CN107587009A - 一种发动机底座 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发动机底座，属于汽车零部件的技术领域。其包括底座基体，以及涂覆在底座基体表面厚度为1.0‑2.0mm的SiO2陶瓷表面膜，底座基体由铝合金制成，其成分组成Si1.2‑2.5％，Cu0.03‑0.1％，Mg0.015‑0.05％，Zn0.03‑0.1％，Ni0.05‑0.15％，Ce0.05‑0.15％，余量为铝。本发明发动机底座通过配伍合理的基体，并配合熔炼、浇注、固溶处理、断续时效处理、低温保温，提高基体的力学性能，再通过在含有Na2SnO3的钝化液中钝化处理以及在表面形成SiO2陶瓷表面膜，在保证发动机底座耐腐蚀性能的同时大幅度提高底座的硬度和强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种发动机底座，属于汽车零部件的技术领域。
背景技术
发动机底座在实际运用中有着重要作用，不仅对发动机及其组件起到支撑的作用，还对发动机的振动起到缓冲和限位挡板的效果，而发动机底座承受的重力和扭矩较大，容易出现变形的状况，而用较厚实的钢材来制作发动机底座组件不仅需要较多的材料，而且会增加整个发动机的重量，对于车载发动机的载重能力有一定的影响。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供一种同时具有优异的腐蚀性和强度、硬度的发动机底座。
本发明通过如下技术方案实现：一种发动机底座，所述的发动机底座包括底座基体，以及涂覆在底座基体表面厚度为1.0-2.0mm的SiO2陶瓷表面膜，所述的底座基体由铝合金制成，所述的铝合金由如下质量百分比的成分组成：Si：1.2-2.5％，Cu：0.03-0.1％，Mg：0.015-0.05％，Zn：0.03-0.1％，Ni：0.05-0.15％，Ce：0.05-0.15％，余量为铝及不可避免的杂质。
本发明在底座基体表面涂覆一层SiO2陶瓷表面膜，在发动机运行时，发动机底座SiO2陶瓷表面膜的温度明显高于未涂覆表面膜的底座表面温度。在底座基体表面涂覆一层SiO2陶瓷表面膜大幅降低了底座基体表面的温度，进而提高铝合金的表面硬度。且在1.0-2.0mm的厚度范围内，底座基体热应力随着陶瓷表面膜厚度的增加而增加，且基体热应力约为陶瓷表面膜热应力的一半；由于陶瓷表面膜的添加，使得底座基体在远小于其许用应力下工作，进而增加底座基体表面的硬度，进一步延长其使用寿命。但是当厚度超过2.0mm后，底座基体表面的硬度增加不明显，反而会影响发动机底座整体的综合性能。本发明发动机底座基体铝合金中加入了Si、Cu、Mg、Zn、Ni和Ce，铝元素熔点很高，熔解速度很慢，加入这些金属能与铝制成中间合金，再以中间合金的形式把元素引入到铝熔体，这样就避免了为加快熔解速度而增加温度带来的能源浪费，同时可以避免由于某些元素氧化而带入杂质，并能使其在较低的熔炼温度下实现高的吸收率和稳定性，有利于提高铝合金铸锭的质量同时降低能耗和成本。本发明中添加的金属元素纯度为99％及以上，可将杂质的带入量降至最低。本发明发动机底座基体铝合金中大大提高了Si的含量，与Mg形成Mg2Si，充分发挥Mg的作用，提高铝合金的强度、塑性。本发明中添加的Ni，分布在晶界和基体晶粒中，当合金发生塑性变形时，这些晶粒内部的球形富Ni粒子会“钉扎”位错，而晶界上的弥散相会阻碍滑移系从一个晶粒传递到相邻晶粒，从而提高合金的强度。由于塑性变形时这些细小的球形富Ni相会缓解晶界上的应力集中，延缓裂纹源的过早形成，所以在合金强度提高的同时伸长率也会相应提高。另外，在本发明发动机底座基体铝合金中添加了微量的Ce元素。Ce是稀土元素中丰度最高的元素，加入该元素后，能形成一种特殊的铝-铈化合物，即金属间化合物，这种金属间化合物只有在华氏2000℃以上才能熔化，可铸性高，热处理需求低，高温稳定性好。且铝-铈化合物阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金具有强化作用，还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。
