的合金成分、滲碳、碳氮共滲熱處理技術 ,還必須與齒輪的表面強化處理技術的研究開發結合起來 , 即實現綜合的齒輪表面完整性得到更佳的齒輪抗疲勞性能 ,才能實現對高強度齒輪接觸疲勞極限、彎曲疲勞極限、疲勞耐久壽命、最佳摩擦因數的高性能要求。

 

 

    近年來 , 各汽車公司為了開發新的市場都在不斷地提高汽車保證行駛里程，許多國際上著名的汽車公司都已經把保證行駛里程提升至 34 萬公里以上。為了達到這個性能指標 , 美國、日本、歐洲等汽車公司都提出了更嚴格的市場規范要求 , 加大了對提高齒輪疲勞強度壽命的研究力度 , 并從多要素綜合指標的角度深入開展研究開發。這主要包括齒輪合金材料的分析優化、齒輪最優熱處理技術、齒輪表面強化技術 , 如磷酸錳轉化涂層化學處理、齒面復合噴丸、二硫化鉬加微粒噴丸齒面噴涂等齒輪表面強化技術的研究 , 并在轎車自動及手動變速器的應用中取得了良好的實踐效果。

    1、 汽車齒輪材料技術及研究現狀

 

    1.1國內外汽車齒輪材料及齒輪工藝參數

 

    模數是齒輪重要的參數 , 選取汽車齒輪模數通常要考慮強度、噪聲、輕量化及加工工藝等因素。表 1 為乘用車和商用車齒輪常用模數及直徑工藝參數范圍。

 

 

    汽車齒輪在傳遞扭矩和改變速度過程中 , 通常處于高速、高載荷、交變沖擊載荷等工作環境中。汽車齒輪材料不僅需要良好的機械加工性能和熱處理滲碳淬火性能 , 還必須滿足合理的成本需求。為保證齒面和齒頂端淬火深度的穩定性 , 通常選用碳質量分數為 0.2% 左右 , 單獨或復合添加 Ni、Cr、Mn、Mo等合金元素的滲碳合金鋼。日本、德國在汽車高強度齒輪低碳合金鋼材料領域進行了長期的研究開發 , 表 2 為常用汽車齒輪材料的成分組成 , 目前國內外汽車齒輪用鋼主要為 20CrMnTi（ 國內 ）、20MnCrS（ 德系 ）、20CrMoH（ 日系 ）， 表中鋼種 A、B、C 為高疲勞用鋼。

    1.2齒輪失效形式及機理

 

    汽車齒輪處于連續負荷工作的狀態 , 齒輪的嚙合面之間既有滾動 , 又有滑動 , 同時齒根部還受脈沖與交變彎曲應力作用。齒輪通常有 4 種不同破壞形式：①輪齒折斷；②宏觀點蝕與微觀點蝕；③磨損；④齒面膠合。

    上述齒輪的失效多數源自于齒面或齒根的表面 , 由此看出齒輪的表面非常重要 , 齒輪表面完整性是指無損傷或強化后的表面狀態及由其決定的性能，齒輪表面完整性包括表面殘余應力、顯微硬度、表面粗糙度、微觀結構等 , 對于齒輪表面涂層改性還需考慮厚度和結合強度等因素。無論表面化學熱處理 , 還是噴丸形變強化處理 , 均對齒輪的表面完整性的表面粗糙度、形態特征、組織結構、硬度、殘余應力等產生影響 , 而齒輪的表面完整性與其彎曲疲勞抗力及接觸疲勞抗力之間有密切的關系。

    1.2.1齒輪彎曲疲勞破損機理及材料研究

 

    齒輪強度主要是齒輪的彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度。為齒輪的彎曲折斷破損 , 主要原因是齒輪根部受到反復的集中應力作用下產生裂紋并逐步擴大致失效 , 彎曲疲勞裂紋從齒輪表層部的晶界氧化層產生 , 沿著表層下方的奧氏體晶界擴展至硬化層深處 , 進而引起結晶粒界破壞。

    材料表層部的晶界氧化層主要由Si、Mn、Cr 等可提高淬火性能的合金元素組成 , 其晶界邊緣易產生局部不完全淬火領域 , 形成由屈氏體和貝氏體構成的不完全滲碳異常層。

    提高齒輪彎曲疲勞強度通常采用加大齒根 R 角 , 高壓力角設計 , 熱處理采用滲碳淬火或碳氮共滲熱處理及噴丸強化等表面處理技術。例如 , 改善不完全滲碳異常層的方法一般可采用提高淬火速度 , 但要注意避免產生較大的齒面變形；或是采用降低 Si、Mn、Cr 等元素含量的同時增加 Ni,Mo 等利于提高淬火性能的合金元素。

 

    1.2.2 齒面接觸疲勞機理及材料研究

 

    齒面疲勞破損是齒輪對在齒面接觸應力和齒面嚙合相對滑動速度不同時所產生的拉伸應力的反復作用下造成的。破損形式以表面破壞點蝕和剝落為主 ,圖 4 為齒輪點蝕破損實例。

