CN107476894A - 一种基于参差表面结构的铝缸套及其生产方法 - Google Patents

一种基于参差表面结构的铝缸套及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于参差表面结构的铝缸套，包括缸套基体，所述缸套基体外表面形成有毛刺部和环形槽体部，所述毛刺部和环形槽体部相互独立且所述毛刺部和环形槽体部间隔错位设置；所述毛刺部具有多个凸起，所述凸起的高度在0.1~0.5mm，所述环形槽体部的槽深在0.2~0.4mm。本发明公开还公开一种制备上述铝缸套的方法。本发明公开的基于参差表面结构的铝缸套，能够提高与缸套基体的结合强度，并具备足够的耐磨性能，有助于获得有效的热传导率。

Description

一种基于参差表面结构的铝缸套及其生产方法
技术领域
本发明涉及缸套生产领域，尤其涉及一种基于参差表面结构的铝缸套及其生产方法。
背景技术
缸套就是缸套的简称，它镶在缸体的缸筒内，与活塞和缸盖共同组成燃烧室。缸套分为干缸套和湿缸套两大类。背面不接触冷却水的缸套叫干缸套，背面和冷却水接触的缸套是湿缸套。干缸套厚度较薄、结构简单、加工方便。湿缸套直接接触冷却水，所以有利于发动机的冷却，有利于发动机的小型轻量化。
由于铝和铝之间的摩擦系数比铝和铸铁之间的摩擦系数要高得多，目前最主流解决办法是在铝缸体内镶铸铁缸套，铸铁缸套是铝发动机实现低排放、低油耗核心。目前，缸套和铝缸体之间的结合通过浇铸铝水来实现结合，但是由于铝金属与铸铁之间的结晶不同，因此通常采用在铸铁缸套的表面先喷涂一层喷铝层再浇铸铝水的方式来提高铸铁缸套与铝缸体之间的结合力。但是，目前喷铝层在常压下进行喷涂，虽然操作简单方便，但是铸铁缸套与铝缸体之间的结合力有限，铸铁缸套与铝缸体之间的抗拉强度不超过30MPa。
由于传统的缸套生产成本较高，磨合时间长，咬合力差，使用寿命短，并难以满足高性能节能环保发动机对于缸套强度和耐磨性及成本的要求。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种能够提高与缸套基体的结合强度，并具备足够的耐磨性能，有助于获得有效的热传导率的基于参差表面结构的铝缸套及其生产方法。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
本发明公开一种基于参差表面结构的铝缸套，包括缸套基体，所述缸套基体外表面形成有毛刺部和环形槽体部，所述毛刺部和环形槽体部相互独立且所述毛刺部和环形槽体部间隔错位设置；所述毛刺部具有多个凸起，所述凸起的高度在0.1~0.5mm，所述环形槽体部的槽深在0.2~0.4mm。
优选地，所述凸起具有收缩的形状，其采用陶瓷材料制成。
本发明还公开一种制备上述基于参差表面结构的铝缸套的生产方法，包括以下步骤：
步骤一、将原料投入中频电炉内进行熔炼，得铝液；
步骤二、对铝液进行离心铸造，得到缸套铸件；
步骤三、对缸套铸件进行渗碳处理，得到缸套基体；
步骤四、对缸套基体内表面进行处理，包括以下步骤：
1）初共渗
缸套基体在300~350℃预热后，送入盐浴池中进行盐浴共渗处理，盐浴温度为510~520℃，盐浴中氰酸根的质量浓度为30~40%，共渗90~100分钟，盐浴共渗处理后清洗，去除缸套基体共渗后表面的盐及碳；
2）二次共渗
在经过步骤一处理后的缸套基体内表面均匀涂抹一层共渗剂，然后将缸套基体置于机床托辊上，再将等离子炬喷嘴插入缸套基体内部，缸套基体在水平托辊的带动下作定轴旋转运动，等离子炬喷嘴作往复直线运动，在被处理的缸套内表面扫描出螺旋状硬化带，即完成二次共渗过程；
步骤五、在缸套基体外表面上旋转喷涂陶瓷材料形成毛刺部，毛刺部的凸起高度在0.1~0.5mm，其后在缸套基体外表面车螺纹槽形成环形槽体部，螺纹槽的槽深在0.2~0.4mm。
