摘 要

柴油机为船舶、发电机组、汽车等设备提供动力，保证其安全高效的运转。柴油机的气缸盖处于一个极其恶劣的工作环境中，常常有失效的情况发生。本文围绕柴油发动机气缸盖的再制造，对其失效机理、再制造技术路线以及先进表面技术在再制造过程中的应用进行了分析研究。

为了使失效柴油机气缸盖恢复其原有的性能和尺寸，本文通过分析气缸盖的失效形式与造成失效原因，以分析结果为基础，对失效的柴油机气缸盖制定了再制造工艺流程，并以重度磨损的6300柴油机气缸盖排气阀座锥面为例，结合先进表面技术中的等离子堆焊技术与机械加工工艺对其进行修复，使其恢复原有的尺寸与使用性能，同时提高了6300柴油机气缸盖排气阀座锥面防腐耐磨的能力。

关键词：柴油机；气缸盖；再制造；先进表面技术

Abstract

Diesel engine provides power for ships, generator sets and automobiles to ensure their safe and efficient operation.The cylinder head of diesel engine is in a very bad working environment and often fails.This paper focuses on the remanufacturing of diesel engine cylinder head, and analyzes its failure mechanism, remanufacturing technology route and the application of advanced surface technology in the remanufacturing process.

In order to restore the size and performance of the failed cylinder head，this paper analyzes the failure form of the cylinder head and the cause of failure. Based on the analysis results, the remanufacturing process of the failed diesel engine cylinder head is developed.And the gas valve seat of cylinder head of 6300 diesel engine is taken as an example,using the plasma surfacing technology of advanced surface technology and machining technology to repair it.The cylinder head was restored to its original size and performance,and its corrosion and wear resistance has been improved.

Key Words：Diesel engine；Cylinder head；Remanufacturing；Advanced surface technology

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容与研究目标 2

第2章 柴油机气缸盖的失效分析 4

1.4 柴油机气缸盖概述 4

2.1.1 气缸盖的结构 4

2.1.2 气缸盖的工作环境 4

2.2 柴油机气缸盖的失效分析 4

2.2.1 热应力 5

2.2.2 机械应力 5

2.2.3 疲劳腐蚀与应力腐蚀 5

2.2.4 制造时的影响因素 6

2.2.5 操作不当 6

2.2.6 缺乏维护保养 6

2.3 气缸盖磨损的防护措施 6

2.4 本章小结 7

第3章 柴油机气缸盖的再制造工艺过程 8

3.1 再制造技术的概述 8

3.2 柴油机气缸盖再制造流程 8

3.3 主要失效形式的修复 9

3.3.1 底面的修复 9

3.3.2 气阀座的修复 9

3.3.3 裂纹的修复 10

3.4 本章小结 10

第4章 防腐耐磨涂层的设计与制备 11

4.1 先进表面技术 11

4.1.1 激光熔覆 11

4.1.2 等离子喷涂 11

4.1.3 等离子堆焊 11

4.2 等离子堆焊工艺 12

4.2.1 等离子堆焊原理与特点 12

4.2.2 等离子堆焊设备 13

4.2.3 等离子堆焊材料介绍 14

4.2.4 等离子堆焊工艺介绍 15

4.3 涂层制备 15

4.3.1 气阀座材料 15

4.3.2 涂层材料 16

4.3.3 涂层厚度 16

4.3.4 等离子堆焊工艺参数 17

4.3.5 涂层制备过程 17

4.4 本章小结 18

第5章 防腐耐磨涂层的机械加工 19

5.1 气缸盖气阀座圈锥面的工艺要求 19

5.2 涂层加工方法的选择 20

5.2.1 刀具材料的选择 20

5.2.2 刀具几何参数的选择 20

5.2.3 切削参数的选择 22

5.3 涂层研磨加工 22

5.4 本章小结 23

第6章 结束语 24

参考文献 25

致 谢 26

1. 绪论
   1. 研究的背景及意义

柴油机作为船舶、汽车、发动机组等动力系统的核心部分，具有着扭矩高、寿命长、耗油低、排放低的好处，在现代生活中运用很广，有着无可替代的地位，它为设备提供动力，保证设备持续、安全地运转。