    齒面疲勞點蝕壽命與齒輪嚙合時的表面溫度、齒面粗糙度、摩擦因數呈正比 , 與潤滑油動黏度成反比。通常提高材料高溫狀態硬度和回火軟化抵抗可有效地增加齒輪的齒面疲勞壽命 , 試驗表明 , 將齒面的碳質量分數由0.8% ～ 1.0% 提 高 到 2.0% ～ 3.0%可抑制材料表層的高溫軟化 , 但高濃度滲碳時由于微小碳化物大量析出 , 滲碳時間和擴散時間需要嚴格控制。另一種方法是材料中適當提高 Si、Cr 等合金元素的含量并實施碳氮共滲熱處理方法可使齒面接觸疲勞壽命大幅提高。

    2、 熱處理技術

 

    2.1齒輪材料熱處理基礎研究

 

    通過齒輪材料的基因分析和基礎性能實驗掌握材料基本參數與強度特性對熱處理數值模擬 , 預測熱處理變形和強度至關重要。由于熱處理中滲碳滲氮的擴散過程 , 溫度變化、相變生成、應力應變是多場耦合行為的動態過程 , 掌握多場耦合的動態過程是獲得齒輪最優熱處理工藝的關鍵。例如 , 齒輪鋼在熱處理過程中會產生相變塑性 , 其行為將直接影響齒輪在熱處理后的變形和殘余應力。因此 , 進行齒輪的熱處理模擬時 ,若不考慮相變塑性往往很難預測并控制齒輪的熱處理變形 , 無法確定熱處理前機械加工余量。

    2.2熱處理

 

    齒輪熱處理強化技術應當注重表面完整性的控制 , 即控制表面硬化層的組織結構、硬化層深度、心部硬度、殘余應力等。齒輪熱處理控制不當易導致表層出現過度晶界氧化層組織、脫碳、微觀裂紋等缺陷。

    2.2.1 氮碳共滲

 

    氮碳共滲 （ 軟氮化 ） 與滲碳相比 ,處理溫度低 , 一般在 460 ～ 600℃進行 ,因此齒輪變形小。滲氮可以提高齒輪表面硬度、耐磨性、疲勞強度及抗蝕能力。日本汽車公司對部分疲勞壽命極限要求不高 , 熱處理后不做齒面精加工的汽車齒輪 , 在熱處理時采用氮碳共滲工藝 , 通常以提高齒輪表面的耐磨性為主要目的。

    2.2.2 表面淬火

 

    表面淬火主要包括感應淬火、激光淬火等。與滲碳淬火相比 , 表面淬火變形小。汽車齒輪表面淬火主要采用感應淬火。據齒輪模數的不同 , 采取不同方式的感應淬火，如齒輪模數為3～5mm,采用高頻感應淬火；當模數增大到5 ～ 8mm, 一般選中頻感應淬火。高頻加熱淬火能得到沿齒輪廓均勻分布的淬硬層 , 應用高頻淬火熱處理對汽車轉向小齒輪進行強化 , 試件疲勞強度得到大幅提高。高頻熱處理具有 CO 2 排放少 ,齒輪疲勞強度和耐磨性能高 , 畸變較小的突出優點。激光淬火具有淬火區晶粒細小且均勻、齒輪變形小等優點 , 為大模數、高精度的齒輪提供了一種有效的齒面強化途徑 , 但其成本較高。

 

    2.2.3 滲碳

 

    滲碳是汽車齒輪表面處理中普遍應用的化學熱處理方法之一。經滲碳處理可使齒輪具有很好的綜合力學性能 , 有效防止輪齒折斷。

    目前滲碳的方法有氣體滲碳、真空滲碳以及等離子滲碳。氣體滲碳是低碳合金鋼齒輪廣泛采用的表面強化工藝 ,可使齒輪表面獲得較高硬度 , 提高其耐磨性 , 而心部仍為原始的板條狀馬氏體組織 , 以保持良好的韌性。

    高溫滲碳將齒輪滲碳溫度從 900℃提高到 1050℃ , 可顯著縮短滲碳時間約 50% 以上 , 可有效提高生產效率。但是高溫滲碳容易導致奧氏體晶粒粗大化 , 降低齒輪疲勞性能 , 且變形大。為克服高溫滲碳時晶粒長大問題 , 國內外學者發現微合金化是抑制齒輪鋼的奧氏體晶粒長大的有效手段。日本的研究表明可以通過在熱處理過程中主動控制滲碳深度和表面硬度 , 可獲得最佳滲碳層深度和最小的變形。通過調整添加 Nb、Ti 和 B 等合金元素 , 有效控制了經高溫滲碳產生的奧氏體晶粒粗大化 , 較好的解決了上述問題。真空滲碳與等離子滲碳具有不產生晶界氧化 , 表面力學性能高 ,CO 2 排放較少 , 熱處理過程時間短節省能源消耗的優點 , 但成本較高。

    2.2.4 碳氮共滲

 