优选地，在将涂料喷涂缸套基体内表面形成内涂层后，对缸套基体的内表面记性珩磨。
优选地，所述共渗剂由碳化硼粉、氮化硼粉、石墨烯粉、氟硼酸钾、稀土硅铁合金粉、机油混合均匀制成。
优选地，所述共渗剂中碳化硼粉、氮化硼粉、石墨烯粉、氟硼酸钾、稀土硅铁合金粉、机油的质量配比为（33~36）:（56~60）:（3~3.5）:（1.1~1.3）:（5.8~6.3）:（120~130）。
优选地，所述稀土硅铁合金粉由硅铁、稀土铈、稀土钐、钙、生铁按照质量比（39~41）:（1.2~1.5）:（2.3~2.5）:（0.2~0.3）:（47~49）的比例配料经高温熔融制成合金再经过粉碎制成。
优选地，所述稀土硅铁合金粉的粒径小于0.5μm。
优选地，所述碳化硼粉的粒径小于0.5μm。
优选地，所述氮化硼粉的粒径小于0.5μm。
优选地，所述石墨烯粉的粒径小于0.5μm。
本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：
（1）缸套基体上设有的槽体能够使缸套与缸体紧密结合，并提升径向承受能力，防止工作时脱离气缸体。
（2）缸套基体上的凸起有助于提升缸套基体与缸体之间的咬合力，并具有较好的耐腐蚀与耐磨性能，在保证与缸套基体的结合强度的同时，有助于获得有效的热传导率。
（3）毛刺部和槽体部相互独立，加工方便，制造成本低。
（4）缸套经过本发明所述缸套内表面处理方法处理后，其具有优异的耐磨性能，相对于传统缸套，其耐磨性提高了29.8%~32.2%，配副活塞环耐磨性提高了24.7%~26.3%。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。
如图1所示，本发明公开的一种基于参差表面结构的铝缸套，本发明公开一种基于参差表面结构的铝缸套，包括缸套基体1，所述缸套基体外表面形成有毛刺部2和环形槽体部3，所述毛刺部2和环形槽体部3相互独立且所述毛刺部2和环形槽体部3间隔错位设置；所述毛刺部2具有多个凸起，所述凸起的高度在0.1~0.5mm，所述环形槽体部3的槽深在0.2~0.4mm。所述凸起具有收缩的形状，其采用陶瓷材料制成。
本发明还公开一种制备上述基于参差表面结构的铝缸套的生产方法，包括以下步骤：
步骤一、将原料投入中频电炉内进行熔炼，得铝液；
步骤二、对铝液进行离心铸造，得到缸套铸件；
步骤三、对缸套铸件进行渗碳处理，得到缸套基体；
步骤四、对缸套基体内表面进行处理，包括以下步骤：
1）初共渗
缸套基体在300~350℃预热后，送入盐浴池中进行盐浴共渗处理，盐浴温度为510~520℃，盐浴中氰酸根的质量浓度为30~40%，共渗90~100分钟，盐浴共渗处理后清洗，去除缸套基体共渗后表面的盐及碳；
2）二次共渗
在经过步骤一处理后的缸套基体内表面均匀涂抹一层共渗剂，然后将缸套基体置于机床托辊上，再将等离子炬喷嘴插入缸套基体内部，缸套基体在水平托辊的带动下作定轴旋转运动，等离子炬喷嘴作往复直线运动，在被处理的缸套内表面扫描出螺旋状硬化带，即完成二次共渗过程；
步骤五、在缸套基体外表面上旋转喷涂陶瓷材料形成毛刺部，毛刺部的凸起高度在0.1~0.5mm，其后在缸套基体外表面车螺纹槽形成环形槽体部，螺纹槽的槽深在0.2~0.4mm。
本发明提供一下几种缸套基体内表面进行处理的具体方式
实施例1
步骤一、初共渗
缸套在300~350℃预热后，送入盐浴池中进行盐浴共渗处理，盐浴温度为510~520℃，盐浴中氰酸根的质量浓度为30~40%，共渗90~100分钟，盐浴共渗处理后清洗，去除缸套共渗后表面的盐及碳；
步骤二、二次共渗
在经过步骤一处理后的缸套内表面均匀涂抹一层共渗剂，然后将缸套置于机床托辊上，再将等离子炬喷嘴插入缸套内部，缸套在水平托辊的带动下作定轴旋转运动，等离子炬喷嘴作往复直线运动，在被处理的缸套内表面扫描出螺旋状硬化带，即完成二次共渗过程。
