表面工程中防銹、電鍍、表面強化及改性技術、涂裝是汽車工業中應用最廣泛的技術,特別是涂裝技術,綜合了表面轉化(Conversion Coating)和高分子涂層(Polymer Coating)等技術,已成為汽車制造中最主要的工藝技術之一。同時,本世紀汽車工業的飛速發展,又極大地推動了包括涂裝在內的表面工程技術同步發展。
本文以汽車涂裝為主,簡明介紹表面工程技術在中國汽車工業中的應用和發展。
1.中國汽車工業表面工程技術的發展進步
大量資料表明,國內外每年因銹蝕造成的損失相當驚人,據世界銀行最近發布,1996年美國國民總產值為國為74335億美元,因金屬腐蝕損失為2000億美元,約占國民生產總值的3.7%。汽車是以鋼材為主的工業制品,如不解決腐蝕問題,將嚴重影響汽車的使用壽命和外觀,因此汽車自問世之初,就與表面工程結下了不解之緣。1886年,“汽車之父”卡爾?奔馳在德國斯圖加特制造第一輛汽車時,就用油漆進行防銹和裝飾。100多年過去了,現代汽車不僅是集現代工業成就之大成的工業品,更是技術與藝術完美結合的藝術品,其間以汽車涂裝技術為代表的表面工程,為汽車的發展發揮了巨大作用。
中國汽車工業起步于50年代,近半個世紀來,伴隨著中國汽車工業發展的坎坷歷程,汽車涂裝從載重汽車車身涂裝發展至轎車車身涂裝,堅持引進、消化和開發的道路,使中國汽車涂裝技術逐步現代化。
1956年前,中國汽車維修涂裝處于手工除銹、手工刷涂階段;1956年,一汽從前蘇聯引進的工業化載貨車車身涂裝生產線建成投產,其工藝水平和涂裝用材略高于當時蘇聯的水平。
1966年~1985年,隨著科技進步,中國科技人員開發并采用陽極電泳涂裝以及氨基面漆、“濕碰濕”噴涂面漆工藝、表面活性劑清洗、紅外輻射烘干和靜電涂裝等汽車技術,在七十年代后期建成了集國內車身涂裝技術之大成的二汽車身涂裝生產線,標志了中國汽車涂裝已全面進入陽極電泳階段。
1983年,一汽、二汽、濟汽從英國 HADEN DRYSYS 公司引進浸式磷化處理、陰極電泳、水旋式噴漆室、推桿式運輸鏈等車身涂裝技術,并進行了消化吸收,迅速推廣到其它中小型汽車廠,表明中國汽車涂裝轉入陰極電泳、磷化處理階段。1988年以后,中國載貨車涂裝技術取得更大進步,如東風汽車公司目前有電泳涂裝線20條,水性浸漆線4條,水性漆噴涂線2條,在其主力載重車型中環保型涂料用量已達到目45.5%。同時,中國汽車工業發展重點向轎車生產轉移,大規模引進和合資興辦現代化轎車生產基地,一汽大眾、上海大眾、天津夏利、武漢神龍、上海通用等汽車公司引進的車身涂裝線相繼投產,采用了全浸式磷化處理、陰極電泳、擺桿式輸送系統、機械手自動噴涂車底涂料、集中供排風的大型上送風下抽風噴漆室、鴕鳥毛擦凈機、 高轉速杯式自動靜電噴涂機(ESTA)、帶廢氣處理燃燒爐(TAR)的冂字型烘干爐、中央控制、節能和防止公害等國際先進的車身涂裝技術和裝備,使中國汽車涂裝的工藝水平和自動化程度進入世界先進行列。
在整車涂裝技術發展的同時,中國汽車生產中的防銹、電鍍、表面處理、表面強化改性技術也得到長足進步。
中國汽車行業的防銹技術在50-60年代幾乎全是前蘇聯的模式。改革開放之后,我國汽車行業在各類新車型新機型和先進制造技術的同時,注意引進與自動生產線相配套的清洗防銹技術和管理方式。在“七五”“八五”期間開發了大量新的防銹材料工藝裝備,使中國汽車工業防銹清洗技術水平上了一個新的臺階。
