缸套及其制备方法与流程

1.本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种缸套及其制备方法。


背景技术：

2.随着科技和经济的发展，汽车已经成为了日常的代步工具，发动机作为汽车的动力部件，发挥着非常重要的作用。现有发动机一般包括位于内部的缸套和缸套外的水套，水套用来给缸套降温，以便发动机能够正常的工作。
3.在相关技术中，缸套通常由添加有石墨的铸铁制造而成，以便缸套具有较高的耐磨性能。
4.然而，现有技术中的这种缸套的导热系数很大，缸套内的热量会过多的散失到水套和缸套之间的冷却水中，从而影响发动机的性能。


技术实现要素：

5.本发明提供一种缸套及其制备方法，以解决铸铁缸套导热系数大，致使缸套在水冷过程中过度散热的问题。
6.根据本发明的一些实施例，提供一种缸套，其包括由钢质材料制成的缸套本体，在所述缸套本体内表面形成的隔热层，以及在隔热层内表面形成的耐磨层；所述隔热层为氧化铝微孔中未进行填充的多孔氧化铝层；所述耐磨层为在氧化铝微孔中填充有石墨的石墨填充层。
7.本发明提供的缸套，一方面，钢制缸套本体的导热系数约为35w/mk，低于铸铁材料的50w/mk；另一方面，隔热层为疏松分多孔的氧化铝层，本身就具有良好的隔热作用，再加上氧化铝自身导热系数低，使得隔热层的导热系数可降低至0.3w/mk，从而可以减少缸套内热量的损失，提高燃油经济性。耐磨层为石墨填充层，石墨能够在表层发挥类似铸铁材料的石墨的作用，起到固体润滑的作用，增强耐磨能力。
8.在一种实现方式中，所述隔热层的厚度为30
‑
100微米。30
‑
100微米厚度的隔热层能够保证有足够的隔热效果。
9.在一种实现方式中，所述隔热层中微孔的体积占所述隔热层整体体积的百分比为1
‑
7％。微孔占比过小隔热效果不足，占比过大影响缸套力学性能，1
‑
7％的比例能保证足够的力学性能与隔热效果。
10.在一种实现方式中，所述耐磨层的厚度为50
‑
100微米。耐磨层厚度可根据缸套具体使用强度和使用寿命而定，50
‑
100微米的厚度能够满足大部分缸套的耐磨需求。
11.根据本发明一些实施例，还提供一种缸套的制备方法，其包括：
12.在由钢材制成的缸套本体的内表面形成铝层；
13.使用第一脉冲电流和第一电解液对缸套进行电解，以使缸套本体内表面的铝层形成多孔氧化铝层，其中，第一电解液为等离子溶液；
14.使用第二脉冲电流和第二电解液对缸套进行电解，以在多孔氧化铝层的内表面形
成石墨填充层，其中，第二电解液为含石墨的等离子溶液。
15.等离子电解氧化区别于阳极氧化工艺，制备的孔洞层叠状分布、分布散乱且不贯通，这种孔洞可以什么都不填充、保留孔洞内的气体，以达到隔热的目的；也可以用来填充石墨，从而达到耐磨的目的。
16.在一种实现方式中，使用第一脉冲电流和第一电解液对缸套本体进行电解，具体包括：将所述第一脉冲电流的电流密度设定在第一预设值并保持第一预设时间；周期性地逐渐增加第一脉冲电流的电流密度，直至起弧；将第一脉冲电流的电流密度降至第二预设值并保持第二预设时间。本方案能保证隔热层制备的孔洞分布散乱，且分布密度合适。
17.在一种实现方式中，使用第二脉冲电流和第二电解液对缸套本体进行电解，具体包括：将所述第二脉冲电流的电流密度设定在第三预设值，并保持第三预设时间。本方案能保证石墨填充效果良好。
18.在一种实现方式中，所述第一脉冲电流的频率为800
‑
1600hz，所述第二脉冲电流的频率为1000
‑
1500hz。使用上述电流频率能保证形成微孔的大小合适。