    碳氮共滲熱處理 , 通過有效掌握氮濃度和加氮的時間節點就能較好提高齒輪強度和耐磨性 , 采用碳氮共滲熱處理法 , 有利于殘余奧氏體含量的調整抑制初期疲勞裂紋向深處發展。傳統的滲碳淬火鋼 （20CrMoH） 的滲碳異常層厚度約為 15 ～ 20μm 左右 , 采用碳氮共滲處理法的滲碳異常層厚度只有其 1/2。

    碳氮共滲能有效提高滲層深度、細化奧氏體晶粒、減小齒輪變形、提高齒輪強度和耐磨性能。汽車用自動變速器滲碳齒輪嚙合的齒面工作實際瞬間溫度約達 250 ～ 270℃ , 高于常用回火溫度范圍 150 ～ 200℃ , 較高嚙合溫度將導致齒面硬度下降 , 易產生疲勞點蝕現象。采用碳氮共滲工藝 , 通過調整滲氮量 , 提高抗回火性能 , 抗回火溫度達到 300℃左右。

    3、抗齒輪彎曲疲勞表面強化技術

 

    3.1齒輪基礎實驗

 

    日本、德國在齒輪的基礎研究領域做了大量研究。鋼輥（Steel roller） 試驗是國外大學與研究機構齒輪基礎實驗研究普遍采用的方法 , 取得了大量的實驗數據和研究成果。例如 ,日本應用鋼輥試驗進行齒輪粗糙度和模擬加工缺陷對接觸疲勞壽命影響的研究。

 

    圖 1 所示為不同表面粗糙度齒輪材料鋼輥試件的最大赫茲接觸應力與疲勞循環次數關系。研究表明表面粗糙度最低的 C 鋼輥具有較高的接觸疲勞壽命極限 , 有模擬加工直徑 0.1mm 小孔的表面缺陷的 C′鋼輥接觸疲勞壽命最低。

 

圖1　最大赫茲接觸應力與疲勞循環次數關系

 

    3.2齒輪噴丸強化

 

    噴丸強化通過機械手段在齒輪表面產生壓縮變形 , 使表面產生形變改性層 , 從而使表面強度提高 , 是齒輪提高齒輪疲勞強度廣泛應用的方法。噴丸處理使齒面強化層內產生很大的塑性變形 , 齒面表層殘余奧氏體向馬氏體轉變 , 誘發轉變成的馬氏體有方向性 , 并沿滑移線平行成束排列 , 原始馬氏體的位錯密度增加 , 結構得到細化 , 噴丸使得齒輪的表面顯微硬度和齒面數十微米下的殘余壓應力提高 , 可大幅度提高汽車齒輪的彎曲疲勞強度極限和使用壽命。噴丸處理使得齒輪表面完整性發生下列主要變化 , 即①引入殘余壓應力場；②形變細化組織結構；③表面硬度的變化；④表面粗糙度改變；其中①②③前 4 種表層變化 , 均可改善齒輪的疲勞壽命 ,而噴丸帶來的表面粗糙度增加則可能降低材料疲勞性能 , 對齒輪的噪聲產生惡化 , 不利于汽車的振動噪聲特性。通過控制噴丸強度、丸粒直徑等工藝參數、采取復合噴丸來改善噴丸對齒輪表面完整性的影響。齒輪噴丸強化表面完整性的控制關鍵則主要體現在對齒面殘余應力分布狀態與表面粗糙度的控制 , 避免出現“欠噴”和“過噴”兩種不當的噴丸強化。

    3.2.1 強力噴丸

 

    日本在汽車齒輪抗彎曲疲勞強度表面強化技術研究方面 ,研究開發了多種形式的齒輪表面噴丸強化處理技術。

    日本馬自達汽車公司首先研究開發了高壓噴嘴形齒輪表面強力噴丸處理技術。該處理技術在室溫條件下 , 用可控性極好的噴嘴形噴丸機使高硬度鑄造鋼丸 （Φ0.4 ～ 0.6 mm） 在高壓下高速碰撞齒輪表面 , 使齒面在受到反復加熱和急冷瞬間得到強化 , 齒輪表層附近的殘留壓縮應力顯著提高 , 從而抑制疲勞裂紋的進展。圖 1 所示為采用 Φ0.6 mm 鋼丸在不同壓力條件表面噴丸強化處理后齒面表層附近的殘余壓縮應力分布 , 其齒面硬度也發生一定的加工硬化。

    通常在其他條件相同的情況下 , 噴丸強度越大 , 殘余奧氏體轉變為馬氏體的深度越深 , 同時 , 殘余奧氏體轉變為馬氏體的量也越多；即噴丸強度與馬氏體的轉變深度和轉變量均成正比。

    3.2.2 微粒噴丸

 

    強力噴丸可大幅度提高齒輪表層附近的殘余壓縮應力 ,促使殘余奧氏體轉變為馬氏體 , 提高了齒輪的彎曲疲勞強度 , 然而也使得齒輪表面的粗糙度增加。微粒噴丸 （ ≤ Φ0.1mm） 技術既可提高齒輪表層附近的殘余壓縮應力 , 又能有效降低噴丸對齒輪表面的粗糙度的影響 , 滿足了齒輪對表面粗糙度的要求。

