CN106119623B - 一种发动机端盖 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发动机端盖，属于合金材料技术领域。所述发动机端盖包括由铝合金制成的本体和本体表面的铬镀层，铝合金组成元素及质量百分比为：Si7.5‑8.8％，Mg0.25‑0.4％，Mn0.75‑1.0％，Cu0.5‑2.5％，Zn1.1‑2.0％，Fe1.1‑1.6％，Ni0.05‑0.2％，Cr0.1‑0.25％，Sc0.05‑0.12％，As0.02‑0.05％，Y0.005‑0.025％，B0.05‑0.12％，且Si/Fe：5‑7，余量为Al及不可避免的杂质，所述的铬镀层的厚度为10‑25μm。发动机端盖的本体由配伍合理的铝合金制成，通过各成分之间产生的协同作用，显著提高发动机端盖的耐磨性、耐腐蚀性以及耐热性，在本体表面通过电镀合适的电镀液，采取特殊的给电方法，逐步增大电流密度，采用五阶段时效处理，提高镀层与基体金属结合力，进一步提高耐磨轴的硬度、强度、耐磨性、耐腐蚀性，继而提高发动机端盖的使用寿命。

Description

一种发动机端盖
技术领域
本发明涉及一种发动机端盖，属于合金材料技术领域。
背景技术
发动机(Engine)是一种能够把其它形式的能转化为机械能的机器，包括如内燃机(汽油发动机等)、外燃机(斯特林发动机、蒸汽机等)、电动机等。如内燃机通常是把化学能转化为机械能。发动机既适用于动力发生装置，也可指包括动力装置的整个机器(如：汽油发动机、航空发动机)。发动机最早诞生在英国，所以，发动机的概念也源于英语，它的本义是指那种“产生动力的机械装置”。发动机端盖性能的好坏对其能否正常工作以及其使用寿命的影响很大。因此这就要求发动机端盖不仅具有良好机械性能和力学性能，且具有良好的耐热性、耐腐蚀性、散热性等。
发明内容
本发明目的是为了提供一种机械性能较好、耐磨损、耐腐蚀的发动机端盖。
本发明的上述目的可通过下列技术方案来实现：一种发动机端盖，所述发动机端盖包括由铝合金制成的本体和本体表面的铬镀层，所述的铝合金组成元素及质量百分比为：Si：7.5-8.8％，Mg：0.25-0.4％，Mn：0.75-1.0％，Cu：0.5-2.5％，Zn：1.1-2.0％，Fe：1.1-1.6％，Ni：0.05-0.2％，Cr：0.1-0.25％，Sc：0.05-0.12％，As：0.02-0.05％，Y：0.005-0.025％，B：0.05-0.12％，且Si/Fe：5-7，余量为Al及不可避免的杂质，所述的铬镀层的厚度为10-25μm。
本发明发动机端盖的镀铬层中由本体到镀层表面方向其硬度值逐渐升高，呈梯度变化，本发明将铬镀层的厚度控制在10-25μm之间进一步改善镀层与本体的结合强度，从而可以提高镀层的综合性能，如耐磨性、耐腐蚀性。且在本发明的发动机端盖中，本体在普通铝合金的基础上，加入适量的Cr、Sc、As、Y、B，并提高Mg、Mn的含量，降低Cu、Zn、Fe的含量，通过这些成分之间产生的协同作用，得到具有良好的力学性能和机械性能的发动机端盖本体，显著提高发动机端盖的耐磨性、耐腐蚀性以及耐热性，进而提高发动机端盖的使用寿命。
在本发明发动机端盖本体铝合金中，铁和硅形成β-FeSiAl3、Fe2Si2Al9相。当铁和硅比例不当，如Si/Fe大于7，会引起铸件发动机端盖产生裂纹，若铁含量过高即Si/Fe小于5，则会使铸件发动机端盖产生脆性。铝合金强度随着Mn含量增加而提高，但其含量过高会产生脆性化合物MnA16，在后续加工中容易产生开裂，本发明适当提高Mn含量既保证铝合金的强度又有较好的塑性，还提高铝合金的抗腐蚀性能。因为本发明中添加了0.75-1.0％的Mn，会降低Mg的含量，所以本发明中适量提高了Mg的含量用以强化铝合金，降低铝合金的热裂倾向，进一步改善铝合金的耐腐蚀性能。