其中，所述共渗剂由33重量份粒径小于0.5μm的碳化硼粉、56重量份粒径小于0.5μm的氮化硼粉、3重量份粒径小于0.5μm的石墨烯粉、1.1重量份的氟硼酸钾、5.8重量份粒径小于0.5μm的稀土硅铁合金粉、120重量份的机油混合均匀制成。所述稀土硅铁合金粉由硅铁、稀土铈、稀土钐、钙、生铁按照质量比39:1.2:2.3:0.2:47的比例配料经高温熔融制成合金再经过粉碎制成。
按NJ127-2001《气缸套、活塞环快速磨损试验方法》的规定，与不作初共渗和二次共渗处理的同类型缸套作对比：经过本发明所述初共渗和二次共渗处理的缸套具有优异的耐磨性能，与不作初共渗和二次共渗处理的缸套相比，其耐磨性提高了31.7%，配副活塞环耐磨性提高了26.3%。
实施例2
步骤一、初共渗
缸套在330℃预热后，送入盐浴池中进行盐浴共渗处理，盐浴温度为515℃，盐浴中氰酸根的质量浓度为35%，共渗95分钟，盐浴共渗处理后清洗，去除缸套共渗后表面的盐及碳；
步骤二、二次共渗
在经过步骤一处理后的缸套内表面均匀涂抹一层共渗剂，然后将缸套置于机床托辊上，再将等离子炬喷嘴插入缸套内部，缸套在水平托辊的带动下作定轴旋转运动，等离子炬喷嘴作往复直线运动，在被处理的缸套内表面扫描出螺旋状硬化带，即完成二次共渗过程。
其中，所述共渗剂由35重量份粒径小于0.5μm的碳化硼粉、58重量份粒径小于0.5μm的氮化硼粉、3.3重量份粒径小于0.5μm的石墨烯粉、1.2重量份的氟硼酸钾、6重量份粒径小于0.5μm的稀土硅铁合金粉、125重量份的机油混合均匀制成。所述稀土硅铁合金粉由硅铁、稀土铈、稀土钐、钙、生铁按照质量比40:1.3:2.4:0.3:49的比例配料经高温熔融制成合金再经过粉碎制成。
按NJ127-2001《气缸套、活塞环快速磨损试验方法》的规定，与不作初共渗和二次共渗处理的同类型缸套作对比：经过本发明所述初共渗和二次共渗处理的缸套具有优异的耐磨性能，与不作初共渗和二次共渗处理的缸套相比，其耐磨性提高了32.2%，配副活塞环耐磨性提高了24.9%。
实施例3
步骤一、初共渗
缸套在350℃预热后，送入盐浴池中进行盐浴共渗处理，盐浴温度为520℃，盐浴中氰酸根的质量浓度为40%，共渗100分钟，盐浴共渗处理后清洗，去除缸套共渗后表面的盐及碳；
步骤二、二次共渗
在经过步骤一处理后的缸套内表面均匀涂抹一层共渗剂，然后将缸套置于机床托辊上，再将等离子炬喷嘴插入缸套内部，缸套在水平托辊的带动下作定轴旋转运动，等离子炬喷嘴作往复直线运动，在被处理的缸套内表面扫描出螺旋状硬化带，即完成二次共渗过程。
其中，所述共渗剂由36重量份粒径小于0.5μm的碳化硼粉、60重量份粒径小于0.5μm的氮化硼粉、3.5重量份粒径小于0.5μm的石墨烯粉、1.3重量份的氟硼酸钾、6.3重量份粒径小于0.5μm的稀土硅铁合金粉、130重量份的机油混合均匀制成。所述稀土硅铁合金粉由硅铁、稀土铈、稀土钐、钙、生铁按照质量比41:1.5:2.5:0.3:49的比例配料经高温熔融制成合金再经过粉碎制成。
按NJ127-2001《气缸套、活塞环快速磨损试验方法》的规定，与不作初共渗和二次共渗处理的同类型缸套作对比：经过本发明所述初共渗和二次共渗处理的缸套具有优异的耐磨性能，与不作初共渗和二次共渗处理的缸套相比，其耐磨性提高了29.8%，配副活塞环耐磨性提高了24.7%。
在上述实施例中，缸套经过在盐浴池中进行初共渗处理，相对于普通的盐浴共渗处理，本发明的盐浴温度降低了20~50℃，在去除缸套共渗后表面的盐及碳的同时，对缸套的内表面进行初步硬化。然后在以及初步硬化的内表面的基础上，再进行使用共渗剂利用等离子体火炬进行二次共渗，这不仅使得硬化带硬度提高、组织细化、多元共渗强化的作用，同时也是由于硬化带中的大量石墨烯，石墨烯是目前已知的强度最大的材料，同时其极高的强度与柔韧性，室温下最好的导电导热性使得石墨烯在具有自润滑作用的同时，不影响硬化带的耐磨性，从而提髙了缸套的使用寿命。