早期的汽車電鍍主要是裝飾防護性電鍍,如保險杠裝飾鍍鉻,大量采用拋光工序,生產效率低,材料浪費多;在防蝕性鍍鋅中,幾乎全部是氰化電鍍,環境污染嚴重,功能性鍍層品種少,規模小。早在七十年代,東風汽車公司就開發并大范圍應用堿性無氰鍍鋅技術。近二十年來,中國的汽車工業飛速發展,促進了電鍍技術的發展,電鍍的品種和規模不斷擴大,功能性電鍍越來越多,電鍍設備也從以手工操作為主逐步轉化為以微機控制的自動化、半自動化機械設備、電鍍檢測設備也逐步改善。與此同時,表面處理也越來越滲入到汽車制造技術之中,如現在的磷化,已廣泛用于冷成型前的表面潤滑處理,促進了冷拔、冷鐓、冷擠壓等少無切削工藝的迅速發展;磷化用于高強度螺栓的處理,顯著改善了裝配的扭矩力;許多密封緊固件采用磷化和涂膠處理,有效防止松動及漏水、漏油、漏氣等故障。
在表面強化技術方面,中國從八十年代中期起,先后有數家工具廠從國外引進了氮化鈦涂層裝備和技術。東風公司刃量具廠于己于1985年從美國Vac-Feo公司引進了ATC涂層設備,使用十幾年來,取得了良好效果。另外,等離子體化學熱處理,激光熱處理等技術也都有了相當的應用與發展。
2.當代表面工程技術與中國汽車工業
近十五年,中國汽車工業迅速發展,自1992年汽車產量突破一百萬輛之后,一直保持著較高的增長速度,1997年汽車產量達到158萬輛,并重點發展轎車生產,大規模引進國際先進技術,興建了一汽大眾、上海大眾、武漢神龍、上海通用等現代化轎車生產基地,中國汽車工業中以涂裝技術為主的表面工程技術已接近或達到當前國際先進水平。
2.1汽車涂裝技術與汽車車身制造
涂裝技術是表面工程技術在汽車工業中應有最廣泛的工程技術,車身、貨廂、底盤、發動機、電氣設備及塑料件等都需進行涂裝,其中車身涂裝尤其是轎車車身涂裝,以工藝復雜、工序多、涂層質量要求高等特點而最具代表性。
以神龍汽車公司的車身涂裝線為例,該線于1997年建成投產,廠房為主體式結構,共分三層, 一層為輔助設施層;二層為工藝層,是主要的生產區域;三層為空調機組層。整個廠房采用鋼結構,全封閉式,通過廠房的空調系統來調節內部溫度和濕度,基本上能做到恒溫、恒濕,并始終保持廠房對環境的不同正壓和廠房內部的清潔度。在工藝層的平面布置上,根據不同操作的工藝特點分為超高潔凈區(中涂和面漆噴漆室)、高潔凈區(涂膠線、面漆返修線)、潔凈區(前處理--電泳線),對這些區域進行隔斷,并保持一定的壓力梯度。其廠房和工藝布置具有國際涂裝技術的先進水平。
涂裝工藝采用三涂層體系(3C3B),即電泳底漆涂層、中間涂層、面漆涂層,涂層總厚度為110~130μm,涂層質量達到雪鐵龍公司涂層質量標準的4M級,加上廣泛采用鍍鋅鋼板,保證車身10年內不出現穿孔腐蝕,是國內同類引進車型中要求最高的。
2.1.1涂裝前表面處理
為提高車身的耐腐蝕性,富康轎車的鍍鋅板的用量占全部鋼板用量的75%,遠遠高于國內其它引進的車型,所以選擇了適用于鍍鋅鋼板的三元磷化液(鋅、錳、鎳),采用浸、噴結合的方式進行處理。由于大量使用鍍鋅板,所以磷化后采用鉻酸鹽鈍化工藝,以提高磷化膜的耐蝕性。
值得強調的是,前處理運輸設備采用同步雙鏈擺桿式輸送機,它具有傳統的運輸機無法比擬的優勢:其輸送系統處于通道的兩側,避免了輸送機在運行過程中給車身和槽液帶來的污染;運行速度快,適用于大批量生產,而且速度調節范圍較大,裝掛方式靈活,能適應不同的產量;入槽、出槽的角度大,可達45o角,減少的設備長度,降低了設備投資。一汽大眾、上海大眾等公司的前處理線均采用了擺桿式輸送機。
東風汽車公司從八十年代以來,對涂裝前表面處理材料進行了潛心研究,先后開發了中溫和低溫脫脂劑、表面調整劑、中溫、低溫和常溫薄膜鋅鹽磷化劑、低鋅三元磷化劑等十余種涂裝前處理材料,應用于東風載貨汽車涂裝上。
2.1.2陰極電泳涂裝
目前,國際上陰極電泳涂料有兩大體系:1)美國PPG體系(雙組分、水乳液型);2)德國HOECHST體系(單組分、高固體分、水溶性型)。我國汽車涂裝使用的陰極電泳涂料均源自這兩大體系。