在使用柴油发动机的设备产销量飞速增长的同时，柴油机的报废量也在与日俱增。在自然资源过度消耗和废物排放引起环境污染退化的今天，直接废弃旧的机械设备是不被倡导的。绝大多数报废的柴油机都能通过再制造恢复其使用价值。再制造损坏或报废的零部件时，首先进行性能失效分析、寿命评估等分析，以分析的结果为基础，进行再制造工程设计，采用相关的先进制造技术，使再制造产品质量达到或超过新品。再制造给了柴油机新生，有高效率、高质量、经济性好、污染低等优点。柴油机再制造不仅对环境友好，也给相关企业带来了利润，为使用者带来了实惠。柴油机再制造比传统的发动机大修有明显的优势，如经再制造后柴油机的动力性能和产品质量会优于新柴油机，而经过大修的柴油机，其动力性能和修复质量很难达到新机的水平。柴油机再制造势必取代柴油机大修。

气缸盖是发动机的重要部件之一，它的作用是密封气缸，与活塞共同形成燃烧空间，气缸盖技术状态的好坏，不仅影响燃烧室的密封性，还影响到其他附件工作的可靠性。而气缸盖的价值约占发动机总价值的10－12%^[1]，故如果以全新气缸盖取代失效气缸盖，则会使柴油机整体成本上升，资源利用率下降。对失效形式进行修复、置换报废零件是气缸盖的主要再制造方式。

先进表面技术是涉及表面处理与涂层技术的交叉学科，广泛应用于多种材质制备的零件表面增强和修复，以极少的材料和能源消耗制备出基体材料难以甚至无法获得的性能优异的涂层，从而提升其经济性。

本文旨在为气缸盖再制造设计及制备一种防腐耐磨涂层，以达到降低其生产成本、提高产品质量、节约资源能源、提高气缸盖防腐蚀耐磨损的能力、延长其使用寿命的目的，并满足可持续发展的需求。

• 1. 国内外研究现状

气缸盖因为受力复杂会产生裂纹、气阀座磨损、底面和气阀座面烧蚀、水缸面的腐蚀等。常使用波浪键-螺钉扣合法、焊补法、螺钉密封法等进行裂纹的修理；常使用堆焊、热喷熔、研磨修复对气阀座损伤进行修复。其中热喷熔的涂层材料一般为Ni基与Co基耐磨耐热合金，喷熔方法则为氧乙炔火焰喷熔、等离子喷熔、激光熔覆。殷开松^[1]等学者对气缸盖失效机理进行过更细致的分析，同时探究了气缸盖再制造的工艺流程：拆解-焙烧及清洗-检测-修复-部装(在检测水道的气密性前进行)。刘晓叙^[2]等在对小型内燃机缸盖进行正常失效分析的基础上，研究和提出了对小型内燃机缸盖进行面向再制造的设计时，应考虑的主要问题和基本的设计技术。国外在再制造方面大部分使用的是换件修理法或尺寸修理法，中国特色再制造工程(Chinese Characteristic Remanufacturing Engineering，CCRE)采用以先进表面工程技术为支撑的再制造关键技术，先进表面工程技术主要包括热喷涂技术、电化学及微弧氧化技术、物理气相沉积和化学气相沉积技术、三束表面改性及化学热处理技术、微纳米薄膜与分子薄膜技术等^[3]。刘亚军^[4]介绍了表面工程、堆焊与熔覆、电刷镀、喷涂等几种再制造修复技术，对各种修复技术的原理进行了阐述，并重点对常用的几种再制造修复特点作了比较，对设备修复具有一定的指导意义。 国外学者Smith C^[5]等提出一种缸盖再制造方法，将缸盖上部分裂纹周围的材料从缸盖上去除以形成槽，并使用直接激光脱模来填充槽的复合材料的步骤。在先进表面技术方面，刘渤海^[3]首先阐述了中国特色再制造工程与先进表面工程技术之间的关系，针对先进表面技术对再制造的影响进行了研究与阐述。徐国^[6]等学者提出激光熔覆氧化锆以改善气缸盖表面性能， Liu Z^[7]等作者的文献中提出了激光熔覆的优势：对环境更友好，Amin S^[8]等学者对热喷涂技术进行了一系列综述，提出采用HVOF喷涂技术涂层厚度均匀，硬度高。与其它工艺相比，具有更高的强度、硬度、孔隙率、磨损和腐蚀等优点。耿仁贤^[9]简述了有关热喷涂技术的原理及几种主要的喷涂技术，包括气体燃烧火焰喷涂技术、电弧喷涂技术、等离子喷涂技术、电热喷涂技术四类，并对喷涂材料的选择进行了简单描述，比较详细介绍了热喷涂修复工艺过程，对修复过程用到的方法、材料进行了描述，对不同过程的目的作出说明。丁彰雄^[10]等学者在分析船舶柴油机关键零件失效机理的基础上，介绍了这些零件在再制造中热喷涂涂层的设计与工艺方法选择，比较了不同热喷涂材料与工艺方法对船舶柴油机关键零件再制造后使用性能的影响。赵刚^[11]等学者综述了涂层磨削加工中砂轮的选用、不同磨削工艺的特点、磨削加工存在的问题。对涂层车削加工中刀具的选用进行了论述，对涂层车削加工中切削参数的选择进行了总结，并给出了可供实际加工的参考数据。这些都将作为涂层选择、制备与加工的理论依据。