Cr与Mn在合金中形成弥散相，抑制合金的再结晶和晶粒长大，对铝合金起强化作用，还能改善铝合金的韧性和耐腐蚀性能。在本发明中若Cr含量大于0.22％，Cr对铝合金的增强作用就不再显著。但在本发明的铝合金中Mg的含量过高，否则通过后续的加工起不到强化作用。本发明降低了Zn的含量，通过与其他元素，如Mn、Cu等共同作用，提高铝合金的抗拉强度、屈服强度和耐蚀性。B具有使铝合金晶体结构细化的效果，而微细晶体结构可以提高铝合金的强度，另外B还可有效提高铝合金的强度和延伸性能，并使得铝合金具有较好的抗疲劳强度和热性能，填补铝合金表层缺陷。本发明铝合金中还加入Y和钪，细化晶体结构，铝合金组织晶粒逐渐被细化，抗拉强度和伸长率逐渐提高。钪在铝合金中同时具有过渡族金属和稀土金属这两类金属的作用，不仅能够显著细化铸态合金晶粒、提高再结晶温度从而提高铝合金的强度和韧性，而且能显著改善铝合金的耐热性、抗蚀性、和热稳定性。本发明铝合金中还加入有0.02-0.05％As，进一步提高发动机端盖的强度，若As含量超过0.05％，则会导致铝合金变脆，严重影响发动机端盖的加工性能。
作为优选，所述的铝合金组成元素及质量百分比为：Si：7.8-8.5％，Mg：0.28-0.35％，Mn：0.8-0.92％，Cu：0.8-2.2％，Zn：1.5-1.8％，Fe：1.2-1.5％，Ni：0.08-0.15％，Cr：0.15-0.22％，Sc：0.08-0.10％，As：0.02-0.03％，Y：0.01-0.022％，Ti：0.08-0.20％，B：0.06-0.10％，且Si/Fe：5-7，余量为Al及不可避免的杂质。
在上述的发动机端盖中，所述的铬镀层通过如下方法形成：将本体依次进行有机溶剂除油、碱洗除油、水洗、酸蚀、水洗、预镀、水洗、电镀铬、水洗、除氢形成铬镀层。
作为优选，电镀铬时的电镀液的成分为铬酐150-180g/L，硫酸1.2-1.8g/L，稀土添加剂1.3-1.6g/L，三价铬1-2g/L。
镀铬配方因采用不同的预镀工艺，需作适当的调整。并且因添加剂的不同，镀层的外观也会有较大的差异。为了进一步保证镀层的均匀性，在电镀时阳极表面要经常刷洗，保证导电良好。由于在镀铬溶液中，上层气泡较多，电阻较大，可以将阳极制成上大，下小的圆锥形，以补偿溶液上下层导电的差异。在电镀时还需经常分析调整镀铬溶液保证镀液各成分含量都在最佳范围内。在电镀液溶液中三价格含量过高会引起镀液性能恶化，电阻增大，沉积速度降低，深镀能力和分散能力下降，镀层灰白、粗糙能问题。所述的稀土添加剂为现有技术中电镀液中常用的稀土添加剂。
作为优选，电镀铬时的工作温度50-55℃，电流密度30-60A/dm2，沉积速率40μm/h。
进一步优选，阴极电流密度逐渐升高，具体为：初始电流密度为30A/dm2，保持2-4min，然后以1.5A/dm2速度增加电流密度，直到60A/dm2，镀铬时间为3-5h。因为本发明发动机端盖本体表面极易在很短的时间内形成一层薄而致密的氧化膜，在这个膜上镀铬时，很难获得与基体金属结合力好的镀层，所以必须采取特殊的给电方法。
再进一步优选，所述除氢分5个阶段，第一阶段的处理温度为180℃，第二阶段的处理温度为185℃，第三阶段的处理温度为190℃，第四阶段的处理温度为195℃，第五阶段的处理温度为200℃，每阶段的处理时间均为0.2-0.6h。
除氢可消除镀层与基体之间所形成的内应力，提高镀层与基体之间的结合力。众所周知，若处理温度过高，会使工件的硬度降低，这是因为电镀层形成的过程是在较低温度下进行的电结晶过程，在这一过程中形成的空位、间隙原子(如H原子)等点缺陷、位错等线缺陷密度都很高，同时晶粒间的大量晶界，以及存在的非晶体，均会使得镀层有很高的硬度。因此，本发明镀铬层通过上述五阶段的除氢处理，使电镀后的铬镀层光亮、平整、细密，表面无起皮、脱落等现象，显著提高铬镀层的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明发动机端盖的本体由配伍合理的铝合金制成，在本体表面电镀厚度一定的铬镀层，大幅度提高发动机端盖的综合性能，尤其是提高发动机端盖的硬度、耐磨性及耐腐蚀性。