神龍公司的車身陰極電泳涂裝線于1997年初投產,全套設備從法國引進,具有世界先進水平。使用的陰極電泳漆是美國PPG公司的第四代(ED4)陰極電泳涂料,雙組分,樹脂乳液為W717,顏料漿為W716?,F在陰極電泳涂料已發展到第五代(ED5),其泳透力進一步提高,有機溶劑、顏料含量降低,且不含有害重金屬鉛,代表了陰極電泳涂料的發展趨勢。神龍公司已完成了ED4與ED5混溶的小試,計劃用一年左右的時間用ED5完全替代ED4,與世界先進水平保持同步。
超濾器(UF)是電泳涂裝中的關鍵設備,將超濾液逆工藝流程方向導入各清洗槽中清洗工件,回收90%以上的電泳涂料,降低電泳排放污染,并向電泳泵、超濾泵提供密封用水。八十年代后,反滲透技術(RO)得到迅速發展,1984年福特公司就將RO裝置應用在電泳涂裝線,此后UF+RO系統在電泳涂裝中得到廣泛的應用。在工藝布置上,RO裝置是接在UF裝置之后,用RO裝置過濾UF裝置的過濾液,RO過濾水提供給超濾清洗后的水洗工位,實現了電泳涂裝工藝全封閉化,提高了涂料回收率,減輕了廢水處理的負擔,節省了純水的用量。神龍公司第二條車身陰極電泳涂裝線就采用了UF+RO系統,并擬在第一條陰極電泳涂裝線增設RO裝置。
2.1.3車身涂膠
車身在電泳完畢后,需要對車身上防腐蝕的薄弱環節,如車身底板,焊接的縫隙、孔隙等處,都要涂上抗石擊涂料或焊縫密封涂料(俗稱密封膠)進行保護。
現代汽車涂裝所用的抗石擊涂料和焊縫密封膠都是以聚氯乙烯樹脂(PVC)為主要基料和增塑劑制成的無溶劑涂料,故又稱PVC涂料。施工方式以高壓擠涂或噴涂為主,富康轎車涂膠量達到每車9公斤,有效地防止了車身底板及焊縫出現過早銹蝕,保證了車身的密封性。
2.1.4中涂和面漆涂裝
中涂和面漆的涂裝是車身涂裝中最為重要的環節,它將直接影響汽車的裝飾性、耐候性和外觀, 其涂料品種和涂裝技術也是汽車涂裝工藝中發展最快的,歷來受汽車廠家的重視。國內汽車用中涂漆品種多為氨基或聚氨酯中涂,以灰色為主;汽車用面漆多采用三聚氰氨醇酸樹脂面漆和丙烯酸樹脂面漆,以金屬閃光漆為主,本色漆所占的比例越來越小,富康轎車十種顏色中僅有一種本色漆。
中涂和面漆涂裝普遍采用高速旋杯自動靜電噴涂機,以提高漆膜外觀質量和涂著效率。國內一汽大眾、上海大眾、上海通用、天津華夏等公司都采用了高速旋杯自動靜電噴涂機,據不完全統計,目前共有40多套高速旋杯自動靜電噴涂機服役于汽車涂裝線。神龍公司目前仍采用過渡性手工噴涂,現在正進行自動靜電噴涂機項目增補,預計2000年4月投入使用。
噴漆室是車身中涂和面漆涂裝的主要設備,國內各大汽車公司的噴漆室均為大型的上送風下抽風濕式噴漆室,噴漆室配備有空調供風系統、自動除渣系統和集中輸調漆系統,車身運輸設備采用滑撬運輸系統或倒置式推桿運輸系統,由PLC控制,全自動運行,并能進行手動與自動的切換。
中涂和面漆的涂裝也是汽車涂裝中排放揮發性有機物(VOC)最多的工序,占VOC排放總量的80%以上。為控制汽車涂裝生產對環境的污染,美國與歐洲制定了嚴格的環保法規,限制VOC的排放量。在歐洲,中涂、面漆已實現了水性化,并開發了在電泳漆濕膜上“濕碰濕”噴涂水性中涂的工藝。我國早在70年代就開始水性漆的研究,但發展較為緩慢,目前僅有供汽車底盤零件用的水性浸漆和水性噴漆,尚無可實用的水性中涂和面漆。另外,由于水性中涂、面漆的涂裝工藝難度大,設備投資高,所以近階段我國汽車涂裝中還無法普及水性中涂和面漆,僅上海通用公司和上海大眾公司新涂裝線考慮使用水性中涂和水性面漆,但我們應積極做好技術儲備,以適應今后的發展。
2.1.5漆膜固化設備
目前國內漆膜固化設備的熱源主要為電和燃氣,富康轎車的漆膜固化設備采用燃氣烘干爐,以熱風對流循環的加熱方式為主。烘干爐的焚燒爐具有廢氣處理及熱能綜合利用功能,VOC含量降到25×10-6以下,CO含量降到50×10-6左右。國內有的汽車廠家,如一汽大眾,使用橋式烘干爐或冂字型烘干爐,減少了熱量損失;并利用烘干爐下部作為車身貯存區,節約了廠房面積。