由此可见国内外对气缸盖失效机理、气缸盖再制造、先进表面技术几个方面有各自的一定乃至深入的研究，针对先进表面技术在柴油机气缸盖再制造中的应用这一主题的研究较少。

• 1. 研究内容与研究目标

本文研究的主要内容包括：

1. 柴油机气缸盖失效机理分析：由柴油机气缸盖的材质与工况分析得到失效的形式与机理。
2. 柴油机气缸盖再制造工艺制定：了解再制造工艺的概念及基本流程，由柴油机气缸盖的磨损状态制定到合理的再制造方案。
3. 柴油机气缸盖防腐耐磨涂层设计：查阅资料了解各类涂层的特点，由功能性、工艺性、经济性选出满足气缸盖工况的涂层。
4. 柴油机气缸盖涂层制备工艺的制定：结合涂层制备方法的原理、特点、生产效益制定出气缸盖涂层的制备工艺。
5. 柴油机气缸盖涂层加工工艺的制定：确定气缸盖涂层的切削方式、切削所使用的刀具材料以及切削参数。

预期目标：制定出能够满足气缸盖的尺寸精度与形状精度、保证气缸盖的使用性能的再制造工艺；设计出的防腐耐磨涂层能够提高气缸盖的使用寿命并提高其经济性；本文内容能对相关领域的研究具有一定的参考意义。

1. 柴油机气缸盖的失效分析

气缸盖是柴油发动机的重要部件之一。气缸盖的工作状态不但影响燃烧室的密封性，还影响其他发动机部件工作的可靠性。

• 1. 柴油机气缸盖概述
     1. 气缸盖的结构

气缸盖是一箱型零件，是柴油机的一个重要的组成部件，一般以灰铸铁或合金铸铁作为铸造材料。气缸盖结构复杂，加工有进、排气阀座孔，气阀导管孔，喷油器安装孔，在气缸盖内还加工有水套、进排气道和整个或者部分的燃烧室。气缸盖与活塞顶部以及气缸套共同形成燃烧室，起到密封气缸上部的作用。图2.1是一种柴油机气缸盖的典型结构。

图2.1 柴油机气缸盖的典型结构

• • 1. 气缸盖的工作环境

1. 气缸盖底部直接接触高温高压的燃气，并且还承受着很大的热负荷、机械负荷以及腐蚀的共同作用。
2. 柴油机机体与气缸盖通过贯穿螺栓组合成一个整体，所以它还承受着螺栓带来的预紧力和缸套支撑的反作用力。
3. 柴油机工作温度很高，为防止其过热并保证正常安全的运转还需要冷却，此时气缸盖的冷却水腔还承受着冷却水的腐蚀。
4. 气缸盖铸造过程中金相组织分布不均匀，导致气缸盖在工作过程中承受的热应力和机械应力也不均匀。
   1. 柴油机气缸盖的失效分析

