CN106499539A

CN106499539A - 一种低摩擦内涂层气缸套及其制备方法

Info

Publication number: CN106499539A
Application number: CN201610930477.9A
Authority: CN
Inventors: 王勇; 高广东; 邹悟会; 杨淑娟; 杨广宁
Original assignee: Central Plains Nei Pei Group PLC
Current assignee: Central Plains Nei Pei Group PLC
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2017-03-15
Also published as: WO2018077064A1

Abstract

本发明属于气缸套领域，尤其涉及一种低摩擦内涂层气缸套及其制备方法。本发明提供的气缸套包括气缸套基体和复合在气缸套基体内表面的涂层；所述涂层的表面粗糙度Rz为50～200μm。本发明提供的气缸套在其内表面设计了涂层结构，一方面，涂层的设置可增加气缸套内表面耐磨性，有效提高气缸套的使用寿命；另一方面，缸套涂层的孔隙可储存燃料油，从而有效降低油耗。实验结果表明：使用本发明提供的气缸套的柴油机或汽油机，缸套磨损量减少约30％，燃油消耗量可以降低2～4％，活塞组件的机械损失可降低20％以上。

Description

一种低摩擦内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，尤其涉及一种低摩擦内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。

目前，汽车发动机在不断增加爆发压力，这导致气缸套的磨损加剧和发动机油耗上升。因此，目前亟待开发一种新型气缸套来解决这些问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低摩擦内涂层气缸套及其制备方法，装配有本发明提供的气缸套的发动机气缸具有低摩擦，高耐磨性，且油耗较低。

本发明提供了一种具有内涂层的气缸套，包括气缸套基体和复合在气缸套基体内表面的涂层；所述涂层的表面粗糙度Rz为50～200μm。

优选的，所述涂层的平均孔隙率≤8％。

优选的，所述涂层的厚度为0.1～0.7mm。

优选的，所述涂层与缸套基体之间的结合强度为30MPa以上。

优选的，所述涂层的材料为铁基合金或复合陶瓷材料。

优选的，所述气缸套基体内表面的粗糙度Rz为30～150μm。

本发明提供了一种具有内涂层的气缸套的制备方法，包括以下步骤：

a)、将涂层原料涂覆在气缸套基体内表面，形成涂层，得到具有内涂层的气缸套；所述涂层的表面粗糙度Rz为50～200μm。

优选的，所述涂覆的方式为等离子喷涂。

优选的，在将涂层原料涂覆在气缸套基体内表面之前，先对所述气缸套基体的内表面进行粗化处理。

优选的，所述粗化处理的方式为使用钢砂、铁砂、白刚玉和棕刚玉中的一种或多种对气缸套基体的内表面进行喷砂粗化。

优选的，还包括：在形成涂层后对气缸套基体的内表面进行珩磨。

与现有技术相比，本发明提供了一种低摩擦内涂层气缸套及其制备方法，本发明提供的气缸套包括气缸套基体和复合在气缸套基体内表面的涂层；所述涂层的表面粗糙度Rz为50～200μm。本发明提供的气缸套在其内表面设计了涂层结构，一方面，涂层的设置可增加气缸套内表面耐磨性，有效提高气缸套的使用寿命；另一方面，缸套涂层的孔隙可储存燃料油，从而有效降低油耗。实验结果表明：使用本发明提供的气缸套的柴油机或汽油机，缸套磨损量减少约30％，燃油消耗量可以降低2～4％，活塞组件的机械损失可降低20％以上。