    3.2.3 復合噴丸

 

    日產汽車自動變速器研發中心采用高壓強力復合噴丸強化技術對變速器齒輪進行了表面改性強化研究 , 較大幅度的提高了齒輪的疲勞壽命。即首先采用高硬度較大丸粒（Φ0.6 ～ 1.0mm） 在高壓、高速條件下噴丸 , 然后再用直徑較小的高硬丸粒 （Φ0.1 ～ 0.2mm） 進行噴丸 , 在齒輪表面形成復合殘余壓縮應力 , 減輕表面加工硬化 , 改善表面粗糙度 ,提高表面硬度 , 齒面附近的殘余壓縮應力得到顯著提高 , 進而抑制齒輪疲勞裂紋的展開。既保證了齒輪齒根附近有較大的殘余壓應力又不使齒面粗糙度有大的變化。具體的強力噴丸強度大小 , 一般采用試片進行噴丸強度的測量。

    不同類型的表面噴丸強化處理后齒輪表面附近的殘余壓縮應力分布 , 其中復合噴丸比微粒噴丸和強力噴丸的強化效果更為明顯 , 表面最大殘余壓縮應力可達到 1300MPa。

    通過采用回轉彎曲疲勞試驗做出多種噴丸強化處理方法的彎曲疲勞強度極限 , 噴丸強化處理后齒輪彎曲疲勞極限大幅提高。齒輪滲碳淬火后采用表面復合噴丸強化可使齒輪的彎曲疲勞極限提高兩倍以上。

    3.2.4 其他噴丸新技術研究

 

    隨著科技的發展 , 作為導入殘余壓縮應力、改變表層材料組織結構、增強疲勞壽命的一項重要技術 , 新型新技術不斷被開發應用 , 例如 , 空化水噴丸、激光空穴噴丸、超聲波噴丸等。

    空化水噴丸原理 , 該工藝利用微小空化氣泡潰滅時產生的沖擊波壓力和高速微射流打擊齒輪表面 , 使齒輪表面層內發生高密度位錯積累從而形成殘余壓縮應力層 , 來達到強化金屬表面的目的。

    激光空穴噴丸可以通過激光聚焦點處的微小空化氣泡潰滅產生的沖擊波對狹小的空間進行噴丸 , 參數可精確控制 ,殘余壓縮應力更大。超聲波噴丸中 , 彈丸從各方向以超聲頻撞擊已被固定的材料表面 , 由于其引入材料內部的能量較大 ,可用于實現材料表面的納米化 , 降低氮化溫度等方面。

    3.2.5 影響噴丸效果的主要因素

 

    噴丸強化處理的最佳效果受到不同條件的相互影響 , 其主要工藝參數如下表 4 所示。

 

 

    4、抗齒面接觸疲勞表面強化技術

 

    近年來由于齒輪表面噴丸強化處理技術的研究開發成果 ,使得齒輪彎曲疲勞強度壽命極限得到大幅度提高 , 齒輪抗彎曲疲勞強度極限超過了齒面接觸抗點蝕疲勞強度極限 , 如何進一步提高齒面接觸疲勞強度極限已成為高強度齒輪技術的最重要研究課題。

    齒輪對在齒面高接觸應力和齒面嚙合快速相對滑動產生的拉應力反復作用下會產生齒面疲勞損傷。為了防止這類損傷的產生 , 采用齒面改性涂層技術 , 可有效改善齒輪副的表面完整性和抗齒面疲勞性能。

    4.1磷酸錳轉化涂層

 

    磷酸錳轉化涂層工藝在提高傳動部件表面強度的應用最早出現在軸承滾子的疲勞壽命改善方面。齒輪表面磷化處理后獲得的磷酸錳轉化涂層可以有效降低摩擦副表面的摩擦系數 ,具有良好的抗咬合或擦傷性能。在日本 , 在高強度齒輪研究實踐中首次將磷酸錳轉化涂層技術應用于汽車自動變速器齒1轉化涂層 , 研究了磷化晶粒尺寸與涂層表面孔隙的儲油特性的關系 , 結果表明在表面浸油潤滑條件下 , 鋼表面的超微細磷酸錳轉化涂層具有明顯的減摩與耐磨效果。Wang 等對磷化膜后處理與潤滑狀況對其摩擦學特性的影響規律進行了研究。

    磷酸錳轉化涂層的制造工藝主要包括采用脫脂劑在溫度70 ～ 95℃脫脂槽內對齒輪表面進行前處理 , 水清洗 , 然后在處理溫度 40 ～ 80℃條件下進行表面調整 , 磷化處理的溫度條件80 ～ 100℃ , 酸比控制在 5.6 ～ 6.2, 處理時間 10 ～ 15 min。

    涂層的形成通過如下化學反應來實現 :