近年來,高紅外快速固化技術在電泳涂裝和粉未涂裝中的成功應用,引起了人們的重視。所謂高紅外即快速提供高能量、高密度、全波段強力紅外輻射,能瞬間提供大能量的熱源。錦州紅外技術應用研究所等單位應用高紅外技術開發了涂膜固化設備,成功地改造了一汽吉林輕型車廠的電泳烘干爐,使烘干時間縮短了一半,運輸鏈速度提高了一倍,產量翻了一番,充分顯示出高紅外技術的高效、節能、節省投資的特點。
東風汽車公司也在車架廠小件電泳涂裝線和撥叉件粉末涂裝線成功應用了高紅外固化技術。神龍公司曾與錦州紅外所合作,進行過電泳烘干爐改造的可行性研究。
2.2表面工程技術與汽車零部件生產
2.2.1清洗防銹技術
汽車在制造過程中,清洗貫穿生產全過程,是防銹的基礎性前期工序。清潔度是衡量零部件質量的重要標準,特別是發動機的清潔度代表了發動機的制造水平。
在清洗工藝裝備方面:清洗方式由過去的浸洗或單一的通過式噴淋清洗發展到高壓、定點、定位沖洗,超聲波清洗,多步清洗。這些清洗設備的特點是功能齊全,能使清洗、漂洗、烘干一道完成,提高了產品清洗質量,保證了零件的清潔度。
在清洗材料方面:各汽車生產廠家圍繞改善環境、降低能源消耗,開展了以水劑清洗劑代替有機溶劑和高溫堿液清洗劑的研究工作,并成功地開發了一批專用或多功能的清洗劑,如:東風汽車公司開發的DF-2清洗劑,其去油能力強,無泡,適應高壓清洗,不含有毒物質亞硝酸鈉。與傳統的堿液清洗劑相比,降低了清洗溫度,不影響缸體的測量精度,減少了更換次數,降低了材料消耗,可降低生產成本50%~60%。在東風康明斯發動機,神龍富康轎車發動機,EQ491發動機生產中應用,取得了可觀的經濟效益。
汽車制造過程的防銹,如原鑄件毛坯防銹,過去均采用涂漆工藝,存在著工藝復雜、環境條件差、能耗高等缺陷,而且涂層在加工過程中易被破壞脫落,影響了零件的清潔度和防銹性。為此東風汽車公司開發了DWP-1水性防銹劑,以取代涂漆工藝,施工簡單、安全、無氣味、節省能源,與涂漆工藝相比降低生產成本2~3倍,現已用于生產,一汽等廠也都采用水劑防銹工藝取代涂漆工藝。此外,鍛件毛坯防銹、熱軋鋼板酸洗后的防銹,均采用水劑防銹工藝。
2.2.2電鍍、磷化技術
汽車使用環境十分惡劣,因此如何保證底盤的耐蝕性是非常重要的。在底盤制造中,電鍍方面東風汽車公司作了兩項重大工藝改進:
剎車管內外鍍鋅工藝:鍍鋅工藝與傳統熱浸鉛錫合金工藝相比,耐蝕性得到顯著提高,中性鹽霧試驗結果表明:鉛錫合金管24小時就出現銹蝕,而內外鍍鋅管卻能經受72小時而不腐蝕。
單一鈍化和強化鈍化工藝:近年來,為滿足神龍富康轎車鍍鋅件的耐蝕性要求,東風汽車 公司開發了單一鈍化和強化鈍化處理工藝,效果顯著,得到法方認可。單一鈍化是目前常用的三酸(鉻酐、硫酸、硝酸)鈍化工藝的改進,鍍鋅和鈍化的工藝流程不變,通過對鈍化液的調整、補充而獲得一種新型彩色鈍化膜,膜層較厚,不易擦傷,耐蝕性好,中性鹽霧試驗可達200小時不出現白膜。強化鈍化的機理是:工件經過彩色鈍化后,其表面層含有大量的六價鉻和結晶水,浸入QD處理液后,處理液與六價鉻發生反應,生成一種合成膜,這種合成膜可經受120℃,1小時的熱沖擊,其后的中性鹽霧試驗200小時不出現銹蝕,這種高耐蝕性正是汽車所需要的。現在,轎車上的散熱器主片、吊耳總成、制動軟軸支架等數十種零件均已采用了該工藝。
隨后,為了滿足高強度螺栓的特殊要求,我們又開發了QD-20處理液。用QD-20處理液對螺栓進行鍍鋅鈍化后的處理,摩擦系數降低,散度小,而其耐蝕性、耐熱性仍保持了QD-1的特點。