19.在一种实现方式中，在由钢材制成的缸套本体的内表面形成铝层，具体包括：在所述缸套本体的内表面滴加铝液并使所述缸套本体绕其轴线旋转。这样能够使铝液在缸套内壁均布，形成均匀的铝层。
20.在一种实现方式中，在滴加铝液前还包括：对所述缸套本体的内表面进行粗糙化处理。缸套本体表面经粗糙化处理且在高温下铸入铝液，微观上铝液可浸入钢中，使隔热层在钢制套缸本体上附着牢固。
21.本发明提供的缸套及其制备方法附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
22.通过参照附图的以下详细描述，本发明实施例的上述和其他目的、特征和优点将变得更容易理解。在附图中，将以示例以及非限制性的方式对本发明的多个实施例进行说明，其中：
23.图1为本发明提供的一种缸套的结构示意图；
24.图2a
‑
图2e为本发明提供的一种缸套的制作流程示意图，其仅示意了缸套的局部剖视结构；
25.图3为图2b制造工序的场景示意图；
26.图4为图2d和图2e制造工序的场景示意图。
27.附图标记：
[0028]1‑
缸套；11
‑
缸套本体；12
‑
隔热层；13
‑
耐磨层；14
‑
铝层；15
‑
多孔氧化铝层；
[0029]2‑
等离子电解氧化装置；21
‑
阴极；22
‑
阳极；23
‑
绝缘密封结构；24
‑
电解液入口；25
‑
电解液出口；26
‑
电解液池；27
‑
开关；28
‑
电解液循环输送泵；
[0030]3‑
铝层铸造装置；31
‑
熔融铝液传送通道；32
‑
驱动轴承。
具体实施方式
[0031]
下面详细描述本发明的实施例，本发明实施例的示例在附图中示出，其中自始至
终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0032]
应当理解的是，下面的实施例并不限制本发明所保护的方法中各步骤的执行顺序。本发明的方法的各个步骤在不相互矛盾的情况下能够以任意可能的顺序并且能够以循环的方式来执行。
[0033]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0034]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
[0035]
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0036]
随着发动机载荷的增大，缸套的力学性能要求越来越高。现有技术中，从批量生产及耐磨性角度出发，多用铸铁生产制造缸套。为了满足越来越高的力学性能需求，铸铁缸套需要加入大量合金，同时进行孕育球化处理，铸造缩松缺陷明显，且铸造难度大，工艺出品率降低严重。并且，为了满足基本的耐磨需求，铸铁中通常添加有石墨，石墨作为固体润滑剂可以增强缸套的耐磨性，但同时石墨也是热的良好导体，加有石墨的铸铁导热系数高达50w/mk，导致水冷时缸套内的热量过量流失。
[0037]
针对上述问题，发明人尝试在基本保持缸套强度以及耐磨性能的基础上降低缸套的热传导系数和制造难度。为此，在现有的材料中进行了非常广泛的筛选，却遗憾的发现单一材料制成的缸套均无法满足上述要求，因此，发明人开始尝试复合材料制成的缸套以及多层结构的缸套，均不能达到理想的效果。随后，发明人开始尝试使用钢材制作缸套本体并在缸套本体的内表面依次形成氧化铝层和石墨层，这种复合结构不仅可以降低缸套的制造难度，而且还具有良好的力学性能，但却依然具有较高的热传导系数。最后，发明人发现通过脉冲电流对铝层进行电解时，可以使铝层形成疏松的多孔氧化铝隔热层，尤其是当脉冲电流的频率控制在一个合适的范围内时，可以使铝层被氧化还原成具有合适大小层叠状微孔的氧化铝层，从而大幅降低缸套的热传导系数。并且石墨填充在微孔中形成石墨填充层也能更好地附着在多孔氧化铝层上。由此，得到了一种具有良好力学性能和耐磨性能并、制造难度低且热传导系数小的缸套，而且还在缸套散热和减少缸套内气体热损失之间取得了平衡，有利于提高发动机性能和燃油经济性之间的平衡。