在上述的发动机底座中，所述的铝合金由如下质量百分比的成分组成：Si：1.8-2.2％，Cu：0.05-0.08％，Mg：0.02-0.04％，Zn：0.05-0.08％，Ni：0.08-0.12％，Ce：0.08-0.12％，余量为铝及不可避免的杂质。
本发明还提供一种上述发动机底座的加工方法，所述的加工方法包括如下步骤：
熔炼：配比铝合金，并将铝合金熔炼成铝液，并经过精炼；
浇铸：将精炼后的铝液浇铸到预热后的模具中，浇铸成型，得底座基体坯件；
热处理：将底座基体坯件依次进行固溶处理、断续时效处理，然后低温保温；
钝化处理：将热处理后的底座基体坯件在含有Na2SnO3的钝化液中进行钝化处理，得底座基体；
成膜：将底座基体浸入溶胶中，采用提拉法在底座基体表面涂覆SiO2陶瓷表面膜，经红外烘干后进行烧结，即可制得发动机底座。
铝合金的力学性能和抗腐蚀性能主要由合金的组织结构、第二相粒子的形状、大小和尺寸决定，而热处理工艺是决定合金组织结构的关键。作为多级时效的一种，断续时效以及低温保温可大幅度提高铝合金的强度、韧性及抗冲击性能，在断续时效过程中，相在晶内和晶界上的析出是不同步的。由于晶界是各种缺陷集中的地方，原子偏离平衡位置的位能较高，易于形成新的相界面，成核的自由能障碍较小，故晶界溶质偏析浓度高，沿晶界扩散快，析出相的成核速度比基体的快，即晶界有优先沉淀析出的倾向。由于低温保温阶段时效温度较低，溶质原子扩散的驱动力小，晶内形核析出速率受限，析出相优先集中于晶界，在晶界上形成了大量细小的GP区，这些GP区达到一定尺寸后，就成为后续时效析出相的核心。经过再时效阶段，大量连续的θ′(θ)相在晶界析出，造成析出相附近Cu含量降低，使晶界附近成为阳极。而θ′(θ)相和晶粒本体则成为阴极。在大阴极、小阳极的腐蚀条件下，作为阳极的晶界附近贫铜区形成溶解通道，发生明显的腐蚀。铝合金底座基体在晶界附近析出较连续的沉淀相，构成腐蚀通道，加速腐蚀进行，从而降低了合金的抗应力腐蚀性能。但另一方面，断续时效形成的晶界析出相θ′(θ)十分均匀细小，其附近的Cu含量的降低也较少，导致无沉淀析出带较窄，从而降低了晶内和晶界之间的电位差，在一定程度上缓和了腐蚀的进行。这两方面的共同作用使得断续时效态铝合金的力学性能大幅度提高，然而抗应力腐蚀性能略有所下降。因此本发明将底座基体在含有Na2SnO3的钝化液中进行钝化处理，SnO2 －3水解产生SnO2，沉淀在铝合金表面的金属间颗粒周围，屏蔽铝合金表面活性点；另外水解产生的OH－与铝合金溶解产生的Al3+结合形成Al(OH)3，促进铝合金表面的钝化，对腐蚀起到抑制作用，提高底座的耐腐蚀性能。接着在再将底座基体浸入溶胶中，在基体表面形成SiO2陶瓷膜，在保证发动机底座耐腐蚀性能的同时大幅度提高底座的硬度和强度。
在上述发动机底座的加工方法中，所述熔炼的温度为720-740℃。
在上述发动机底座的加工方法中，所述预热的温度为180-220℃。
在上述发动机底座的加工方法中，所述固溶处理的温度为450-470℃，固溶处理的时间为40-60min。固溶处理时，溶质原子Mg、Zn等溶入基体形成置换式固溶体，由于溶质与基体原子尺寸差异，金属的晶体点阵发生畸变，从而使点阵常数发生变化。Zn的原子半径比Al小，Zn的融入会导致基体点阵常数减小，而Mg的原子半径比Al大，Mg的溶入会导致基体点阵常数增大，实验表明本发明底座基体通过如下的固溶处理后MgZn2相以及完全溶入到铝基体中，最大限度的提高了Mg、Zn元素在基体中的过饱和度。再配合后面的断续时效处理，可进一步导致析出相质点的尺寸小小，数量增加，分布更均匀，进而提高底座基体的力学性能。
在上述发动机底座的加工方法中，所述的断续时效处理包括预时效、再时效处理，所述预时效处理的温度为140-150℃，预时效处理的时间为2-4h；再时效处理的温度为180-190℃，再时效处理的时间为3-6h。
在上述发动机底座的加工方法中，低温保温的温度为120-140℃，保温时间为1-3h。在断续时效处理后将底座基体坯件在120-140℃下保温1-3h，可进一步提高底座基体的强度、韧性及抗冲击性能。