2、本发明的发动机端盖中，本体在普通铝合金的基础上，加入适量的Sc、As、Y、B、Cr，并提高Mg、Mn的含量，降低Cu、Zn、Fe的含量，通过这些成分之间产生的协同作用，显著提高发动机端盖的耐磨性、耐腐蚀性以及耐热性，进而提高发动机端盖的使用寿命。
3、本发明发动机端盖本体表面通过电镀合适的电镀液，采取特殊的给电方法，逐步增大电流密度，采用五阶段时效处理，提高镀层与基体金属结合力，进一步提高耐磨轴的硬度、强度、耐磨性、耐腐蚀性，继而提高发动机端盖的使用寿命。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
一种发动机端盖，所述发动机端盖包括由铝合金制成的本体和本体表面的铬镀层，所述的铝合金组成元素及质量百分比为：Si：8.2％，Mg：0.3.2％，Mn：0.85％，Cu：1.5％，Zn：1.6％，Fe：1.3％，Ni：0.12％，Cr：0.18％，Sc：0.09％，As：0.025％，Y：0.016％，Ti：0.15％，B：0.08％，余量为Al及不可避免的杂质。所述的铬镀层的厚度为18μm，铬镀层通过如下方法形成：将本体依次进行有机溶剂除油、碱洗除油、水洗、酸蚀、水洗、预镀、水洗、电镀铬、水洗、除氢形成铬镀层。电镀铬时的电镀液的成分为铬酐150-180g/L，硫酸1.2-1.8g/L，稀土添加剂1.3-1.6g/L，三价铬1-2g/L；电镀铬时的工作温度52℃，电流密度30-60A/dm2，沉积速率40μm/h。其中，阴极电流密度逐渐升高，具体为：初始电流密度为30A/dm2，保持2-4min，然后以1.5A/dm2速度增加电流密度，直到60A/dm2，镀铬时间为3-5h；所述除氢分5个阶段，第一阶段的处理温度为180℃，第二阶段的处理温度为185℃，第三阶段的处理温度为190℃，第四阶段的处理温度为195℃，第五阶段的处理温度为200℃，每阶段的处理时间均为0.2-0.6h。
实施例2
一种发动机端盖，所述发动机端盖包括由铝合金制成的本体和本体表面的铬镀层，所述的铝合金组成元素及质量百分比为：Si：7.8％，Mg：0.35％，Mn：0.8％，Cu：2.2％，Zn：1.5％，Fe：1.5％，Ni：0.08％，Cr：0.22％，Sc：0.08％，As：0.03％，Y：0.01％，Ti：0.20％，B：0.06％，余量为Al及不可避免的杂质。所述的铬镀层的厚度为14μm，铬镀层通过如下方法形成：将本体依次进行有机溶剂除油、碱洗除油、水洗、酸蚀、水洗、预镀、水洗、电镀铬、水洗、除氢形成铬镀层。电镀铬时的电镀液的成分为铬酐150-180g/L，硫酸1.2-1.8g/L，稀土添加剂1.3-1.6g/L，三价铬1-2g/L；电镀铬时的工作温度51℃，电流密度30-60A/dm2，沉积速率40μm/h。其中，阴极电流密度逐渐升高，具体为：初始电流密度为30A/dm2，保持2-4min，然后以1.5A/dm2速度增加电流密度，直到60A/dm2，镀铬时间为3-5h；所述除氢分5个阶段，第一阶段的处理温度为180℃，第二阶段的处理温度为185℃，第三阶段的处理温度为190℃，第四阶段的处理温度为195℃，第五阶段的处理温度为200℃，每阶段的处理时间均为0.2-0.6h。
实施例3
