一種輕量化耐磨汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)套缸加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種輕量化耐磨汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套 及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著世界工業(yè)的發(fā)展，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)已應(yīng)用到各大生產(chǎn)領(lǐng)域，當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)技術(shù) 已經(jīng)非常成熟，但是一部分惡劣環(huán)境下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)還是會(huì)出現(xiàn)拉缸的現(xiàn)象，出現(xiàn)拉缸這 樣的情況，很大一部分原因是因?yàn)楦滋椎臒崃繘]有及時(shí)散發(fā)出去，傳統(tǒng)的缸套材料單一，在 惡劣環(huán)境下工作，其傳熱能力不能達(dá)到要求，因此急需一種新的技術(shù)來解決上述技術(shù)缺陷。 [0003]目前，汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用鈹銅合金氣缸體。為了降低整機(jī)重量的同時(shí)能夠保 證氣缸套的耐磨性，通常采用在氣缸體中預(yù)鑄由鑄鐵制成的氣缸套結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有的氣缸套外 表面一般采用機(jī)械加工形成溝槽10或鑄造蘑菇狀倒刺20的形式來保證鑄鐵氣缸套與鑄鋁 氣缸體之間的緊密結(jié)合，以防止氣缸套從氣缸體脫落。然而，采用機(jī)械加工溝槽的方式要浪 費(fèi)大量的金屬，而且為了保證加工時(shí)氣缸套不變形，氣缸套要做的很厚，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的輕 量化和小型化；采用蘑菇狀倒刺形式的氣缸套由于無法拔模等問題，無法采用傳統(tǒng)的鑄造 工藝，鑄造難度較大，成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提出了一種力學(xué)性能優(yōu)良、吸音、 減振的輕量化耐磨汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套。
[0005] 本發(fā)明的目的可通過下列技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種輕量化耐磨汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套，所 述缸套由多孔鈹銅合金陶瓷制成，在套缸的內(nèi)壁涂覆有一層耐磨導(dǎo)熱層，所述多孔鈹銅合 金陶瓷包括質(zhì)量比為100 : (60. 0-136. 2) : (0. 7-1. 2) : (9-12)的鈹銅合金粉、陶瓷粉、致孔 劑和樹脂粘結(jié)劑。
[0006] 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)套缸在工作時(shí)要承受高溫、高壓和很大的摩擦力，尤其是套缸內(nèi)壁，因 此要求汽車發(fā)動(dòng)機(jī)套缸要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、剛度和高溫性能。本發(fā)明的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)套缸 采用多孔鈹銅合金陶瓷制成，在致孔劑作用下，多孔鈹銅合金陶瓷內(nèi)部彌散生成大量獨(dú)立 存在的閉孔孔洞。