在汽車的零部件生產過程中,磷化工藝越來越受到重視,應用范圍也越來越廣,我們已開發了數種磷化工藝,以滿足不同的產品要求。
厚膜鋅系磷化工藝。該工藝特點是磷化膜較厚(10 -20μm),摩擦系數低,該磷化膜經皂化后形成鋅皂膜,具有較強的附著性能和潤滑性能,在變形量大的冷擠壓或拉伸過程中成為模具和工件的隔離潤滑層,避免工件的拉傷或模具的粘連。鋅鹽磷化工藝的開發極大地促進了冷加工技術的推廣和應用。
錳系細晶磷化工藝。由于錳系磷化膜比鋅系磷化膜硬度高、熱穩定性好,因此錳系磷化膜更適合于磨配磷化處理。在八十年代,東風汽車公司開發了錳系細晶磷化工藝。其關鍵技術是研制一種錳鹽細化劑(MF細化劑),在磷化前對工件進行表面調整,使其表面形成許多細小晶核,這些晶核在磷化過程中成為活化中心,加速磷化反應的進行,使磷化膜細致、均勻,耐蝕性優良,并在磷化中加入復合促進劑,進一步加快磷化反應的速度。該工藝廣泛用于活塞環、挺桿、齒輪等工件的磨配處理和防蝕處理。其后我們又開發了中溫錳系細晶磷化工藝,其特點是在錳鹽磷化液中加入混合穩定劑和促進劑,從而使槽液更穩定,沉渣量少,工作溫度有所降低。
九十年代,隨著中國汽車工業的發展,越來越多的零件需要進行磷化處理,為此我們開發了各種磷化工藝以適應不同的技術要求。其中具有代表性的就是磨配磷化處理。該磷化膜呈深灰色,結晶細致、均勻致密,膜層重量為17g/m2;磷化膜耐蝕良好,用CuSO4滴定在5min以上。經封閉處理后耐中性鹽霧試驗72小時以上;磷化膜抗磨性能好,用SHELL四球機試驗,磷化膜的卡咬負荷大于3500N。本工藝已正式用于轎車零件和載重車的活塞環、挺桿、齒輪、銷鈾等工件的磷化處理。
2.3等離子體熱處理和激光熱處理
等離子體熱處理是金屬表面改性工程中重要的技術,如離子滲氮、離子滲碳、離子滲金屬、離子滲硼、離子多元共滲等,其中離子滲氮由于具有工藝周期短,成本低,強化效果顯著,強化質量穩定,清潔,無公害,零件變形小等一系列優點,近年來,這一工藝在我國汽車生產中得到廣泛應用。目前,我國有數家內燃機廠,如朝陽柴油機廠、玉林柴油機廠均對發動機曲軸采用離子滲氮處理,對提高曲軸表面耐磨性和疲勞性能有顯著效果。
東風汽車公司對EQ491發動機凸輪軸等零件采用了離子滲氮工藝,凸輪軸材料為可淬硬鉻鉬合金鑄鐵,離子滲氮每爐裝300件凸輪軸,在500℃滲氮3小時后,表面硬度可以達到650~720HV,耐磨性和抗擦傷性能得到顯著提高,達到國外同類產品的性能水平。
中國激光熱處理技術的研究起步于八十年代初,九十年代初進入工業應用。研究較多、應用較成功的是對汽車發動機缸體、缸套以及其它內燃機缸套的激光表面淬火處理。
利用高能量高密度的激光在軟的鑄鐵基體上進行快速加熱,通過自冷淬火,使表面形成硬度達680~750HV的螺旋狀或網狀分布的激光硬化帶。激光淬火形成的軟硬相間的硬化結構,使缸套與活塞之間的潤滑性得到改善,降低了摩擦系數,縮短了初期磨合時間,同時具有優越的配付性和抗拉缸性能。與普通缸套相比,耐磨性提高25~30%,壽命提高25~40%,與之相匹配的活塞環的壽命提高40~46%以上。
西安內燃機配件廠于1990年建成中國第一條氣缸套激光熱處理生產線,到1998年,該廠已形成由12臺激光器組成的年產120萬只氣缸套的激光熱處理生產線。北京切諾基于1997年建成了缸體激光熱處理生產線,提高了發動機的使用壽命。
東風汽車公司對汽車轉向器殼體和側蓋等零件進行了激光表面強化工藝的研究和性能試驗。取消DX軸承,對殼體和側蓋(QT400-100)內孔表面進行激光淬火處理,形成深為0.2~0.3mm,帶寬為0.3mm,硬度為650~720HV的螺旋式硬化淬火層,臺架和道路試驗結果證明,激光淬火零件的耐磨性優于DX軸承,且激光淬火的轉向器總成具有正轉、逆轉效率高,轉向力矩小的優點。