具体实施方式

下面将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。

本发明提供的一种具有内涂层的气缸套，包括气缸套基体和复合在气缸套基体内表面的涂层；所述涂层的表面粗糙度Rz为50～200μm。

本发明提供的气缸套包括气缸套基体和涂层，所述涂层复合在气缸套基体的内表面。在本发明提供的一个实施例中，所述气缸套基体的内表面具有刀纹、若干个平行排列的燕尾槽纹路或若干个平行排列的锯齿状纹路。在本发明提供的一个实施例中，所述燕尾槽纹路的槽深为0.05～0.15mm。在本发明提供的一个实施例中，相邻两个所述锯齿状纹路之间的槽深为0.05～0.15mm。在本发明提供的一个实施例中，所述气缸套基体内表面的粗糙度(Rz)为30～150μm；在本发明提供的另一个实施例中，所述气缸套基体内表面的粗糙度(Rz)为50～150μm；在本发明提供的其他实施例中，所述气缸套基体内表面的粗糙度(Rz)为100～140μm；在本发明提供的其他实施例中，所述气缸套基体内表面的粗糙度(Rz)为114～131μm。在本发明提供的一个实施例中，所述气缸套基体的材料为铁合金。在本发明提供的一个实施例中，所述铁合金包括C、S、Si、P、Mn、Cr、Ni、Mo和Fe。在本发明提供的一个实施例中，铁合金中C的含量为2.5～3.2wt％。在本发明提供的一个实施例中，铁合金中S的含量≤0.08wt％；在本发明提供的另一个实施例中，铁合金中S的含量为0.04～0.07wt％。在本发明提供的一个实施例中，铁合金中Si的含量为1.8～2.3wt％；在本发明提供的另一个实施例中，铁合金中Si的含量为1.85～2.2wt％在本发明提供的一个实施例中，铁合金中P的含量≤0.08wt％；在本发明提供的另一个实施例中，铁合金中P的含量为0.03～0.06wt％。在本发明提供的一个实施例中，铁合金中Mn的含量≤0.8wt％；在本发明提供的另一个实施例中，铁合金中Mn的含量为0.35～0.65wt％。在本发明提供的一个实施例中，铁合金中Cr的含量≤0.5wt％；在本发明提供的另一个实施例中，铁合金中Cr的含量为0.03～0.25wt％。在本发明提供的一个实施例中，铁合金中Ni的含量为0.8～1.5wt％。在本发明提供的一个实施例中，铁合金中Mo的含量为0.8～1.5wt％。在本发明提供的一个实施例中，铁合金中Fe的含量为余量。

在本发明中，所述涂层的表面粗糙度Rz为50～200μm；在本发明提供的一个实施例中，所述涂层的表面粗糙度Rz为90～120μm；在本发明提供的另一个实施例中，所述涂层的表面粗糙度Rz为98～109μm。在本发明提供的一个实施例中，所述涂层的平均孔隙率≤8％；在本发明提供的另一个实施例中，所述涂层的平均孔隙率1～2％；在本发明提供的其他实施例中，所述涂层的平均孔隙率1.3～1.8％。在本发明提供的一个实施例中，所述涂层的厚度为0.1～0.7mm；在本发明提供的另一个实施例中，所述涂层的厚度为0.2～0.3mm；在本发明提供的其他实施例中，所述涂层的厚度为0.23～0.28mm。在本发明提供的一个实施例中，所述涂层的材料为铁基合金或复合陶瓷材料。在本发明提供的一个实施例中，所述铁基合金包括C、Mn、Cr、Mo、Ni、Cu、Si、B、Fe和金属氧化物。在本发明中，所述氧化物包括氧化锌、三氧化二铝和二氧化锆中的一种或多种。在本发明提供的一个实施例中，铁基合金中C的含量≤2wt％；在本发明提供的另一个实施例中，铁基合金中C的含量为0.2～1.4wt％。在本发明提供的一个实施例中，铁基合金中Mn的含量≤2wt％；在本发明提供的另一个实施例中，铁基合金中Mn的含量为0.2～1.5wt％。在本发明提供的一个实施例中，铁基合金中Cr的含量≥1wt％；在本发明提供的另一个实施例中，铁基合金中Cr的含量为16～20wt％。在本发明提供的一个实施例中，铁基合金中Mo的含量≥0.2wt％；在本发明提供的另一个实施例中，铁基合金中Mo的含量为10～14wt％。在本发明提供的一个实施例中，铁基合金中Ni的含量≤5wt％；在本发明提供的另一个实施例中，铁合金中Ni的含量为0.2～4.2wt％。在本发明提供的一个实施例中，铁基合金中Cu的含量≥1wt％；在本发明提供的另一个实施例中，铁基合金中Cu的含量为1.2～3.6wt％。在本发明提供的一个实施例中，铁基合金中Si的含量≥1.2wt％；在本发明提供的另一个实施例中，铁合金中Si的含量为1.2～3.5wt％。在本发明提供的一个实施例中，铁基合金中B的含量≥1.5wt％；在本发明提供的另一个实施例中，铁基合金中B的含量为1.5～2.5wt％。在本发明提供的一个实施例中，铁基合金中氧化物的含量为20～30wt％；在本发明提供的另一个实施例中，铁基合金中氧化物的含量为22～25wt％。在本发明提供的一个实施例中，铁基合金中剩余成分主要为Fe。

在本发明提供的一个实施例中，所述涂层与缸套基体内表面之间的结合强度为30MPa以上；在本发明提供的另一个实施例中，所述涂层与缸套基体内表面之间的结合强度为35～60MPa；在本发明提供的其他实施例中，所述涂层与缸套基体内表面之间的结合强度为47～53MPa。

本发明提供的气缸套在其内表面设计了涂层结构，一方面，涂层的设置可增加气缸套内表面耐磨性，有效提高气缸套的使用寿命；另一方面，缸套涂层的孔隙可储存燃料油，从而有效较低油耗。实验结果表明：使用本发明提供的气缸套的柴油机或汽油机，缸套磨损量减少约30％，燃油消耗量可以降低2～4％，活塞组件的机械损失可降低20％以上。

