CN106497325B - 一种纳米涂层气缸套及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于气缸套领域，尤其涉及一种纳米涂层气缸套及其制备方法，本发明提供的纳米涂层气缸套包括气缸套基体；复合在气缸套基体外表面的纳米涂层；所述纳米涂层包括纳米SiO₂粒子、聚邻甲基苯胺和环氧树脂。本发明提供的气缸套在气缸套基体外表面复合有特定成分的纳米涂层，具有较好的抗穴蚀和耐腐蚀性能。实验结果表明：本发明提供的气缸套的阻抗值＞10¹⁰Ω.cm²，t₁₀₀为880min左右，而非涂层气缸套的t₁₀₀为450min，说明本申请提供的气缸套的抗穴蚀性明显好于非涂层气缸套。

Description

一种纳米涂层气缸套及其制备方法

技术领域

本发明属于气缸套领域，尤其涉及一种纳米涂层气缸套及其制备方法。

背景技术

汽车发动机是为汽车提供动力的发动机，是汽车的心脏，影响汽车的动力性、经济性和环保性。根据动力来源不同，汽车发动机可分为柴油发动机、汽油发动机等。

汽车发动机的缸体分铸铁和铸铝两种。铸铝发动机具有重量轻、散热性能好等优点，在行业内已经被广泛推广应用，但是其机械性能、耐磨性能、热稳定性等不如铸铁。为此，目前行业内采用铸铝缸体加铸铁镶套的方式来解决这一问题，应用于铝缸体的铸铁镶套又称为气缸套。

气缸套按照外表面是否直接与冷却水接触分为干式气缸套和湿式气缸套，由于冷却水水质或使用问题，现有湿式气缸套在使用过程中经常出现外表面与冷却水接触的位置发生大面积穴蚀和腐蚀现象，有的甚至穴蚀穿孔引起漏气漏水，导致发动机报废。因此，如何提高气缸套的抗穴蚀和耐腐蚀性能，是目前亟待解决的一个技术难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种纳米涂层气缸套及其制备方法，本发明提供的气缸套具有良好的抗穴蚀和耐腐蚀性能。

本发明提供了一种纳米涂层气缸套，包括：

气缸套基体；

复合在气缸套基体外表面的纳米涂层；

所述纳米涂层包括纳米SiO₂粒子、聚邻甲基苯胺和环氧树脂。

优选的，所述纳米SiO₂粒子、聚邻甲基苯胺和环氧树脂的质量比为：(0.5～2)：(5～10)：(5～15)。

优选的，所述纳米SiO₂粒子的粒径为10～50nm。

优选的，所述聚邻甲基苯胺的聚合度为10～35。

优选的，所述环氧树脂的型号为E44和/或E51。

优选的，所述纳米涂层的厚度为10～20μm。

优选的，气缸套基体包括：

余量的Fe。

本发明提供了一种纳米涂层气缸套的制备方法，包括以下步骤：

a)、在气缸套基体外表面涂布纳米涂层液，干燥，得到纳米涂层气缸套；

所述纳米涂层液包括纳米SiO₂粒子、聚邻甲基苯胺、环氧树脂和有机溶剂。

优选的，所述纳米涂层液按照以下步骤制备得到：

1)、将纳米SiO₂粒子和聚邻甲基苯胺混合，得到聚邻甲基苯胺/纳米SiO₂粒子复合材料；

2)、将所述聚邻甲基苯胺/纳米SiO₂粒子复合材料、环氧树脂和有机溶剂混合，得到纳米涂层液。

优选的，步骤1)中，所述混合的温度为10～15℃；所述混合的时间为480～500min；

步骤2)中，所述混合的温度为20～25℃；所述混合的时间为100～140min。

与现有技术相比，本发明提供了一种纳米涂层气缸套及其制备方法，本发明提供的纳米涂层气缸套包括气缸套基体；复合在气缸套基体外表面的纳米涂层；所述纳米涂层包括纳米SiO₂粒子、聚邻甲基苯胺和环氧树脂。本发明提供的气缸套在气缸套基体外表面复合有特定成分的纳米涂层，具有较好的抗穴蚀和耐腐蚀性能。实验结果表明：本发明提供的气缸套的阻抗值＞10¹⁰Ω.cm²，t₁₀₀为880min左右，而非涂层气缸套的t₁₀₀为450min，说明本申请提供的气缸套的抗穴蚀性明显好于非涂层气缸套。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的气缸套涂层观察图；

图2为本发明实施例1提供的气缸套金相组织观察图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种纳米涂层气缸套，包括：