    Mn（H 2 PO 4 ） 2 = MnHPO4+H 3 PO 4

    Fe（H 2 PO 4 ） 2 = FeHPO 4 +H 3 PO 4

    3（Mn,Fe）（H 2 PO 4 ） 2 =（Mn,Fe） 3 （PO 4 ） 2 +4H 3 PO 4

 

    磷酸錳轉化涂層處理后 , 齒輪表面產生數微米的軟質層 ,填平了齒輪表面大部分凹凸切削波紋 , 降低了齒面的局部最大嚙合接觸應力和金屬表面摩擦因數 , 改善了齒輪嚙合時的油膜狀況和潤滑狀況。通過控制磷酸錳轉化涂層的工藝參數來影響涂層的密度和晶粒尺寸 , 可以獲得超微細磷酸錳轉化涂層 , 處理后齒面產生 3 ～ 5μm 的軟質層 , 生成的涂層密度約為 2.2g/m 2 。普通磷酸錳涂層處理和超微細磷酸錳涂層處理的選取需要結合齒輪加工工藝和實際工作條件來判定。

 

    試驗表明 , 磷酸錳轉化涂層使變速器齒輪的抗點蝕疲勞壽命提高了 3 ～ 4 倍。

    4.2二硫化鉬（MoS 2 ）鍍膜技術

 

    二硫化鉬 （MoS 2 ） 作為一種優質的固體潤滑材料 , 具有良好的減摩、抗磨和承載能力。二硫化鉬 （MoS 2 ） 膜具有層狀的結構 , 組成沉積膜層的粒子本身具有較低的硬度和較高的穩定性。

    通過采用 MoS 2 來提高齒輪表面承載能力成為當前的一個研究熱點 , 國內外學者做了大量研究。R.I.Amaro 等采用磁控濺射在花鍵齒輪上獲得 MoS 2 潤滑膜 , 在高轉速下有效的降低摩擦 , 提高了疲勞壽命極限。K.Holmberg 等采用 MoS 2 /Ti 復合涂層技術能夠進一步降低摩擦因數 , 室溫下摩擦因數可低至0.07, 有效減輕摩擦副運行中的摩擦和磨損。R.C.Martins 等對二硫化鉬復合涂層涂鍍的齒輪進行了 FZG 臺架試驗 ,MoS 2 涂鍍的齒輪在 5 級載荷 3000r/min 的條件下運轉的齒輪箱溫度和摩擦因數明顯下降。日本日產汽車和馬自達汽車公司研究在變速器齒輪的開發實踐中應用了表面二硫化鉬鍍膜處理技術。其主要原理是鍍 MoS 2 膜后 , 在齒表面產生 2 ～ 3μm 的軟質涂層 , 可降低齒面局部最大嚙合接觸應力和表面摩擦系數 ,提高齒輪嚙合時的潤滑狀況。

    圖 2 為不同材料的齒輪和齒面經二硫化鉬 （MoS 2 ） 表面鍍膜的齒輪疲勞壽命比較 , 圖中鋼種 A（1Cr-0.4Mo） 為常用齒輪鋼、鋼種 B 為釩添加齒輪鋼、鋼種 C 為 Mn、Mo 增量齒輪鋼。試驗結果表明表面二硫化鉬鍍膜處理后 , 齒輪初期嚙合運轉后齒面平滑性明顯提高 , 疲勞壽命提高了 3 倍以上。

 

    4.3超微細復合材料噴涂技術

 

    近年來 , 日本和臺灣的公司研究應用了含有 MoS 2 和超微細金屬粒子復合材料的噴涂技術 , 其作為壓力噴涂領域的一種新工法 , 在高強度齒輪表面強化領域得到了很好的實踐效果 , 其工藝過程如圖 3 所示。

 

 

    主要是利用高壓惰性氣體推動球狀研磨滾珠及固態潤滑劑 （MoS 2 ） 復合材料在高溫高壓的條件下撞擊齒輪表面 , 并滲透進齒面 1 ～ 20μm 深度 , 使金屬表面 20μm 深度的相組織發生改變 , 齒面因球形顆粒沖擊而形成多處微小孔洞 , 使其表面組織被細微壓縮而造成外應力減少 , 表面硬度顯著提高 ,并通過固態潤滑劑附著在表面 , 進而提高齒面的自潤性。降低齒面粗糙度，提高齒輪嚙合質量，降低嚙合噪聲。實驗表明，變速器齒輪滾針軸承內緣經復合材料噴涂處理后表面壓痕平整度獲得較大改善 , 同時表面形成的無數細微凹坑 , 利于油膜的形成 , 進而提高摩擦表面的油膜附著性 , 增強疲勞極限。

    4.4齒輪表面復合強化技術

 