在上述发动机底座的加工方法中，钝化液中Na2SnO3的浓度为0.08-0.12g/L。钝化液中还含有0.1mol/L的NaCl溶液。在0.1mol/L NaCl溶液中，添加一定量的Na2SnO3可促进铝合金基体表面发生钝化，降低铝合金的孔蚀敏感性，抑制稳定孔蚀的发生。Na2SnO3浓度增大，溶液的pH值随之升高，因此Na2SnO3浓度较大时反而会促进铝合金的均匀腐蚀。
在上述发动机底座的加工方法中，所述的溶胶通过如下方法制得：不断搅拌过程中向正硅酸乙酯中加入无水乙醇，然后加入蒸馏水，搅拌后依次加入盐酸和甲酰胺，继续搅拌，陈化制得。
作为优选，无水乙醇与正硅酸乙酯的体积比为2-4：1，蒸馏水与正硅酸乙酯的体积比为0.8-1.2：1，pH为2-4，甲酰胺与正硅酸乙酯的体积比为0.4-0.8：1。在溶胶制备过程中控制在上述范围可在铝合金基体表面得到光滑平整没有缺陷及裂纹的陶瓷表面膜。
在上述发动机底座的加工方法中，所述烧结的温度为520-550℃，烧结的时间为0.5-1h。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明发动机底座在基体表面涂覆一层SiO2陶瓷表面膜，增加了底座基体表面的硬度。
2、本发明发动机底座基体铝合金中加入了Si、Cu、Mg、Zn、Ni和Ce，通过各元素之间的协同作用，提高底座基体的强度、硬度、韧性等力学性能以及耐腐蚀性。
3、本发明发动机底座的基体先经过熔炼、浇注、固溶处理、断续时效处理以及低温保温，提高基体的力学性能，再通过在含有Na2SnO3的钝化液中钝化处理以及在表面形成SiO2陶瓷表面膜，在保证发动机底座耐腐蚀性能的同时大幅度提高底座的硬度和强度。
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
一种发动机底座包括底座基体，以及涂覆在底座基体表面厚度为1.5mm的SiO2陶瓷表面膜；所述的铝合金由如下质量百分比的成分组成：Si：2.0％，Cu：0.06％，Mg：0.03％，Zn：0.06％，Ni：0.1％，Ce：0.1％，余量为铝及不可避免的杂质。
实施例2
一种发动机底座包括底座基体，以及涂覆在底座基体表面厚度为1.2mm的SiO2陶瓷表面膜；所述的铝合金由如下质量百分比的成分组成：Si：1.8％，Cu：0.08％，Mg：0.02％，Zn：0.08％，Ni：0.08％，Ce：0.12％，余量为铝及不可避免的杂质。
实施例3
一种发动机底座包括底座基体，以及涂覆在底座基体表面厚度为1.8mm的SiO2陶瓷表面膜；所述的铝合金由如下质量百分比的成分组成：Si：2.2％，Cu：0.05％，Mg：0.04％，Zn：0.05％，Ni：0.12％，Ce：0.08％，余量为铝及不可避免的杂质。
实施例4
一种发动机底座包括底座基体，以及涂覆在底座基体表面厚度为1.2mm左右的SiO2陶瓷表面膜；所述的底座基体由铝合金制成，所述的铝合金由如下质量百分比的成分组成：Si：2.5％，Cu：0.03％，Mg：0.05％，Zn：0.03％，Ni：0.15％，Ce：0.05％，余量为铝及不可避免的杂质。
实施例5
一种发动机底座包括底座基体，以及涂覆在底座基体表面厚度为1.8mm左右的SiO2陶瓷表面膜；所述的底座基体由铝合金制成，所述的铝合金由如下质量百分比的成分组成：Si：1.2％，Cu：0.1％，Mg：0.015％，Zn：0.1％，Ni：0.05％，Ce：0.15％，余量为铝及不可避免的杂质。
实施例6
熔炼：按实施例1所述的质量百分比的成分配比铝合金，将铝合金在730℃下熔炼成铝液，并经过精炼；
浇铸：将精炼后的铝液浇铸到预热至200℃的模具中，浇铸成型，得底座基体坯件；
热处理：将底座基体坯件在460℃下进行固溶处理50min，145℃下预时效处理3h，在185℃下再时效处理4h，然后在130℃下低温保温2h；
钝化处理：将热处理后的底座基体坯件在含有0.1g/L Na2SnO3、0.1mol/L NaCl的钝化液中进行钝化处理1h，得底座基体；