气缸套基体；

复合在气缸套基体外表面的纳米涂层；

所述纳米涂层包括纳米SiO₂粒子、聚邻甲基苯胺和环氧树脂。

本发明提供的纳米涂层气缸套包括气缸套基体和纳米涂层。在本发明提供的一个实施例中，所述气缸套基体为铸铁气缸套基体；在本发明提供的另一个实施例中，所述气缸套基体由C、Si、P、S、Mn、Ti和Fe组成。在本发明提供的一个实施例中，C在气缸套基体的含量为2.9～3.3wt％；在本发明提供的另一个实施例中，C在气缸套基体的含量为2.96～3.22wt％。在本发明提供的一个实施例中，Si在气缸套基体中的含量为2～2.5wt％；在本发明提供的另一个实施例中，Si在气缸套基体中的含量为2.15～2.46wt％。在本发明提供的一个实施例中，P在气缸套基体中的含量为0～0.25wt％；在本发明提供的另一个实施例中，P在气缸套基体中的含量为0.07～0.21wt％。在本发明提供的有一个实施例中，S在气缸套基体中的含量为0～0.08wt％；在本发明提供的另一个实施例中，S在气缸套基体中的含量为0.03～0.08wt％。在本发明提供的一个实施例中，Mn在气缸套基体中的含量为0.5～1wt％；在本发明提供的另一个实施例中，Mn在气缸套基体中的含量为0.56～0.89wt％。在本发明提供的一个实施例中，Ti在气缸套基体中的含量为0.2～0.4wt％；在本发明提供的另一个实施例中，Ti在气缸套基体中的含量为0.21～0.35wt％。在本发明提供的一个实施例中，Fe在气缸套基体中的含量为余量。在本发明提供的一个实施例中，所述气缸套基体包括：

余量的Fe。

本发明对所述气缸套基体的尺寸没有特别限定，本领域技术人员可以根据实际生产和市场要求，自行调整。

在本发明中，所述纳米涂层复合在气缸套基体外表面，所述纳米涂层包括纳米SiO₂粒子、聚邻甲基苯胺和环氧树脂。其中，所述纳米SiO₂粒子的粒径为优选10～50nm，更优选为25～35nm；在本发明提供的一个实施例中SiO₂粒子的粒径为15±5nm、30±5nm或45±5nm；所述聚邻甲基苯胺的聚合度优选为10～35，更优选为15～20；所述环氧树脂的型号包括但不限于E44和/或E51；所述纳米SiO₂粒子、聚邻甲基苯胺和环氧树脂的质量比优选为：(0.5～2)：(5～10)：(5～15)，更优选为1∶(7～9)：(7～9)；所述纳米涂层的厚度优选为10～20μm，更优选为15～16μm。

本发明提供的气缸套在气缸套基体外表面复合有特定成分的纳米涂层，具有较好的抗穴蚀和耐腐蚀性能。实验结果表明：本发明提供的气缸套的阻抗值＞10¹⁰Ω.cm²，t₁₀₀为880min左右，而非涂层气缸套的t₁₀₀为450min，说明本申请提供的气缸套的抗穴蚀性明显好于非涂层气缸套。