    隨著齒輪要求的不斷提高和齒輪表面加工工程技術不斷發展 , 將兩種或多種表面強化技術對齒輪進行復合處理 , 提高齒輪的表面完整性以滿足齒輪更加苛刻的使用要求 , 成為現如今齒輪領域的一種重要手段 , 如：QPQ（Quench polishquench）鹽浴復合處理技術、熱噴涂與噴丸結合的復合涂層技術、涂層與噴丸復合技術等。QPQ 鹽浴復合處理技術是低溫鹽浴氮碳共滲加鹽浴氧化的一種高抗蝕性和耐磨性的金屬表面改性技術。通用汽車利用該技術提高了內燃機缸套的耐磨性。大眾汽車的凸輪軸與中國重汽的重型汽車減速器的內齒輪也采用了 QPQ 技術。熱噴涂與噴丸相結合的復合強化技術使齒輪既有高抗彎曲疲勞性能 , 也有良好的抗接觸疲勞性能 , 并增加了齒輪的減摩潤滑性能。

    4.5滾筒拋光研磨法和磨料流加工技術

 

    滾筒研磨石拋光研磨處理 （Barrelling） 在一定條件下 , 可較好地改善齒面粗糙度和齒輪疲勞壽命且成本低。其處理過程采用不同種類材料數毫米直徑的研磨石和研磨粉的混合體與研磨處理槽朝著同一方向回轉 （100m/min）， 被加工齒輪的回轉方向與其相反 , 同時進行上下平移運動 , 處理時間約為15 ～ 30 min。日本佐賀大學穗屋下教授同筆者和日本住友重工公司共同研究了齒輪噴丸強化處理后的滾筒拋光研磨法 , 取得了較好的實驗效果 , 引起了美國和日本有關專家的關注。

    磨料流加工（Abrasive flow machining），一種用具有流動性的聚合物載體和磨料組成的彈性材料對工件進行表面拋光和去毛刺的新工藝技術。Xu 等對斜齒輪進行了磨料流處理 , 通過仿真與試驗研究證明了 AFM 可以有效地提高斜齒輪的表面粗糙度質量。滾筒研磨拋光和磨料流技術中磨料介質的選擇及配比對加工的效果十分重要 , 繼續開展磨料對齒面粗糙度、疲勞強度的仿真與實驗研究 , 以及多種磨料介質的最優選取與配比研究十分重要。

    4.6油品對齒輪疲勞強度壽命和磨損的影響

 

    汽車自動變速器潤滑油 （ATF） 除要滿足齒輪和軸承的潤滑外還承擔著液壓控制油和離合器等部件的潤滑和冷卻作用以及動作平穩性的控制作用 , 對油品的動摩擦因數和靜摩擦因數及其氧化耐久性都有非常苛刻的要求。近年來由于汽車自動變速器對控制系統精度和滑動性要求的提高 , 油品對齒輪系統的潤滑面臨很大的挑戰。表 5 是汽車自動變速器兩種不同油品代表性狀。

 

    用于試驗的斜齒齒輪對分別做了復合噴丸和磷酸錳化學處理 , 實驗表明齒輪磨損量與點蝕率成反比關系。

    5、齒輪表面強化的科學問題與發展

 

    5.1齒輪表面強化的數值模擬研究與科學問題

 

    在科學研究和工程技術領域 , 數值模擬是理論分析和實驗測試并重的基礎研究方法。數值模擬技術的發展為齒輪表面強化技術的優化設計研究提供了平臺。

    在齒輪噴丸強化過程的力學數值模擬研究領域 , 國內外學者做了一定的研究應用 , 包括采用彈塑性模型的一維解析法對由噴丸殘余應力的預測 , 考慮噴丸強度因素進行二維噴射過程的模擬 ,運用有限元三維模型進行噴丸對微裂紋擴展、齒輪表面形貌的數值模擬研究等大量工作。然而對于噴丸強化材料納米尺度力學性能研究 , 噴丸參數與齒輪性能提高的定量關系 , 以及不同材質、直徑的彈丸多次連續撞擊情況的模擬仍然需要進一步深入研究。

    基于表面結構優化來改善齒輪副表面的摩擦磨損潤滑性能 , 該領域的研究一直是學術界和工程界長期關注的熱點。不同的加工及表面強化處理對齒面幾何形貌、粗糙度的影響直接關系到齒輪的潤滑狀態。因此 , 研究齒輪不同齒面形貌混合彈流潤滑特性 , 求解齒面彈性變形、表面溫升及接觸閃溫 , 分析不同涂層表面潤滑狀態下的熱解以及表面形貌與齒輪摩擦磨損的定量規律 , 對齒面失效機理研究與齒輪強度優化設計十分必要。

    由于齒輪傳動的內外部激勵和非線性因素豐富 , 工作環境復雜多變 , 使其動力學分析十分復雜，制造、加工、誤差、磨損、潤滑和運行環境等因素將導致齒輪系統激勵參數具有不確定性 , 多個不確定性因素同時存在 , 導致了齒輪系統問題的高維性 , 這使得齒輪失效機理與強化機理研究變得困難。因此 , 研究齒輪系統動力學 , 需要考慮不確定性優化設計方法與靈敏度分析方法。

    5.2齒輪表面強化技術的發展

 