一种发动机端盖，所述发动机端盖包括由铝合金制成的本体和本体表面的铬镀层，所述的铝合金组成元素及质量百分比为：Si：8.2％，Mg：0.28％，Mn：0.92％，Cu：0.8％，Zn：1.8％，Fe：1.2％，Ni：0.15％，Cr：0.15％，Sc：0.10％，As：0.02％，Y：0.022％，Ti：0.08％，B：0.10％，余量为Al及不可避免的杂质。所述的铬镀层的厚度为22μm，铬镀层通过如下方法形成：将本体依次进行有机溶剂除油、碱洗除油、水洗、酸蚀、水洗、预镀、水洗、电镀铬、水洗、除氢形成铬镀层。电镀铬时的电镀液的成分为铬酐150-180g/L，硫酸1.2-1.8g/L，稀土添加剂1.3-1.6g/L，三价铬1-2g/L；电镀铬时的工作温度54℃，电流密度30-60A/dm2，沉积速率40μm/h。其中，阴极电流密度逐渐升高，具体为：初始电流密度为30A/dm2，保持2-4min，然后以1.5A/dm2速度增加电流密度，直到60A/dm2，镀铬时间为3-5h；所述除氢分5个阶段，第一阶段的处理温度为180℃，第二阶段的处理温度为185℃，第三阶段的处理温度为190℃，第四阶段的处理温度为195℃，第五阶段的处理温度为200℃，每阶段的处理时间均为0.2-0.6h。
实施例4
一种发动机端盖，所述发动机端盖包括由铝合金制成的本体和本体表面的铬镀层，所述的铝合金组成元素及质量百分比为：Si：7.5％，Mg：0.4％，Mn：0.75％，Cu：2.5％，Zn：1.1％，Fe：1.1％，Ni：0.2％，Cr：0.1％，Sc：0.12％，As：0.02％，Y：0.025％，B：0.05％，余量为Al及不可避免的杂质。所述的铬镀层的厚度为10μm，铬镀层通过如下方法形成：将本体依次进行有机溶剂除油、碱洗除油、水洗、酸蚀、水洗、预镀、水洗、电镀铬、水洗、除氢形成铬镀层。电镀铬时的电镀液的成分为铬酐150-180g/L，硫酸1.2-1.8g/L，稀土添加剂1.3-1.6g/L，三价铬1-2g/L；电镀铬时的工作温度50℃，电流密度30-60A/dm2，沉积速率40μm/h。其中，阴极电流密度逐渐升高，具体为：初始电流密度为30A/dm2，保持2-4min，然后以1.5A/dm2速度增加电流密度，直到60A/dm2，镀铬时间为3-5h；所述除氢分5个阶段，第一阶段的处理温度为180℃，第二阶段的处理温度为185℃，第三阶段的处理温度为190℃，第四阶段的处理温度为195℃，第五阶段的处理温度为200℃，每阶段的处理时间均为0.2-0.6h。
实施例5
一种发动机端盖，所述发动机端盖包括由铝合金制成的本体和本体表面的铬镀层，所述的铝合金组成元素及质量百分比为：Si：8.8％，Mg：0.25％，Mn：1.0％，Cu：0.5％，Zn：2.0％，Fe：1.6％，Ni：0.05％，Cr：0.25％，Sc：0.05％，As：0.05％，Y：0.005％，B：0.12％，余量为Al及不可避免的杂质。所述的铬镀层的厚度为25μm，铬镀层通过如下方法形成：将本体依次进行有机溶剂除油、碱洗除油、水洗、酸蚀、水洗、预镀、水洗、电镀铬、水洗、除氢形成铬镀层。电镀铬时的电镀液的成分为铬酐150-180g/L，硫酸1.2-1.8g/L，稀土添加剂1.3-1.6g/L，三价铬1-2g/L；电镀铬时的工作温度55℃，电流密度30-60A/dm2，沉积速率40μm/h。其中，阴极电流密度逐渐升高，具体为：初始电流密度为30A/dm2，保持2-4min，然后以1.5A/dm2速度增加电流密度，直到60A/dm2，镀铬时间为3-5h；所述除氢分5个阶段，第一阶段的处理温度为180℃，第二阶段的处理温度为185℃，第三阶段的处理温度为190℃，第四阶段的处理温度为195℃，第五阶段的处理温度为200℃，每阶段的处理时间均为0.2-0.6h。
对比例1
现有技术中普通常见的发动机端盖。
对比例2
用如实施例1所述的铝合金制成的发动机端盖，但表面无镀层。
对比例3