本发明提供了一种纳米涂层气缸套的制备方法，包括以下步骤：

a)、在气缸套基体外表面涂布纳米涂层液，干燥，得到纳米涂层气缸套；

所述纳米涂层液包括纳米SiO₂粒子、聚邻甲基苯胺、环氧树脂和有机溶剂。

在本发明提供的制备方法中，首先在气缸套基体外表面涂布纳米涂层液。本发明对所述气缸套基体的来源没有特别限定，可以按照以下方法制备得到：

I)、原料在熔炼炉中进行熔炼，得到铁液；

II)、所述铁液进行孕育，得到孕育的铁液；

III)、所述孕育的铁液出炉后进行离心铸造，得到气缸套基体铸件；

IV)、所述气缸套基体铸件进行机加工，得到气缸套基体。

在本发明提供的上述气缸套基体的制备方法中，首先将原料在熔炼炉中进行熔炼，得到铁液。之后对所述铁液进行孕育。在本发明中，优选对所述铁液进行两次孕育。其中，第一次孕育使用的孕育剂优选为硅铁孕育剂，更优选为75硅铁孕育剂；所述孕育剂的用量优选为铁液质量的0.3～1wt％，更优选为0.5～0.6wt％。第二次孕育使用的孕育剂优选为硅锶孕育剂；所述孕育剂的用量优选为铁液质量的0.1～0.3wt％，更优选为0.12～0.2wt％。在本发明中，优选在铁液孕育的过程中加入包括钛和碳的预制块；所述预制块优选包括钛粉和石墨粉；所述预制块的加入量优选为铁液质量的0.3～1wt％，更优选为0.5～0.8wt％；所述预制块优选在第一次孕育时加入。孕育完毕后，得到孕育的铁液。所述孕育的铁液出炉后进行离心铸造。在本发明中，所述孕育的铁液出炉的温度优选控制在1380～1450℃，更优选控制在1380～1450℃。本发明对于离心铸造的具体工艺条件没有特别限定，采用本领域技术人员熟知的制备气缸套时采用的离心铸造工艺条件即可。离心铸造完毕后，得到气缸套基体铸件。得到气缸套基体铸件后，对所述气缸套基体铸件进行机加工。本发明对于机加工的具体工艺条件没有特别限定，采用本领域技术人员熟知的制备气缸套时采用的机加工工艺条件即可。机加工完毕后，得到气缸套基体。

在本发明中，所述在纳米涂层液包括纳米SiO₂粒子、聚邻甲基苯胺、环氧树脂和有机溶剂，其中，所述有机溶剂包括但不限于正丁醇；所述纳米SiO₂粒子、聚邻甲基苯胺、环氧树脂和有机溶剂的质量比优选为(0.5～2)：(5～10)：(5～15)：(2.5～5)，更优选为1：(7～9)：(7～9)：(3～4.5)。在本发明中，所述纳米涂层液可按照以下步骤制备得到：

1)、将纳米SiO₂粒子和聚邻甲基苯胺混合，得到聚邻甲基苯胺/纳米SiO₂粒子复合材料；

2)、将所述聚邻甲基苯胺/纳米SiO₂粒子复合材料、环氧树脂和有机溶剂混合，得到纳米涂层液。

在本发明提供的上述纳米涂层液的制备方法中，首先将纳米SiO₂粒子和聚邻甲基苯胺混合。其中，所述混合的温度优选为10～15℃；所述混合的时间优选为480～500min。混合完毕后，得到聚邻甲基苯胺/纳米SiO₂粒子复合材料。得到聚邻甲基苯胺/纳米SiO₂粒子复合材料后，将所述聚邻甲基苯胺/纳米SiO₂粒子复合材料、环氧树脂和有机溶剂混合。其中，所述混合的温度优选为20～25℃；所述混合的时间优选为100～140min。混合完毕后，得到纳米涂层液。

在本发明中，在气缸套基体外表面涂布纳米涂层液的过程中，所述纳米涂层液的涂布厚度优选为10～20μm。涂布完毕后，进行干燥。本发明对所述干燥的方式没有特别限定，优选为室温晾干。干燥后，纳米涂层液在气缸套基体外表面形成纳米涂层，即得到纳米涂层气缸套。

采用本发明提供的方法能够制备得到具有良好的抗穴蚀和耐腐蚀性能的纳米涂层气缸套。在本发明的优选实现方式中，在铁液孕育进行孕育时投加含Ti和C的预制块，从而使获得的气缸套基体中的TiC弥散分布，提高了气缸套基体的耐磨性和强度。实验结果表明：本发明提供的气缸套的阻抗值＞10¹⁰Ω.cm²，t₁₀₀为880min左右，而非涂层气缸套的t₁₀₀为450min；同时气缸套基体的抗拉强度＞320MPa，弹性模量＞130GPa，硬度＞240HB。

为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。

实施例1

一种灰铸铁气缸套，所述气缸套材料的化学组成按如下重量百分比计(％)：C：3.22，Si：2.15，P：0.07，S：0.03，Mn：0.56，Ti：0.21，余量为Fe。

上述的灰铸铁气缸套生产工艺，包括如下步骤：

(1)按比例进行配料，用中频无芯感应电炉进行熔炼，控制铁液出炉温度为1390℃，出炉前对铁液进行两次孕育剂处理，第一次处理为75硅铁孕育剂且加入量为铁液质量的0.6％，钛粉和石墨粉的预制块加入量为铁液质量的0.5％，第二次处理为硅锶孕育剂，加入量为铁液质量的0.2％，孕育的铁液出炉后进行离心铸造，得到气缸套基体铸件。

(2)机加工：将气缸套基体铸件加工成成品，得到气缸套基体。

(3)配制纳米涂层液：将纳米SiO₂粒子(粒径30±5nm)和聚邻甲基苯胺(聚合度15～20)按照质量比1:8在12℃下混合485min，得到聚邻甲基苯胺/纳米SiO₂粒子复合材料；所述聚邻甲基苯胺/纳米SiO₂粒子复合材料、E44环氧树脂和正丁醇按照纳米SiO₂粒子、聚邻甲基苯胺、环氧树脂和正丁醇质量比1:8:8:4在24℃下混合120min，得到纳米涂层液。