鈹銅合金較高的硬度及優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，可使套缸在工作中具有較理想 的抗高壓能力。多孔鈹銅合金陶瓷綜合多孔陶瓷和多孔鈹銅合金的優(yōu)點(diǎn)，具有一般材料所 不能比擬的高硬度、高強(qiáng)度、抗磨損、抗酸堿、耐高溫、耐沖擊等性能，同時(shí)具有比重小、吸振 及吸音性能好等特點(diǎn)，而且通過顆粒控制可使其表面光結(jié)度達(dá)到所需要求。但是多孔材料 的導(dǎo)熱性能一般較差，為了進(jìn)一步增加套缸內(nèi)壁的導(dǎo)熱性和耐磨性，本發(fā)明在套缸內(nèi)壁涂 覆有一層耐磨導(dǎo)熱層。因此本發(fā)明的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)套缸具有很高的強(qiáng)度和剛度，并且整體質(zhì) 量小，可大幅減少套缸工作時(shí)的震動(dòng)和噪音，并且有很強(qiáng)的抗腐蝕性和耐磨性，具有優(yōu)良的 力學(xué)性能和使用性能。
[0007] 作為優(yōu)選，所述多孔鈹銅合金陶瓷的孔隙率為50. 0-68. 5 %，孔徑為 10. 5-19. 0 μ m〇
[0008] 多孔鈹銅合金陶瓷的孔隙率和孔徑大小決定了產(chǎn)品最終的力學(xué)性能和機(jī)械性能， 在上述孔隙率和孔徑的范圍內(nèi)，多孔鈹銅合金陶瓷的綜合性能達(dá)到最優(yōu)，具有最佳的硬度、 強(qiáng)度、抗沖擊等性能和最低的密度。
[0009] 作為優(yōu)選，所述鈹銅合金粉的粒徑為3-12 μ m，陶瓷粉的粒徑為30-70nm。
[0010] 多孔鈹銅合金陶瓷的孔隙大小和孔隙特性主要取決于制備工藝和原料粉體粒徑， 為了得到整體力學(xué)性能優(yōu)良、比重較小、導(dǎo)熱性能好的多孔鈹銅合金陶瓷，本發(fā)明將鈹銅合 金粉和陶瓷粉的粒徑限制在上述范圍內(nèi)。原料粉體的粒徑越小，活性越高，越容易燒結(jié)。在 上述鈹銅合金粉和陶瓷粉的粒徑范圍內(nèi)，均布在密實(shí)的鈹銅合金陶瓷基體中的致孔劑產(chǎn)生 分解，釋放的氣體導(dǎo)致壓實(shí)體膨脹，形成具有細(xì)密均勻多孔結(jié)構(gòu)的鈹銅合金陶瓷。
[0011] 作為優(yōu)選，所述鈹銅合金粉由以下質(zhì)量百分比的組分組成：2.0-2.3% Be， 0· 30-0. 45% Co,0. 5-0. 65% Si，2. 3-3. 0% Ni，0. 3-0. 5% Mg，0. 2-0. 5% RE，余量為 Cu。
[0012] 本發(fā)明鈹銅合金粉中的Be的含量較高，并且增加了 2.3-3. 0%的Ni元素，Ni與 Be可以形成NiBe化合物。NiBe化合物在Cu中的溶解度隨溫度的下降而減小，因此在冷卻 過程中，NiBe化合物從組織中的析出，隨著Ni元素含量的增加，析出的NiBe化合物數(shù)量增 加，可以提高合金強(qiáng)化效果，提高合金硬度。添加的稀土元素和Mg元素，具有凈化晶界，提 尚導(dǎo)電性和細(xì)化晶粒的作用，有利于提尚了材料初性的提尚。
[0013] 作為優(yōu)選，所述陶瓷粉為β -SiC-HBN復(fù)合粉體，包括質(zhì)量比為100 : (42. 8-57. 1) 的 β -SiC 和 HBN。
[0014] β -SiC和HBN均具有耐熱、耐磨、耐腐蝕、導(dǎo)熱性能好和低膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，在 加熱和冷卻過程中受到的熱應(yīng)力很??；并且均具有較低的比重，β-SiC-HBN復(fù)合粉體以 細(xì)顆粒相均勻分布于鈹銅合金相中，鈹銅合金以連續(xù)的薄膜狀態(tài)存在，將陶瓷顆粒包圍。 由于β -SiC與HBN的熱膨脹系數(shù)存在一定的差別，致使HBN晶粒發(fā)生晶內(nèi)脫層作用，在 β-SiC-HBN復(fù)合相內(nèi)產(chǎn)生許多微孔，這些微孔的存在可以有效緩解由于高溫引起的熱膨 脹，因而極大地改善了材料整體的抗熱震性。因此使用β-SiC-HBN復(fù)合粉體與鈹銅合金復(fù) 合制備的套缸具有較好的抗熱震性，并且具有較好的導(dǎo)熱性能。