成膜：将底座基体浸入溶胶中，采用提拉法在底座基体表面形成SiO2陶瓷表面膜，经红外烘干后在540℃下烧结0.8h，即可制得发动机底座。
本实施例中的溶胶通过如下方法制得：不断搅拌过程中向正硅酸乙酯中加入无水乙醇，然后加入蒸馏水，搅拌后依次加入盐酸和甲酰胺，继续搅拌，陈化制得。无水乙醇与正硅酸乙酯的体积比为3：1，蒸馏水与正硅酸乙酯的体积比为1：1，pH为3，甲酰胺与正硅酸乙酯的体积比为0.6：1。
实施例7
熔炼：按实施例2所述的质量百分比的成分配比铝合金，将铝合金在725℃下熔炼成铝液，并经过精炼；
浇铸：将精炼后的铝液浇铸到预热至190℃的模具中，浇铸成型，得底座基体坯件；
热处理：将底座基体坯件在455℃下进行固溶处理55min，142℃下预时效处理3.5h，在182℃下再时效处理5h，然后在125℃下低温保温2.5h；
钝化处理：将热处理后的底座基体坯件在含有0.09g/L Na2SnO3、0.1mol/L NaCl的钝化液中进行钝化处理1.5h，得底座基体；
成膜：将底座基体浸入溶胶中，采用提拉法在底座基体表面形成SiO2陶瓷表面膜，经红外烘干后在545℃下烧结0.6h，即可制得发动机底座。
本实施例中的溶胶通过如下方法制得：不断搅拌过程中向正硅酸乙酯中加入无水乙醇，然后加入蒸馏水，搅拌后依次加入盐酸和甲酰胺，继续搅拌，陈化制得。无水乙醇与正硅酸乙酯的体积比为2：1，蒸馏水与正硅酸乙酯的体积比为0.8：1，pH为2，甲酰胺与正硅酸乙酯的体积比为0.4：1。
实施例8
熔炼：按实施例3所述的质量百分比的成分配比铝合金，将铝合金在735℃下熔炼成铝液，并经过精炼；
浇铸：将精炼后的铝液浇铸到预热至210℃的模具中，浇铸成型，得底座基体坯件；
热处理：将底座基体坯件在465℃下进行固溶处理45min，148℃下预时效处理2.5h，在188℃下再时效处理4h，然后在135℃下低温保温1.5h；
钝化处理：将热处理后的底座基体坯件在含有0.11g/L Na2SnO3、0.1mol/L NaCl的钝化液中进行钝化处理0.8h，得底座基体；
成膜：将底座基体浸入溶胶中，采用提拉法在底座基体表面形成SiO2陶瓷表面膜，经红外烘干后在530℃下烧结1h，即可制得发动机底座。
本实施例中的溶胶通过如下方法制得：不断搅拌过程中向正硅酸乙酯中加入无水乙醇，然后加入蒸馏水，搅拌后依次加入盐酸和甲酰胺，继续搅拌，陈化制得。无水乙醇与正硅酸乙酯的体积比为4：1，蒸馏水与正硅酸乙酯的体积比为1.2：1，pH为4，甲酰胺与正硅酸乙酯的体积比为0.8：1。
实施例9
熔炼：按实施例4所述的质量百分比的成分配比铝合金，将铝合金在720℃下熔炼成铝液，并经过精炼；
浇铸：将精炼后的铝液浇铸到预热至220℃的模具中，浇铸成型，得底座基体坯件；
热处理：将底座基体坯件在470℃下进行固溶处理40min，150℃下预时效处理2h，在190℃下再时效处理3h，然后在140℃下低温保温1h；
钝化处理：将热处理后的底座基体坯件在含有0.08g/L Na2SnO3、0.1mol/L NaCl的钝化液中进行钝化处理2h，得底座基体；
成膜：将底座基体浸入溶胶中，采用提拉法在底座基体表面形成SiO2陶瓷表面膜，经红外烘干后在520℃下烧结1h，即可制得发动机底座。
实施例10
熔炼：按实施例5所述的质量百分比的成分配比铝合金，将铝合金在740℃下熔炼成铝液，并经过精炼；
浇铸：将精炼后的铝液浇铸到预热至180℃的模具中，浇铸成型，得底座基体坯件；
热处理：将底座基体坯件在450℃下进行固溶处理60min，140℃下预时效处理4h，在180℃下再时效处理6h，然后在120℃下低温保温3h；
钝化处理：将热处理后的底座基体坯件在含有0.12g/L Na2SnO3、0.1mol/L NaCl的钝化液中进行钝化处理0.5h，得底座基体；
成膜：将底座基体浸入溶胶中，采用提拉法在底座基体表面形成SiO2陶瓷表面膜，经红外烘干后在550℃下烧结0.5h，即可制得发动机底座。
对比例1
与实施例6的区别仅在于，该对比例中的发动机底座即为对比例1中的底座基体，即不包括涂覆在底座基体表面厚度为1.0-2.0mm的SiO2陶瓷表面膜。
对比例2