在柴油机的工作过程中，气缸盖的主要失效模式为气阀座圈磨损、底平面变形、异物顶缸、裂纹、水腔面腐蚀等。

1. 气阀座圈磨损：高温下气阀座受到气阀的不断撞击，气阀座圈金属产生了塑性变形。高压下气阀座与气阀的接触面会有微小的相对运动，会造成气阀座圈锥面的磨损，如果中间夹杂有固体杂质的话磨损更甚。由于燃气具有腐蚀性，气阀座的工作环境又处于高温之中，就会出现烧伤、腐蚀的情况。气阀座锥面的损坏会导致漏气。
2. 底平面变形：气缸盖底面直接接触燃气，承受着做功时的冲击与高温，由于制造、工作环境等原因往往会产生翘曲变形，变形后的气缸盖底平面会使气缸密封不严，造成漏气、漏水、漏油等后果。
3. 裂纹：裂纹常常发生在气缸盖底面气阀孔周围，以及其他应力集中、结构脆弱的地方。微小的裂纹会随着柴油机的运转向四周扩散，形成大的裂纹，造成漏水、漏油、柴油机的动力性能下降。
4. 水腔面腐蚀：发生在水腔面局部区域，该区域的金属会因为冷却水的腐蚀而发生脆化。
   • 1. 热应力

大量研究表明，气缸盖底部的裂纹主要是由热疲劳引起的。在柴油机工作过程中，气缸盖底部的高温部分温度可达400 ~ 480℃，但因为气缸盖的底部是局部受热，所以其热膨胀会受到一定的限制，随之就会产生一股高的压应力。气缸盖采用的铸铁材料的可承受温度为350℃，当气缸盖温度高于此温度时，铸铁的蠕变抗力降低，会使气缸盖底部发生永久性变形，以致其压应力下降。当柴油机停止运转后，压应力的变化随着受热面温度的降低，逐渐在其降到环境温度时消失，接着产生拉应力。柴油机循环往复地工作，拉应力逐渐增加，最终导致了气缸盖表面的裂纹。

• • 1. 机械应力

柴油机做功时候产生的爆发力作用在气缸盖底面，使其产生变形，接触燃气面受压应力，水腔面受拉应力。柴油机每经历一次工作循环，这种应力就作用一次，在这种机械应力的反复下，小的裂纹产生之后逐渐扩散至燃烧室的壁面；或着在原始铸造中就已存在缺陷，在机械应力的作用下可能产生裂纹，并逐渐扩展。

• • 1. 疲劳腐蚀与应力腐蚀

水腔面局部区域处于沸腾状态的冷却水会产生酸根离子，导致不同电位的晶粒间发生电化学腐蚀。同时，由于水中有一定数量的氧化金属溶解，水温越高，腐蚀越强。高频交变应力与腐蚀同时作用，导致金属材料的疲劳强度显著降低，造成疲劳腐蚀破坏。水蒸气与金属相互作用产生金属氧化物和氢，当氢渗透到裂纹尖端时，会脆化金属材料，造成应力腐蚀。

• • 1. 制造时的影响因素

1. 材料工艺

铸铁表面的任何缺陷都会降低疲劳强度。疲劳源与铸造时产生的微小裂纹、夹杂物、氧化物还有热处理引起的脱碳有关。

1. 设计结构

气缸盖底部气阀孔周围经常出现裂纹，原因是气缸盖的结构使金属具有较大的表面积，升温时的膨胀速度和冷却时的收缩速度都比较大。例如，当柴油机停止工作时，气缸盖的温度分布剧烈变化，热量通过冷却水和进排气管道迅速逸散。因此，底部表面的中心部位，尤其是气阀孔收缩迅速，产生拉应力。铸铁的抗拉强度较低，容易因此而产生裂纹。

• • 1. 操作不当

1. 装配质量上的影响

如果气缸盖螺栓不均匀拧紧，会导致气缸盖受力不均或者预紧过度等问题，容易造成裂纹的产生。由于喷油器安装不正确，通常会导致缸盖底面局部变形，这会增加喷油器孔受到的拉应力，容易造成裂纹。

1. 操作管理上的原因

冷车启动柴油机或者启动后猛然加速，会导致缸盖底面与水室表面温差过大，继而产生由于热应力的增大而引起的裂纹。冷却水不足或中断会导致零件过热。停车时循环冷却水过早中断，长期运行后水垢或锈斑无法清除，都会影响传热效果、造成裂纹。

• • 1. 缺乏维护保养

日常保养与维护是使机械寿命得到延长的重要任务。如果相关人员没有按照保养说明进行对其进行保养，则很难及时发现气缸盖存在的问题故障并及时检修。

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