[0038]
下面结合具体实施例对本发明提供的缸套及其制备方法进行详细说明。
[0039]
图1为本实施例提供的缸套的结构示意图。
[0040]
如图1所示，本发明提供的缸套1，包括由钢质材料制成的缸套本体11，在缸套本体11内表面形成的隔热层12，以及在隔热层12内表面形成的耐磨层13。其中，隔热层12为氧化铝微孔中未进行填充的多孔氧化铝层15；耐磨层13为在氧化铝微孔中填充有石墨的石墨填充层。
[0041]
缸套本体11可以选用非调质钢38mnvs6制造而成，也可以选择其他经调质处理抗拉强度在600mpa以上的碳素钢(如45、50等)或低合金钢(如40cr、42crmo)作为制造材料。上述钢材不需要加入大量合金，炼制工艺成熟，铸造难度低，力学性能良好，并且导热系数约为35w/mk，显著低于铸铁材料的50w/mk，其制成的缸套本体11有良好的隔热效果。
[0042]
隔热层12为通过脉冲电流电解的方式形成的多孔氧化铝层15，其内部微孔例如可以是层叠状且分散疏松排列的，结合氧化铝自身导热系数低的特点，隔热层12导热系数可降低低至0.3w/mk。
[0043]
在一些示例中，隔热层12的厚度为30
‑
100微米。采用上述厚度的隔热层12，不仅可以减少电解反应的时间，而且能够降低缸套1的厚度，从而降低缸套1的重量，并且还可以具有足够的隔热效果，以便防止缸套1内的气体过度散热。
[0044]
需要说明的是，隔热层12中微孔的体积占隔热层12整体体积的百分比可以为1～7％。在具体实现时，可以通过调整脉冲电流的频率来调整隔热层12中微孔的体积占比。
[0045]
耐磨层13同样可以通过脉冲电流电解的方式制得，以便使多孔氧化铝层15内表面的微孔中填入石墨颗粒，以提高整体耐磨性能。
[0046]
在一些示例中，耐磨层13的厚度为50
‑
100微米。采用上述厚度的耐磨层13，不仅可以减少电解反应的时间，而且能够降低缸套1的厚度，从而降低缸套1的重量，并且还可以具有足够的耐磨性能。
[0047]
图2a
‑
图2e为本实施例提供的缸套本体的制备流程示意图。
[0048]
如图2a所示，其示意了一种钢质缸套本体11的局部剖视结构，其中上方为缸套本体11的内表面，下方为缸套本体11的下表面。如图2a所示，在制造时，使用非调质钢38mnvs6或者其他合适的钢材制作缸套本体11。例如，可以使用不锈钢通过离心铸造、模塑或者冲压等方式制成缸套本体11。图2a还示意出了缸套本体11的表面具有凹凸结构，这些凹凸结构可以采用对缸套本体的内表面进行粗糙化处理的方式形成，以便有利于铝液的附着。在进行粗糙化处理时，可以采用诸如喷砂或者抛丸等方式进行。
[0049]
如图2b所示，在由钢材制成的缸套本体11的内表面形成一层铝层14，该铝层14可以具有均匀的厚度。图3为图2b制备流程的场景示意图。如图3所示，使用铝层铸造装置3在缸套本体11的内表面形成铝层。具体而言，可以通过铝层铸造装置3在缸套本体11的内表面滴加铝液并使缸套本体11绕其轴线旋转。
[0050]
更为具体地，将钢质缸套本体11预热到250
‑
350℃，以钢质缸套本体11作为模具在驱动轴承32驱动下以200
‑