与实施例6的区别仅在于，该对比例底座基体的成分不含有Ce。
对比例3
与实施例6的区别仅在于，该对比例发动机底座的加工中不含有钝化处理。
对比例4
与实施例6的区别仅在于，该对比例发动机底座的加工中的钝化处理采用普通的钝化液。
对比例5
与实施例6的区别仅在于，该对比例发动机底座的加工中热处理为普通的固溶与时效处理，即不为断续时效处理，也无低温保温处理的步骤。
对比例6
与实施例6的区别仅在于，该对比例发动机底座的加工中不包括低温保温处理的步骤。
将实施例6-10及对比例1-6中制得的发动机底座进行性能测试，测试结果如表1所示。
表1：实施例6-10及对比例1-6中制得的发动机底座的性能
上述测试除特别说明外，均是常规的检测方法，其中磨损量的测试为将连续工作720h后的电机座盖板进行检测。耐腐蚀性能测试中的结果为电机座盖板表面出现点蚀的时间。
综上所述，本发明发动机底座在基体表面涂覆一层SiO2陶瓷表面膜，增加了底座基体表面的硬度。发动机底座基体铝合金中加入了Si、Cu、Mg、Zn、Ni和Ce，通过各元素之间的协同作用，并配合熔炼、浇注、固溶处理、断续时效处理、低温保温，提高基体的力学性能，再通过在含有Na2SnO3的钝化液中钝化处理以及在表面形成SiO2陶瓷表面膜，在保证发动机底座耐腐蚀性能的同时大幅度提高底座的硬度和强度。
鉴于本发明方案实施例众多，各实施例实验数据庞大众多，不适合于此处逐一列举说明，但是各实施例所需要验证的内容和得到的最终结论均接近。
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 (10)
1.一种发动机底座，其特征在于，所述的发动机底座包括底座基体，以及涂覆在底座基体表面厚度为1.0-2.0mm的SiO2陶瓷表面膜；所述的底座基体由铝合金制成，所述的铝合金由如下质量百分比的成分组成：Si：1.2-2.5％，Cu：0.03-0.1％，Mg：0.015-0.05％，Zn：0.03-0.1％，Ni：0.05-0.15％，Ce：0.05-0.15％，余量为铝及不可避免的杂质。
2.一种发动机底座的加工方法，其特征在于，所述的加工方法包括如下步骤：
熔炼：按质量百分比的成分配比铝合金，将铝合金熔炼成铝液，并经过精炼；
浇铸：将精炼后的铝液浇铸到预热后的模具中，浇铸成型，得底座基体坯件；
热处理：将底座基体坯件依次进行固溶处理、断续时效处理，然后低温保温；
钝化处理：将热处理后的底座基体坯件在含有Na2SnO3的钝化液中进行钝化处理，得底座基体；
成膜：将底座基体浸入溶胶中，采用提拉法在底座基体表面形成SiO2陶瓷表面膜，经红外烘干后进行烧结，即可制得发动机底座。
3.根据权利要求2所述的发动机底座的加工方法，其特征在于，所述熔炼的温度为720-740℃。
4.根据权利要求2所述的发动机底座的加工方法，其特征在于，所述预热的温度为180-220℃。
5.根据权利要求2所述的发动机底座的加工方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为450-470℃，固溶处理的时间为40-60min。
6.根据权利要求2所述的发动机底座的加工方法，其特征在于，所述的断续时效处理包括预时效、再时效处理，所述预时效处理的温度为140-150℃，预时效处理的时间为2-4h；再时效处理的温度为180-190℃，再时效处理的时间为3-6h。
7.根据权利要求2所述的发动机底座的加工方法，其特征在于，低温保温的温度为120-140℃，保温时间为1-3h。
8.根据权利要求2所述的发动机底座的加工方法，其特征在于，钝化液中Na2SnO3的浓度为0.08-0.12g/L。
9.根据权利要求2所述的发动机底座的加工方法，其特征在于，所述的溶胶通过如下方法制得：不断搅拌过程中向正硅酸乙酯中加入无水乙醇，然后加入蒸馏水，搅拌后依次加入盐酸和甲酰胺，继续搅拌，陈化制得。
10.根据权利要求2所述的发动机底座的加工方法，其特征在于，所述烧结的温度为520-550℃，烧结的时间为0.5-1h。
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