(4)涂层处理：在气缸套基体外表面涂覆一定量的纳米涂层液，晾干，在气缸套基体外表面形成厚度15μm的纳米涂层，即得到纳米涂层气缸套。

(5)性能检测：按照GB/T228.1、GB/T231.1和ASTM G32标准对上述制得的纳米涂层气缸套进行机械性能、耐腐蚀性能和抗穴蚀性能的检测，结果为：抗拉强度346MPa，弹性模量136GPa，硬度248HB，涂层的阻抗值为4×10¹⁰Ω.cm²，涂层缸套的t₁₀₀为886min；同时，本实施例还检测了步骤(2)制得气缸套基体的t100值，为450min。

(6)显微镜观察：对上述制得的纳米涂层气缸套的进行显微镜观察，结果如图1和图2所示，图1为本发明实施例1提供的气缸套涂层观察图，其中，中间白亮的为涂层，上部为气缸套基体；图2为本发明实施例1提供的气缸套金相组织观察图，通过图2可以看出，实施例1制得的气缸套的金相组织为石墨+珠光体+少量弥散TiC+少量弥散分布的磷共晶。

实施例2

一种灰铸铁气缸套，所述气缸套材料的化学组成按如下重量百分比计(％)：C：2.96，Si：2.46，P：0.21，S：0.08，Mn：0.89，Ti：0.35，余量为Fe。

上述的灰铸铁气缸套生产工艺，包括如下步骤：

(1)按比例进行配料，用中频无芯感应电炉进行熔炼，控制铁液出炉温度为1400℃，出炉前对铁液进行两次孕育剂处理，第一次处理为75硅铁孕育剂且加入量为铁液质量的0.5％，钛粉和石墨粉的预制块加入量为铁液质量的0.7％，第二次处理为硅锶孕育剂，加入量为铁液质量的0.12％，孕育的铁液出炉后进行离心铸造，得到气缸套基体铸件。

(2)机加工：将气缸套基体铸件加工成成品，得到气缸套基体。

(3)配制纳米涂层液：将纳米SiO₂粒子(粒径30±5nm)和聚邻甲基苯胺(聚合度15～20)按照质量比1:9在15℃下混合492min，得到聚邻甲基苯胺/纳米SiO₂粒子复合材料；所述聚邻甲基苯胺/纳米SiO₂粒子复合材料、E44环氧树脂和正丁醇按照纳米SiO₂粒子、聚邻甲基苯胺、环氧树脂和正丁醇质量比1:9:9:4.5在21℃下混合136min，得到纳米涂层液。

(4)涂层处理：在气缸套基体外表面涂覆一定量的纳米涂层液，晾干，在气缸套基体外表面形成厚度16μm的纳米涂层，即得到纳米涂层气缸套。

(5)性能检测：按照GB/T228.1、GB/T231.1和ASTM G32标准对上述制得的纳米涂层气缸套进行机械性能、耐腐蚀性能和抗穴蚀性能的检测，结果为：抗拉强度352MPa，弹性模量139GPa，硬度254HB，涂层的阻抗值为6×10¹⁰Ω.cm²，涂层缸套的t₁₀₀为875min。

实施例3

一种灰铸铁气缸套，所述气缸套材料的化学组成按如下重量百分比计(％)：C：3.05，Si：2.36，P：0.15，S：0.05，Mn：0.64，Ti：0.33，余量为Fe。

上述的灰铸铁气缸套生产工艺，包括如下步骤：

(1)按比例进行配料，用中频无芯感应电炉进行熔炼，控制铁液出炉温度为1395℃，出炉前对铁液进行两次孕育剂处理，第一次处理为75硅铁孕育剂且加入量为铁液质量的0.55％，钛粉和石墨粉的预制块加入量为铁液质量的0.6％，第二次处理为硅锶孕育剂，加入量为铁液质量的0.22％，孕育的铁液出炉后进行离心铸造，得到气缸套基体铸件。

(2)机加工：将气缸套基体铸件加工成成品，得到气缸套基体。

(3)配制纳米涂层液：将纳米SiO₂粒子(粒径30±5nm)和聚邻甲基苯胺(聚合度15～20)按照质量比1:8在13℃下混合490min，得到聚邻甲基苯胺/纳米SiO₂粒子复合材料；所述聚邻甲基苯胺/纳米SiO₂粒子复合材料、E44环氧树脂和正丁醇按照纳米SiO₂粒子、聚邻甲基苯胺、环氧树脂和正丁醇质量比1:8:9:5在25℃下混合126min，得到纳米涂层液。