[0015] 作為優(yōu)選，所述β-SiC-HBN復(fù)合粉體的制備方法為：將摩爾比為1 : (2-3)的 氏8〇3、〇)(順2)2溶于無水乙醇中，攪拌，加入6〇-8〇%￥/￥的0-3扣，在8〇〇-84〇°(：氮?dú)庵蟹?應(yīng)制得β-SiC-HBN復(fù)合粉體。
[0016] 作為優(yōu)選，所述致孔劑為致孔劑I、致孔劑II和致孔劑III的混合物，致孔劑I的含 量占混合物總質(zhì)量的10-15%，致孔劑II的含量占混合物總質(zhì)量的35-55%，余量為致孔 劑III。所述致孔劑I為TiH2、ZrH2、附氏中的一種或幾種，致孔劑II為SrCO 3、CaC03、MgC03、 CaMg (C03) 2中的一種或幾種，致孔劑III為偶氮二甲酰胺。
[0017] 本發(fā)明將性質(zhì)不同的致孔劑配合使用，其中，致孔劑I、致孔劑II為吸熱型致孔 劑，致孔劑III為放熱性致孔劑，混合可以抵消其對多孔鈹銅合金陶瓷致孔化過程的影響，使 氣孔均勻生長，致孔劑I、致孔劑II和致孔劑III的反應(yīng)溫度不同，可以在燒結(jié)的不同時(shí)間持 續(xù)均勻釋放氣體，使生成孔洞均勻且致密。
[0018] 作為優(yōu)選，所述致孔劑的外層包覆有一層網(wǎng)絡(luò)狀的SiC層。
[0019] 由于致孔劑在300-400°C時(shí)就開始反應(yīng)放出氣體，在燒結(jié)所用的較高的溫度小會(huì) 劇烈反應(yīng)，短時(shí)間內(nèi)釋放大量氣體，導(dǎo)致所形成的孔洞難以達(dá)到滿意的效果，影響最終產(chǎn)品 的性能，因此本發(fā)明在致孔劑的外層包覆有一層網(wǎng)絡(luò)狀的Sic層，SiC的抗高溫性能較好， 可以使致孔劑緩慢釋放氣體，使多孔鈹銅合金陶瓷得到均一細(xì)密的孔洞。
[0020] 作為優(yōu)選，所述耐磨導(dǎo)熱層為SiC/Si3N4復(fù)合陶瓷層，該陶瓷層由以下質(zhì)量百分比 的組分組成：3· 0-6. 1 % C，25-35 % N，3. 0-3. 5 % Cu，5-7. 5 % Fe，1. 0-1. 5 % Υ，0· 8-1. 2% Ce，余量為Si。
[0021] 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)套缸在工作時(shí)其內(nèi)壁要承受高溫、高壓和很大的摩擦力，零件的失效 往往從表面開始，因此本發(fā)明在套缸內(nèi)壁設(shè)置一層耐磨導(dǎo)熱層。SiC和Si3N4均具有優(yōu)良的 耐磨性和機(jī)械強(qiáng)度，以及良好的熱導(dǎo)率和熱穩(wěn)定性，熔點(diǎn)高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，并且Si3N4具有 優(yōu)良的抗熱震性能。SiC/Si3N4復(fù)合陶瓷由于超細(xì)的SiC顆粒彌散在Si 3N4晶界或晶內(nèi)，由彌 散粒子SiC承受應(yīng)力，產(chǎn)生微裂紋，阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)或產(chǎn)生釘扎作用而增韌Si3N4，使SiC/Si 3N4復(fù)合陶瓷具有優(yōu)良的韌性。同時(shí)，由于SiC與Si3N4的熱膨脹系數(shù)存在差異，分布于Si 3N4晶 粒內(nèi)的SiC顆粒與Si3N4之間在燒結(jié)后存在殘余應(yīng)力，在材料受載時(shí)產(chǎn)生晶內(nèi)破壞，造成穿 晶斷裂，從而提高材料強(qiáng)度。Cu和Fe的添加，降低了陶瓷層的顯氣孔率，增加了陶瓷層的 體積密度，從而增加了其導(dǎo)熱性，及其強(qiáng)度、韌性和抗沖擊能力。在上述質(zhì)量百分比范圍內(nèi)， 隨著Cu和Fe質(zhì)量的增加，陶瓷層的顯氣孔率逐漸增加，體積密度逐漸增大，導(dǎo)熱性也隨之 增加，并且具有較好的強(qiáng)度、韌性和抗沖擊能力。因?yàn)椴糠諧u在高溫作用下可以滲入到多 孔鈹銅合金陶瓷中，F(xiàn)e與鈹銅合金