在本发明提供的制备方法中，首先将涂层原料涂覆在气缸套基体内表面。在本发明中，所述气缸套基体优选为进行过机加工的气缸套基体，其内表面具有刀纹、若干个平行排列的燕尾槽纹路或若干个平行排列的锯齿状纹路；其中，内表面具有刀纹的气缸套基体的表面粗糙度(Rz)优选为30～200μm；内表面具有燕尾槽纹路的气缸套基体的燕尾槽纹路的槽深优选为0.05～0.15mm；内表面具有平行排列的锯齿状纹路的气缸套基体的相邻两个所述锯齿状纹路之间的槽深优选为0.05～0.15mm。在本发明中，所述涂层原料优选为铁合金。

在本发明中，所述涂覆的方式优选为等离子喷涂，所述等离子喷涂的具体过程为：将涂层原料熔融后注入等离子喷涂设备，然后将涂层原料熔体喷涂到气缸套基体内表面。在本发明中，等离子喷涂过程中，使用的载气优选为氩气；载气的送料速度优选为30～100g/min，更优选为50～90g/min，最优选为78～83g/min；喷涂的气压优选＞0.4MPa，更优选为0.4～0.6MPa，最优选为0.45～0.48MPa；喷涂的功率优选为25～40kW，更优选为30～40kW，最优选为32～36kW；喷涂的距离优选为120～240mm，更优选为120～150mm，最优选为125～130mm；喷涂枪的速度优选为20～80mm/s，更优选为50～70mm/s，最优选为57～60mm/s；喷涂枪的往复次数优选为5～30次，更优选为12～16次；喷涂的角度优选为45～100°。在本发明中，等离子喷涂过程中，每喷涂1～3个往复后，优选间隔2～8min再进行下次喷涂。

在本发明中，优选在将涂层原料涂覆在气缸套基体内表面之前，先对所述气缸套基体的内表面进行粗化处理。所述粗化处理的方式优选为喷砂粗化；所述喷砂粗化的砂料包括白刚玉、棕刚玉和钢砂中的一种或多种；所述白刚玉的目数优选为16～24目；所述棕刚玉的目数优选为16～24目；所述钢砂优选为粒径在G17～G39的钢砂；所述喷砂粗化的压缩空气压力优选为0.3～0.8MPa。粗化处理结束后，得到粗化的气缸套基体，之后再利用纯净的空气对其内表面进行净化及除尘处理。在本发明中，所述粗化的气缸套基体的表面粗化后粗糙度(Rz)优选为50～150μm，更优选为100～140μm，最优选为114.3～130.8μm。

将涂层原料涂覆在气缸套基体内表面之后，涂料原料在气缸套基体的内表面形成涂层，得到具有内涂层的气缸套。其中，气缸套内表面的涂层的表面粗糙度Rz为50～200μm；涂层和气缸套内表面的平均结合强度优选为30MPa以上，更优选为35～60MPa，更优选为47～53MPa；所述涂层的平均孔隙率优选≤8％，更优选为1～2％；所述涂层的厚度优选为0.1～0.7mm，更优选为0.2～0.3mm。

在本发明中，优选在形成涂层后对气缸套基体的内表面进行珩磨，其中，所述珩磨的珩磨条优选为立方氮化硼(CBN)、金刚石或碳化硅。珩磨结束后，得到具有网纹的气缸套。在本发明中，所述具有网纹的气缸套的网纹参数为：Ra＜0.3μm，Rz为3～6μm，Rk≤0.6μm，Rpk≤0.2μm，Rvk≤1.5μm，Mr1为5～10％，Mr2为70～85％，其中，Ra为取样长度内轮廓偏距绝对值的算术平均值，Rz为评定长度中五个最高轮廓峰和五个最深轮廓谷绝对值的平均值之和，Rk为粗糙度中心轮廓的高度，Rpk为超过中心峰谷高度的轮廓波峰平均高度，Mr1为波峰轮廓支承长度率，Mr2为波谷轮廓支承长度率。

采用本发明提供的方法能够制备得到具有内涂层的气缸套，该气缸套在其内表面设计了涂层结构，一方面，涂层的设置可增加气缸套内表面耐磨性，有效提高气缸套的使用寿命；另一方面，缸套涂层的孔隙可储存燃料油，从而有效较低油耗。实验结果表明：使用本发明提供的方法制备的气缸套的柴油机或汽油机，缸套磨损量减少约30％，燃油消耗量可以降低2～4％，活塞组件的机械损失可降低20％以上。