用现有技术中普通的铝合金制成发动机端盖本体，用如实施例1中所述的方法在本体表面形成镀层，加工方法如实施例1中相同，此处不再累述。
上述实施例中所述的有机溶剂除油、碱洗除油、酸蚀、预镀等工艺除了特别说明的，基本为现有技术中的常规工艺，如预镀包括第一次浸锌、镀锌处理、第二次浸锌、预镀铜、镀镍等常规工艺。
将实施例1-5和对比例1-3制成的发动机端盖进行测试，硬度、磨损量、结合力以及耐蚀性的测试结果如表1所示。
硬度测试所加载荷为9.8N，加载时间10s，结果为5次测定数据的平均值。
结合力：在发动机端盖样品表面上划出5-6条彼此间距1mm的平行线，深达基体金属，再划出5-6条与此垂直的平行线，在直线交叉处检查有无镀层起皮、剥落现象。
耐蚀性：将发动机端盖样品与垂直方向成15-30℃夹角置于盐雾试验箱内，温度为35±1℃，湿度大于95。用pH值为6.5的5％盐水喷淋24h，停48h，取出进行外观检查，看样品是否有无腐蚀现象，镀层质量是否达到耐腐蚀标准。
表1：实施例1-5和对比例1-3发动机端盖性能测试结果
综上所述，本发明发动机端盖本体由配伍合理的铝合金制成，在本体表面通过电镀合适的电镀液，电镀后的铬镀层光亮、平整、细密，表面无起皮、脱落等现象，显著提高铬镀层的硬度，进而提高发动机端盖的硬度、耐磨性、耐蚀性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (5)

1.一种发动机端盖，其特征在于，所述发动机端盖包括由铝合金制成的本体和本体表面的铬镀层，所述的铝合金组成元素及质量百分比为：Si：7.5-8.8％，Mg：0.25-0.4％，Mn：0.75-1.0％，Cu：0.5-2.5％，Zn：1.1-2.0％，Fe：1.1-1.6％，Ni：0.05-0.2％，Cr：0.1-0.25％，Sc：0.05-0.12％，As：0.02-0.05％，Y：0.005-0.025％，B：0.05-0.12％，且Si/Fe：5-7，余量为Al及不可避免的杂质，所述的铬镀层的厚度为10-25μm；
所述的铬镀层通过如下方法形成：将本体依次进行有机溶剂除油、碱洗除油、水洗、酸蚀、水洗、预镀、水洗、电镀铬、水洗、除氢形成铬镀层；
其中所述除氢分5个阶段，第一阶段的处理温度为180℃，第二阶段的处理温度为185℃，第三阶段的处理温度为190℃，第四阶段的处理温度为195℃，第五阶段的处理温度为200℃，每阶段的处理时间均为0.2-0.6h。
2.根据权利要求1所述的发动机端盖，其特征在于，所述的铝合金组成元素及质量百分比为：Si：7.8-8.5％，Mg：0.28-0.35％，Mn：0.8-0.92％，Cu：0.8-2.2％，Zn：1.5-1.8％，Fe：1.2-1.5％，Ni：0.08-0.15％，Cr：0.15-0.22％，Sc：0.08-0.10％，As：0.02-0.03％，Y：0.01-0.022％，Ti：0.08-0.20％，B：0.06-0.10％，且Si/Fe：5-7，余量为Al及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的发动机端盖，其特征在于，电镀铬时的电镀液的成分为铬酐150-180g/L，硫酸1.2-1.8g/L，稀土添加剂1.3-1.6g/L，三价铬1-2g/L。
4.根据权利要求3所述的发动机端盖，其特征在于，电镀铬时的工作温度50-55℃，电流密度30-60A/dm2，沉积速率40μm/h。
5.根据权利要求4所述的发动机端盖，其特征在于，阴极电流密度逐渐升高，具体为：初始电流密度为30A/dm2，保持2-4min，然后以1.5A/dm2速度增加电流密度，直到60A/dm2，镀铬时间为3-5h。
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