在共渗剂中，碳化硼粉和氮化硼粉均为供硼剂，碳化硼具有密度低、强度大、高温稳定性以及化学稳定性好的特点。氮化硼具有良好的导热性，是一种超硬材料，有助于后续提高硬化带的耐磨性。氟硼酸钾为活化剂，稀土硅铁合金粉为还原剂，在稀土硅铁合金粉中，稀土铈和稀土钐具有防止热裂变和改善组织结构的性能，稀土铈本身还用作还原剂和催化剂，提高硬化带的耐热性。稀土钐易与非金属元素化合，促使硬化带结合缸套内表面中的非金属元素，促使硬化带成型并与缸套内表面结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于参差表面结构的铝缸套，包括缸套基体，其特征在于，所述缸套基体外表面形成有毛刺部和环形槽体部，所述毛刺部和环形槽体部相互独立且所述毛刺部和环形槽体部间隔错位设置；所述毛刺部具有多个凸起，所述凸起的高度在0.1~0.5mm，所述环形槽体部的槽深在0.2~0.4mm。
2.根据权利要求1所述的基于参差表面结构的铝缸套，其特征在于，所述凸起具有收缩的形状，其采用陶瓷材料制成。
3.一种生产如权利要求1-2任一项所述的基于参差表面结构的铝缸套的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将原料投入中频电炉内进行熔炼，得铝液；
步骤二、对铝液进行离心铸造，得到缸套铸件；
步骤三、对缸套铸件进行渗碳处理，得到缸套基体；
步骤四、对缸套基体内表面进行处理，包括以下步骤：
1）初共渗
缸套基体在300~350℃预热后，送入盐浴池中进行盐浴共渗处理，盐浴温度为510~520℃，盐浴中氰酸根的质量浓度为30~40%，共渗90~100分钟，盐浴共渗处理后清洗，去除缸套基体共渗后表面的盐及碳；
2）二次共渗
在经过步骤一处理后的缸套基体内表面均匀涂抹一层共渗剂，然后将缸套基体置于机床托辊上，再将等离子炬喷嘴插入缸套基体内部，缸套基体在水平托辊的带动下作定轴旋转运动，等离子炬喷嘴作往复直线运动，在被处理的缸套内表面扫描出螺旋状硬化带，即完成二次共渗过程；
步骤五、在缸套基体外表面上旋转喷涂陶瓷材料形成毛刺部，毛刺部的凸起高度在0.1~0.5mm，其后在缸套基体外表面车螺纹槽形成环形槽体部，螺纹槽的槽深在0.2~0.4mm。
4.根据权利要求3所述的生产基于参差表面结构的铝缸套的方法，其特征在于，在将涂料喷涂缸套基体内表面形成内涂层后，对缸套基体的内表面记性珩磨。
5.根据权利要求3所述的生产基于参差表面结构的铝缸套的方法，其特征在于，所述共渗剂由碳化硼粉、氮化硼粉、石墨烯粉、氟硼酸钾、稀土硅铁合金粉、机油混合均匀制成。
6.根据权利要求3所述的生产基于参差表面结构的铝缸套的方法，其特征在于，所述共渗剂中碳化硼粉、氮化硼粉、石墨烯粉、氟硼酸钾、稀土硅铁合金粉、机油的质量配比为（33~36）:（56~60）:（3~3.5）:（1.1~1.3）:（5.8~6.3）:（120~130）。
7.根据权利要求3所述的生产基于参差表面结构的铝缸套的方法，其特征在于，所述稀土硅铁合金粉由硅铁、稀土铈、稀土钐、钙、生铁按照质量比（39~41）:（1.2~1.5）:（2.3~2.5）:（0.2~0.3）:（47~49）的比例配料经高温熔融制成合金再经过粉碎制成。
8.根据权利要求3所述的生产基于参差表面结构的铝缸套的方法，其特征在于，所述稀土硅铁合金粉的粒径小于0.5μm。
9.根据权利要求3所述的生产基于参差表面结构的铝缸套的方法，其特征在于，所述碳化硼粉的粒径小于0.5μm。
10.根据权利要求3所述的生产基于参差表面结构的铝缸套的方法，其特征在于，所述氮化硼粉的粒径小于0.5μm。
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