此外汽車鋼板制造中使用的軋輥采用激光毛化技術,對提高軋輥使用壽命,改善薄板沖壓性能,提高車身漆后表面光亮度等方面均有很好效果。
2.3表面強化技術在汽車工業中的應用
表面強化工藝在不改變零件幾何尺寸的前提下,大幅度提高汽車零件的承載能力,而成本卻十分低廉。
東風汽車公司常用的機械表面化處理有噴丸強化和滾壓強化兩類。
早在七十年代,東風汽車公司就用噴丸強化解決了汽閥彈簧和變速箱1-倒檔齒輪的早期斷裂問題,該工藝已成為汽車懸掛彈簧的常規工藝方法。
滾壓強化使東風汽車公司生產的6102D2球鐵曲軸的抗彎疲勞極限提高了152%,較同型的35GrMo鍛鋼曲軸高50%以上。該技術于1998年開始用于生產后,取代了昂貴的鍛鋼曲軸,不僅提高了曲軸的可靠性,還顯著降低生產成本,每年可創造一千多萬元的經濟效益。
通過多輪單拐疲勞極限之后,采用球鐵試制的東風康明斯4BTAA發動機曲軸不久前已通過了1000小時的熱機臺架實驗和5萬公里的用戶行車試驗(目前行車試驗還在繼續),有望在不久的將來取代鍛鋼曲軸用于大批量生產。值得注意的是,4BTAA發動機采用的增壓、中冷措施,使發動機的爆發壓力提高了13.6 Mpa,在熱負荷如此高的車用柴油機上采用球鐵曲軸,目前尚未見有公開報導,充分說明了東風汽車公司在國內表面滾壓強化研究上的領先地位。
在汽車零部件的加工過程中,需要數以萬記得模具,每年模具的加工制造成本就在千萬元以上,因此為提高模具的使用壽命,我國的科技人員作了不少努力。
東風汽車公司近十年以來,先后在HT200鑄模和鋁模上采用化學鍍鎳、刷鍍和電鍍合金的工藝做了大量修復強化處理,并取得顯著效果。模具壽命提高50%,并且脫模性好,提高了零件的光潔度。尤其對磨損模具進行尺寸修復,可使大量頻于報廢的模具重新使用。
值得提出的是,采用刷鍍的方法對大型模具進行現場不解體修復,修復時間短??晒澥〈罅咳肆ξ锪?,具有十分可觀的經濟效益。
根據不同模具的使用特點和要求,我們還采用復合鍍的方法來提高模具表面的硬度和耐磨性能,如電鍍鎳鎢磷合金、鎳鐵磷合金、鈷鎢磷合金、電鍍硬鎢等工藝。
等離子表面改性技術是金屬表面改性工程中的重要技術,近年來發展較快。東風汽車公司刃量具廠于85年從美國Vac-Feo公司引進了氮化鈦涂層技術(TIN涂層)和設備,使用十幾年來,取得了良好效果。
用于加工變速箱齒輪(材料200CrMnTi,硬度156~20HB)的剃齒滾刀,經涂層處理后壽命提高了2.0~2.5倍,加工軸類零件的花鍵滾刀,經涂層處理后壽命提高了3~4倍。TiN涂層刀具能夠在生產中得以成功應用,主要因為涂層刀具有以下優點:1)切削速度提高,生產節奏加快;2)被加工零件表面粗糙度改進;3)刀具壽命提高,消耗減少;4)減少換刀停工工時。截止目前,齒輪滾刀、花鍵滾刀、插齒刀、圓盤拉刀、圓形樣板刀等刀具全部采用離子鍍TiN涂層處理,鉆頭、絲錐、拉刀部分進行離子鍍TiN涂層處理。
離子鍍TiN涂層技術在東風汽車公司刃模具上的應用,已累計為公司創造了數千萬的經濟效益。
神龍汽車有限公司在轎車變速箱從動齒輪加工中,引進采用了法國的火焰噴鉬工藝,對從動齒輪錐面進行噴鉬涂層處理,大大提高了齒輪的耐磨性,表面硬度可達700~1025HV,神龍汽車公司成為國內極少數掌握和采用此項先進技術的廠家之一。
3.汽車工業領域未來表面工程技術展望
二十世紀,是包括汽車工業和表面工程在內的各項科學技術飛速發展的時代,為人類文明和進步,為世界經濟的繁榮作出了巨大貢獻。但應該看到,前二百年工業革命以來人類社會在獲得巨大進步的同時,我們也面臨著環境污染加劇、生態平衡失調、森林破壞猖獗、土地沙化嚴重、溫室效應使全球氣候異常、臭氧空洞使地球大氣保護層受到破壞等全球性災難,這難道是工業化必然要付出的代價嗎?