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

采用中频电炉对生铁、废钢、回炉料等进行熔炼，加入部分合金材料，形成表1所示的成分：

表1实施例1合成成分表

使用离心浇注机进行铸造，形成气缸套基体的毛坯，对毛坯进行粗加工后使用去应力退火工序进行退火，退火后进行半精加工，加工过程中在缸套内表面加工若干个平行排列的燕尾槽纹路，深度为0.12mm，粗糙度RZ为120.3μm后进行等离子喷涂加工，喷涂前需要使用钢砂对气缸套的内表面进行粗化处理，粗化处理后缸套基体内表面的粗糙度Rz为130.8μm；

粗化处理后将C 0.37wt％、Mn 0.84wt％、Cr 18.2wt％、Mo 11.9wt％、Ni4.3wt％、Al₂O₃ 22wt％和剩余的为Fe的涂层材料通过离子喷涂的方式喷涂在缸套的内孔表面，喷涂条件设置为：氩气的送料速度为83g/min，喷涂的气压为0.45MPa，喷涂的功率为36kW，喷涂的距离为125mm；喷涂枪的速度为57mm/s，喷涂枪的往复次数为16次，每往复两次后间隔3min再进行下次喷涂；

离子喷涂结束后，在气缸套内表面形成涂层，涂层厚度在0.28mm，孔隙率为1.3％，涂层粗糙度Rz 98.3μm，涂层与气缸套的结合强度在52.8MPa；

涂层形成过后进行机械加工，最后进行内孔表面珩磨加工，加工后网纹参数为Ra0.24、Rz 4.58、Rpk 0.12、Rk 0.35、Rvk 1.38、Mr1 6.4、MR2 79％；

形成以上网纹参数后进行相关试验检测，试验后发现内涂层产品相比没有涂层的产品磨损量减少29.8％，燃油消耗量可以降低3.4％，活塞组件的机械损失可降低28.6％。

实施例2

采用中频电炉对生铁、废钢、回炉料等进行熔炼，加入部分合金材料，形成表2所示的成分：

表2实施例2合成成分表

使用离心浇注机进行铸造，形成气缸套基体的毛坯，对毛坯进行粗加工后使用去应力退火工序进行退火，退火后进行半精加工，加工过程中在缸套内表面加工若干个平行排列的燕尾槽纹路，深度为0.09mm，粗糙度RZ为106.7μm后进行等离子喷涂加工，喷涂前需要使用钢砂对气缸套的内表面进行粗化处理，粗化处理后缸套基体内表面的粗糙度Rz为114.3μm；

粗化处理后将C 0.37wt％、Mn 0.84wt％、Cr 18.2wt％、Mo 11.9wt％、Ni4.3wt％、ZrO₂ 22wt％％和剩余的为Fe的涂层材料通过离子喷涂的方式喷涂在缸套的内孔表面，喷涂条件设置为：氩气的送料速度为78g/min，喷涂的气压为0.48MPa，喷涂的功率为32kW，喷涂的距离为130mm；喷涂枪速度为60mm/s，喷涂枪的往复次数为12次，每往复两次后间隔3min再进行下次喷涂；

离子喷涂结束后，在气缸套内表面形成涂层，涂层厚度在0.23mm，孔隙率为1.8％，涂层粗糙度Rz 108.4μm，涂层与气缸套的结合强度在47.6MPa；

涂层形成过后进行机械加工，最后进行内孔表面珩磨加工，加工后网纹参数为Ra0.27、Rz 5.21、Rpk 0.14、Rk 0.32、Rvk 1.73、Mr1 6.9、MR2 82％；

形成以上网纹参数后进行相关试验检测，试验后发现内涂层产品相比没有涂层的产品磨损量减少27.3％，燃油消耗量可以降低2.8％，活塞组件的机械损失可降低24.9％。

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

1.一种具有内涂层的气缸套，包括气缸套基体和复合在气缸套基体内表面的涂层；所述涂层的表面粗糙度Rz为50～200μm。

2.根据权利要求1所述的气缸套，其特征在于，所述涂层的平均孔隙率≤8％。

3.根据权利要求1所述的气缸套，其特征在于，所述涂层的厚度为0.1～0.7mm。

4.根据权利要求1所述的气缸套，其特征在于，所述涂层与缸套基体内表面之间的结合强度为30MPa以上。

5.根据权利要求1所述的气缸套，其特征在于，所述涂层的材料为铁基合金或复合陶瓷材料。

6.根据权利要求1所述的气缸套，其特征在于，所述气缸套基体内表面的粗糙度Rz为30～150μm。

7.一种具有内涂层的气缸套的制备方法，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述涂覆的方式为等离子喷涂。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在将涂层原料涂覆在气缸套基体内表面之前，先对所述气缸套基体的内表面进行粗化处理。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述粗化处理的方式为使用钢砂、铁砂、白刚玉和棕刚玉中的一种或多种对气缸套基体的内表面进行喷砂粗化。

11.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，还包括：在形成涂层后，对气缸套基体的内表面进行珩磨。