    各種復雜工況下的齒輪傳動系統使齒輪表面強化技術不斷出現新的課題。例如 , 汽車傳動系統輕量化及新能源汽車變速器高轉速、高扭矩的工作狀況對汽車齒輪強度提出更高的要求 , 新能源電動汽車變速器工況由傳統汽車發動機的最高轉速 6500r/min 升至 14000r/min, 轉矩提高約 30%, 齒輪的疲勞壽命提高 40% 以上。單一的表面強化技術難以滿足綜合性能要求高的齒輪使用要求 , 多種復合表面強化技術進行復合處理的表面強化技術將在高強度齒輪領域得到研究應用。

    表面強化技術的發展需要適應齒輪高強度、高精度、高疲勞壽命、低噪聲的多目標要求。而各目標之間的非獨立性和矛盾性使復合表面強化技術絕非是單一強化技術的疊加。齒輪復合表面強化技術應建立齒輪表面復合強化的多目標優化方法 , 運用多目標優化設計理論 , 對齒輪表面熱處理、噴丸強化技術、表面轉化涂層等工藝的強化機理與齒輪表面完整性的科學理論關系進行系統的基礎研究。齒輪表面熱處理未來的研究重點包括 , 通過齒輪材料基因分析和基礎性能實驗掌握材料基本參數與強度特性 , 預測齒輪熱處理變形的數值模擬與控制技術研究、新型齒輪用鋼以及新型熱處理工藝的研發；齒輪噴丸強化技術的研究結合材料力學、現代力學 , 對噴丸參數與齒輪表面完整性（殘余應力場、粗糙度、納米尺度的力學性能等）關系；齒面各種涂層的摩擦學研究是齒輪研究的重要問題之一 , 基于齒輪實際工作狀況、瞬態溫度場和潤滑條件 , 深入開展齒輪涂層表面完整性對接觸疲勞壽命的影響規律研究。另一個重點是控制涂層組織中晶粒尺寸大小、分布以及晶界尺寸等 , 使涂層具有更高硬度與韌性 , 如何進一步實現對晶粒的控制成為研究的重要環節。

    6、總結

 

    （1） 表面強化技術是高強度汽車齒輪的重要技術之一 , 在汽車技術領域里占有重要的位置。目前 , 尚不能完全滿足汽車自動變速器在輕量化 , 高轉速、高扭矩、高耐久性的目標要求 , 應更加注重齒輪的材料與表面強化的基礎與應用研究。

    （2） 齒輪表面熱處理、噴丸強化、表面涂層等表面強化技術對汽車變速器齒輪的疲勞強度極限提升有良好的實踐效果 , 在引進吸收國際技術的同時 , 進一步開展齒輪表面完整性與抗疲勞強化機理的研究是解決當前我國高強度齒輪技術問題重要任務之一。

    （3） 齒輪表面強化的數值模擬研究應結合熱力學、相變熱力學、材料力學、固體力學、摩擦學及齒輪動力學等交叉學科 , 建立齒輪表面強化參數與齒輪性能提高的定量關系將是該領域研究的重點。齒輪高抗接觸疲勞、高抗彎曲疲勞的復合表面強化技術 , 應注重各表面強化處理的相互作用機理和基礎研究 , 從多要素綜合指標的角度 , 探索新型的齒輪復合表面強化方法 , 以實現齒輪發展的高強度化的目標要求。

 

10 新能源汽車技術現狀及腐蝕機理

 

     新能源汽車是指除汽油、柴油發動機之外所有其它能源汽車。眾所周知，這些新能源汽車都是為了解決了大氣污染、石油資源枯竭等環境和資源問題。新能源汽車主要有燃料電池汽車、混合動力汽車、氫能源動力汽車和太陽能汽車等。其廢氣排放量比較低。除前面提及新能源車其他類型新能源汽車仍在不斷開發中，如用壓縮空氣作為能源的新能源汽車。下面介紹主流新能源汽車現狀。

 

    1、 新 能 源汽車技術現狀

 

    混合動力汽車

 

    混合動力汽車混合動力汽車是指車輛驅動系由兩個或多個能同時運轉的單個驅動系聯合組成的車輛，車輛的行駛功率依據實際的車輛行駛狀態由單個驅動系單獨或共同提供。因各個組成部件、布置方式和控制策略的不同，形成了多種分類形式。目前油電混合的汽車成為混合汽車的主流。就是在純電動汽車上加裝一套內燃機，其目的是減少汽車的污染，提高純電動汽車的行駛里程。目前常用增程和插電式油電混合。

    油電混合動力車輛的節能、低排放等特點引起了汽車界的極大關注并成為汽車研究與開發的一個重點。目前很受市場歡迎。隨著電池技術的發展，油電混合動力車有可能被純電動替代。

    電動汽車

 

    電動汽車是指以車載電源為動力，用電機驅動車輪行駛，符合道路交通、安全法規各項要求的車輛。用純電池的電池的電動車也稱純電動車，目前電池技術制約了續航里程，隨著電池技術的發展純電動車很有可能成為主流車型。