如果人類社會在進步的過程中不能維護好人類唯一生存家園-地球的健康和完好,那么人類就不是在進步,而是在走向自我消亡。保護環境、節約資源這一重大課題正是下世紀全人類共同的課題。
中國政府提出可持續發展戰略部署,指出當今經濟發展要維護子孫后代的利益。我們深信,比以往更智慧、更成熟的人類一定會在下一世紀解決好上述這些歷史遺留問題,人類的明天和人類的家園一定會更加美好。
汽車工業領域中的表面工程技術,曾經為汽車工業的發展作出了巨大貢獻,但他對環境的污染同時又給汽車工業的發展蒙上了陰影。所以今后表面工程一方面要適應未來汽車工業發展的新要求,一方面又要在減少或消除環境污染上作出新貢獻。
3.1表面工程的發展方向
3.1.1追求零排放
中國汽車工業中的表面工程,無論是涂裝、電鍍、熱處理,還是其他形式的處理,均有廢水、廢氣、廢渣的排放問題。盡管目前一些先進廠家已經進行了嚴格控制,但離零排放還有很大距離,一些有毒有害物質仍然通過排放進入自然環境之中,有些中小企業更是污染驚人。
歐洲1996年環保法規要求,汽車涂裝中有機溶劑(VOC)排放量不得超過35g/m2,而目前我國的標準是180g/m2,差距很大。
陰極電泳后的清洗,國際上先進的做法是采用超濾系統(UF)與反滲透系統(RO)聯合的全封閉清洗,為零排放奠定基礎,而我們僅有少數采用了反滲透技術,離零排放差距甚遠。
要實現零排放,我國表面工程無論在技術上,還是在裝備上,均應有新的探索和提高。除了中國的有關科技人員應加倍努力外,我們還希望得到先進國家的支持。今天是表面工程國際會議,在這里我向大會倡議:在表面工程領域或其他學科,凡一切有利于改善全球環境的新技術、新材料、新工藝,它們的專利轉讓應比其他一般專利轉讓優惠!實行全人類共享,并全力在全世界推廣,因為地球村里任何一處的環境污染,最終都會危及其他區域。所以我想通過大會向聯合國有關部門建議,對已證明有效的環境科學方面所有新技術、新材料、新工藝,應制訂有利于全人類共享,在全球推廣的法規和實施細則,促進世界各國在環境科學上的協調合作。
在引進國外先進技術的同時,我國的科技工作者應堅持走消化吸收、自主開發的道路,致力于民族工業的發展。
3.1.2全方位實施綜合利用
表面工程與化學工業有著不解之緣,化學工業從原材料提取、制造產品、投入使用到排放物收集,應是一套完整系統。第一我們要實現這一系統的封閉循環,這是化學工業甩掉臟帽子的根本路徑。第二要把這一系統延伸到三廢的綜合利用。
神龍汽車公司從磷化液中將大部分磷化渣壓濾成渣,已經很先進了,但問題是這些廢渣沒有廠家回收再利用,我們只好付錢交給地方某部門挖坑深埋,仍然是遺害于自然、遺害于后代的做法。類似這種現象在全國、全世界都十分普遍。
如何在全方位實現工業三廢的綜合利用,是包括表面工程學科在內的廣大科技工作者的奮斗目標。從理論上講,化學反應在一定條件下是可以逆向進行的,有化合,就有分解,更何況當代科學已經可以在實驗室里進行分子和原子的重組,因此廢料的綜合利用一定能實現。不妨可以設想,所有提供化工產品的企業,同時應承擔產品使用之后所產生廢物的回收利用,把產品開發和廢物回收利用的責任歸于一家,有利于集中學科優勢,加快綜合利用實施步伐。我們有理由相信,在二十一世紀“三廢”這個詞可以從詞典中消除。
3.1.3 全力開發低毒低害直至無毒無害材料
工業化過程中產生有毒有害的排放物,我們可以通過封閉循環、實現零排放、加強三廢綜合利用來防止有害物質進入自然環境,這是被動的無可奈何的事后措施。最好的辦法莫過于從一開始就開發無毒無害材料。