(4)涂层处理：在气缸套基体外表面涂覆一定量的纳米涂层液，晾干，在气缸套基体外表面形成厚度16μm的纳米涂层，即得到纳米涂层气缸套。

(5)性能检测：按照GB/T228.1、GB/T231.1和ASTM G32标准对上述制得的纳米涂层气缸套进行机械性能、耐腐蚀性能和抗穴蚀性能的检测，结果为：抗拉强度351MPa，弹性模量136GPa，硬度249HB，涂层的阻抗值为5×10¹⁰Ω.cm²，涂层缸套的t₁₀₀为882min。

实施例4

一种灰铸铁气缸套，所述气缸套材料的化学组成按如下重量百分比计(％)：C：2.95，Si：2.42，P：0.18，S：0.06，Mn：0.78，Ti：0.24，余量为Fe。

上述的灰铸铁气缸套生产工艺，包括如下步骤：

(1)按比例进行配料，用中频无芯感应电炉进行熔炼，控制铁液出炉温度为1390℃，出炉前对铁液进行两次孕育剂处理，第一次处理为75硅铁孕育剂且加入量为铁液质量的0.6％，钛粉和石墨粉的预制块加入量为铁液质量的0.5％，第二次处理为硅锶孕育剂，加入量为铁液质量的0.18％，孕育的铁液出炉后进行离心铸造，得到气缸套基体铸件。

(2)机加工：将气缸套基体铸件加工成成品，得到气缸套基体。

(3)配制纳米涂层液：将纳米SiO₂粒子(粒径30±5nm)和聚邻甲基苯胺(聚合度15～20)按照质量比1:7在10℃下混合500min，得到聚邻甲基苯胺/纳米SiO₂粒子复合材料；所述聚邻甲基苯胺/纳米SiO₂粒子复合材料、E44环氧树脂和正丁醇按照纳米SiO₂粒子、聚邻甲基苯胺、环氧树脂和正丁醇质量比1:7:7:3在24℃下混合140min，得到纳米涂层液。

(4)涂层处理：在气缸套基体外表面涂覆一定量的纳米涂层液，晾干，在气缸套基体外表面形成厚度17μm的纳米涂层，即得到纳米涂层气缸套。

(5)性能检测：按照GB/T228.1、GB/T231.1和ASTM G32标准对上述制得的纳米涂层气缸套进行机械性能、耐腐蚀性能和抗穴蚀性能的检测，结果为：抗拉强度365MPa，弹性模量140GPa，硬度258HB，涂层的阻抗值为5×10¹⁰Ω.cm²，涂层缸套的t₁₀₀为873min。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种纳米涂层气缸套，包括：

气缸套基体；

复合在气缸套基体外表面的纳米涂层；

所述纳米涂层包括纳米SiO₂粒子、聚邻甲基苯胺和环氧树脂；

所述纳米SiO₂粒子、聚邻甲基苯胺和环氧树脂的质量比为：(0.5～2)：(5～10)：(5～15)。

2.根据权利要求1所述的气缸套，其特征在于，所述纳米SiO₂粒子的粒径为10～50nm。

3.根据权利要求1所述的气缸套，其特征在于，所述聚邻甲基苯胺的聚合度为10～35。

4.根据权利要求1所述的气缸套，其特征在于，所述环氧树脂的型号为E44和/或E51。

5.根据权利要求1所述的气缸套，其特征在于，所述纳米涂层的厚度为10～20μm。

6.根据权利要求1所述的气缸套，其特征在于，气缸套基体包括：

7.一种纳米涂层气缸套的制备方法，包括以下步骤：

a)、在气缸套基体外表面涂布纳米涂层液，干燥，得到纳米涂层气缸套；

所述纳米涂层液包括纳米SiO₂粒子、聚邻甲基苯胺、环氧树脂和有机溶剂；

所述纳米SiO₂粒子、聚邻甲基苯胺和环氧树脂的质量比为：(0.5～2)：(5～10)：(5～15)。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述纳米涂层液按照以下步骤制备得到：

1)、将纳米SiO₂粒子和聚邻甲基苯胺混合，得到聚邻甲基苯胺/纳米SiO₂粒子复合材料；

2)、将所述聚邻甲基苯胺/纳米SiO₂粒子复合材料、环氧树脂和有机溶剂混合，得到纳米涂层液。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述混合的温度为10～15℃；所述混合的时间为480～500min；

步骤2)中，所述混合的温度为20～25℃；所述混合的时间为100～140min。