    除了電池為動力電動汽車，超級電容作為電動汽車的能源近年來也得到廣泛的應用，超級電容和電池的合并使用，產生了很好的經濟效果，日前在大型車輛上以有廣泛使用。

    燃料電池汽車

 

    燃料電池汽車是電動汽車的一種，其電池的能量是通過氫氣和氧氣的化學作用，而不是經過燃燒，直接變成電能的。除了太陽能汽車燃料電池汽車是最環保的，只要加氫即可續航。儲氫壓力 40-70Mpa，壓力對設備的安全性和加氫站的建設是制約燃料電池車發展的瓶頸。

    生物能源汽車生物燃料

 

    是指通過生物資源生產的燃料乙醇和生物柴油，可以替代由石油制取的汽油和柴油，生產的主要材料來自自然，當前發展比較成熟的是通過農作物大豆、玉米等生產的乙醇。地溝油提煉也是汽車的生物燃料。

    天然氣汽車CNG

 

    天然氣汽車是以天然氣為燃料的一種氣體燃料汽車。天然氣的甲烷含量一般在 90% 以上，是一種很好的汽車發動機燃料。2000 年以來，天然氣被世界公認為是最為現實和技術上比較成熟的車用汽油、柴油的代用燃料，天然氣汽車已在世界和我國各省市得到了推廣應用。簡稱 CNG 汽車，今后還將大力推廣應用單燃料天然氣汽車。車用壓縮天然氣的壓力一般在 20MPa 左右。可將天然氣，經過脫水、脫硫凈化處理后，經多級加壓制得。其使用時的狀態為氣體。

    液化石油氣汽車LPG

 

    就是家用的液化氣也可作為汽車燃料。有兩種液化石油氣汽車：1 只使用液化石油氣；2“雙燃料”汽車，可以同時使用液化石油氣和汽油或柴油。儲氣壓力 10MPa 左右。

    二甲醚汽車DME

 

    以二甲醚為動力的汽車。二甲醚是最簡單的脂肪醚。它是二分子甲醇脫水縮合的衍生物，室溫常壓下為無毒，有輕微醚香味的氣體或壓縮液體。像這樣的有機化工產品和化學中間體都可以作為汽車的燃料。成本還交高。目前不會成為主流車型。

    太陽能汽車

 

    以太陽能為動力的汽車，是一種最環保的汽車但是目前成本較高，仍在研發之中。

    2、新能汽車腐蝕與防護

 

    電動汽車高溫破壞

 

    電動汽車的發熱高溫的影響主要來源氣溫和電動汽車的運行。高溫對電機、電線和電池破壞作用，特別是電線和電池的影響尤為重要。

    與傳統汽車相比，電動運行時汽車電機驅動。大電流引電線發熱對電線絕緣材料老化和破壞。在設計時，電機的動力電線加大了安全系數。

    電池發熱產生高溫，對電池安全性產生影響。目前電池采用風冷的技術，既在高溫時風扇，對電池進行降溫。我國的新能源發展是最快的國家，就我國的地理位置均在溫帶。但在高溫環境下（如非洲）風冷是否能使電動汽車長期運行？是使用者和研發者都應重視和解決的技術問題。

    電池酸性氣體對接觸件的影響

 

    電動汽車目前常用電池有磷酸鐵鋰、錳酸鋰等這些電池都帶有酸性，雖然采取了很多措施，但難免有酸性氣體滲出，對金屬構件的腐蝕，特別是電動汽車電器接觸件。防護措施是很簡單，用非金屬材料密封。必須在設計時采用防護技術。

    生物能源、二甲醚汽車等新燃料對密封件的腐蝕

 

    生物能源、二甲醚汽車等新燃料的汽車與汽車相比工作原理沒有多大的差別。有些直接和汽油混合使用，從腐蝕的情況來說對密封件的影響較大。主要是非金屬材料的密封件可能會受到溶融腐蝕，如橡膠塑料組成的密封件。

    天然氣汽車、液化石油及燃料電池壓力引起破壞

 

    由于這些燃料都以壓力的狀態存在，壓力對汽車設備的破壞引發安全事故。特別燃料的儲存設備的失效，這些設備的防護成本較高，目前用高壓鋼瓶，鋁內膽外包碳纖維樹脂，催化減壓鋼瓶儲氣。據悉車載高壓氫罐技術為燃料電池汽車續駛里程提供保障。目前，氫罐儲氫壓力向著 70MPa 方向發展，車載供氫系統的安全性、可靠性面臨更加嚴峻的考驗因此，這些汽車燃料加注站的安全性也被加以關注，這也影響了這些汽車在人口密集區使用，特別是在城市人口密集區不敢設加注站。這些壓力容器，除了要定期檢測外，為了安全在長期不使車是釋放燃料，以減少對設備的破壞。

    3、結論

 

    新能源汽車技術仍在發展中，哪一種新能源汽車類型成為主流尚未定論，所以對新能源的腐蝕和防護問題仍需關注，才能使我們的資源不會浪費。

 

  （作者：孫芃 來源：上海市腐蝕科學技術學會）