隨著科學技術的進步,隨著人們對一些物質污染自然環境認識的提高,人類已經在開發無毒無害材料作出了巨大努力。如過去通行的殺蟲劑“敵敵畏”、“DDT”已經 禁止使用,一些無害殺蟲劑特別是微生物制品陸續投入使用。又如汽車燃料過去采用汽車含鉛汽油,以利于發動機燃燒時的潤滑,當人們認識到有鉛汽油污染環境后,開發出了無鉛汽油和電噴發動機及三元催化裝置。再如在磷化鈍化工藝中,過去采用高鉻鈍化,對環境毒害很大,后來開發了低鉻鈍化,現在又向無鉻鈍化方向發展。電泳漆、面漆的水性化發展也說明了表面工程在開發低毒低害材料方面所作出的貢獻。
但是,進一步開發低毒低害、無毒無害材料仍然是包括表面工程學科在內的科學領域主要課題,如在表面處理、涂裝中廣泛采用的磷化工藝應認真研究,大家知道氮、磷等富營養化物質是造成海洋赤潮這一世界公害的主要原因,目前家用洗滌行業已注意開發無磷洗滌用品,汽車工業中使用的清洗劑應向無磷無氮方向發展。
3.1.4 應著重研究低能耗技術
應用于汽車工業的表面工程技術和裝備,是汽車工業能源消耗的大頭,而降低能耗是全球各工業領域的永恒主題。
汽車工業中表面工程技術在降低能耗方面的潛力是巨大的,如涂裝工藝中前處理各槽液溫度、電泳和面漆的烘干溫度哪怕其標準下降1~2℃,其累計的經濟效益就十分可觀。而作為汽車制造廠家,夢寐以求的是有一天實現所有的處理工藝在常溫下進行,這在今天看來不是天方夜談,但隨著科學技術無止境發展,隨著一代代新材料研制開發和各種新工藝、新裝置的不斷應用,我們相信這一天必定會到來。
3.1.5 進一步提高自動化水平
汽車工業中的表面工程作業區,往往是勞動強度較大、對人體潛在危害較大的區域,因此,我們對進一步提高表面工程工藝裝備的自動化水平寄予熱切希望。
自動化水平應體現在:自動配料加料、自動調整和控制工藝參數、自動檢測、自動顯示、自動報警、自動化運輸、自動故障排除、機器人操作等各個方面。
當今日益成熟的計算機技術、自動控制技術、信息技術、先進的機械電氣元件等為表面工程工藝裝備進一步自動化創造了非常好的基礎,而且以上先進技術又以日新月異的速度不斷發展,在汽車工業和表面工程的科技人員共同努力下,最終實現表面工程無人作業是可能的。
3.2 汽車工業與表面工程的遠景展望
我們如何描繪五十年后、一百年后的汽車工業未來,恐怕憑我們目前的知識水平和想象力是無法勝任的,講下去,這篇報告怕要成為科幻小說。
也許汽車工業今后將會有三個發展時期:第一,未來二、三十年內,汽車將采用非石油制品燃料、氫燃料作為主要動力源;衛星導航系統和全自動控制將普遍裝備在汽車上,汽車可能實現無人駕駛;汽車已由過去的交通運輸工具轉化為活動家庭,也許部分居民會象“水上人家”一樣生活在汽車這個“活動家庭”之中;汽車將從目前以鋼材為主體材料轉變為以非金屬或合成材料為主體材料;第二,未來四十年到八十年,“懸浮技術”、“氣墊技術”可能會在小型靈活的汽車上得到應用,未來的汽車可能會甩掉伴隨它一百多年的輪子。另一方面,真正可用于“水陸兩用”的多功能汽車可能會開發出來;此時,汽車開始擺脫目前對汽車的定義。第三,八十年~一百年后,汽車作為一個歷史階段的陸上運輸工具將從此消失,代之出現的是用嶄新科技和能源武裝的小型靈活水陸空并用的載人器具。
對照如此描繪的未來汽車,未來表面工程也會出現難以想象的變化。這種變化可能表現在以下幾個方面:1)表面工程可能由現今的產品加工時的事后被動處理,變為在原材料制造時就同時進行的事前主動處理,使工業制品免去了后期強化處理工序;2)表面工程由目前的處理金屬材料為主,擴大到能處理范圍更大的其他材料;3)表面工程技術與材料制造技術和產品加工技術結合起來,使生產出的材料和工業制品一次滿足強度、硬度、色彩等需求;4)表面工程技術與原子、分子重組技術、智能成型技術結合在一起,可以隨意獲取所需結構、性能、形狀、色彩的產品。此時表面工程也許將結束作為一個單獨學科分支的歷史。科學的發展使各學科由合到分,由粗到細,最后九九歸一,各種學科匯合在一起,難分你我,這是歷史的必然。到了那個時候,人類文明將會在宇宙中放射出更加燦爛的光輝!