2000r/min速度周向旋转。铝液保温650
‑
750℃，熔融状态的铝液经熔融铝液传送通道31浇铸至旋转的钢制缸套本体11内，在离心力作用下铝液在缸套本体11的内壁均匀分布。
[0051]
待铝液冷却后，通过机加工的方式去除铝层表面氧化铝，并保证在缸套本体11内壁上形成的铝层14具有均匀的厚度，同时使其表面变得粗糙以便于对铝层14进行电解。在一些示例中，机加工后，铝层14的厚度为0.2
‑
1mm，且表面粗糙度为ra3
‑
5。铝层14的具体厚
度可根据具体计划制备的耐磨层13和隔热层12的厚度而调整。
[0052]
需要说明的是，如图2c所示，当缸套本体11表面经过粗糙化处理而变得粗糙不平时，熔融状态的铝液可以渗入缸套本体11的粗糙表面，钢铝融合在一起结合十分牢固，从而可以避免铝层14从缸套本体11的内表面脱落。
[0053]
图2d示意出了将缸套本体11内表面的铝层14电解成多孔氧化铝层15后的局部剖视图。通过将铝层14电解后形成多孔氧化铝层15，可以在缸套本体11的内表面形成一层隔热层12，从而减少缸套本体11内的热量损失。
[0054]
图4示意出了电解步骤的场景。请参见图4，组装好等离子电解氧化装置2。首先，将内表面附有铝层14的缸套本体11作为阳极22，再在缸套本体11中心处设置一个阴极21辅助电极。需要指出的是，阴极21一般需要距离缸套1内壁的距离保持在5mm
‑
20mm，以保证隔热层12和耐磨层13的均匀生长。阴极21和阳极22均安装在绝缘底座上，该绝缘底座上设置有小孔，且小孔位于阴极21和阳极22之间的位置，阳极22与装置底部连接处设置有绝缘密封结构23。电解液入口24为阴极21和阳极22之间环隙的顶端开口，电解液出口25为绝缘底座上开设的小孔。然后，将其与电解液池26、开关27和电解液循环输送泵28相连，电解液在电解液循环输送泵28的作用下，在辅助电极阴极21、缸套1内壁组成的空间中进行循环。最后，将阳极22和阴极21分别接上电源正极和负极，即可进行铝层的等离子电解。在等离子电解氧化过程中，金属铝在脉冲电流和电解液的作用下产生有孔洞的疏松氧化层。
[0055]
区别于采用直流电的阳极氧化工艺，采用脉冲电流的等离子电解氧化工艺制备的多孔层孔分布散乱且不贯通，体积比热容可低至500
‑
800kj/mk，导热系数可低至0.3w/mk，隔热效果更好，性能显著优于阳极氧化。
[0056]
在一种实现方式中，使用硅酸钠九水(10
‑
25g/l)、氢氧化钠(0.5
‑
3g/l)、乙二胺四乙酸二钠(0.5
‑
3g/l)、三聚磷酸钠(1
‑
5g/l)、钨酸钠(0.5
‑
3g/l)和去离子水配成的等离子溶液作为第一电解液，并使用脉冲频率范围为800
‑
1600hz的脉冲电流作为第一脉冲电流对铝层进行等离子电解。
[0057]
在等离子电解时，可以将第一脉冲电流的电流密度设定在第一预设值并保持第一预设时间；然后，周期性地逐渐增加第一脉冲电流的电流密度，直至起弧；最后，再将第一脉冲电流的电流密度降至第二预设值并保持第二预设时间。
[0058]
例如，在一种具体的实现方式中，首先，启动电解液循环输送泵28，打开开关27，开启第一电解液的循环，接通电源采用恒流脉冲模式输出。将脉冲电流密度在8
‑
12a/dm2保持10min；然后，以2min时间间隔为周期，以每个周期电流密度增加20％为梯度提高脉冲电流密度，直至起弧；然后逐渐脉冲电流密度降低至10
‑
15a/dm2，并将第一电解液的温度控制在20
‑
25℃；当电压平稳后保持35
‑
55min。本示例中，负正电流比可以设置为0.9
‑
1.3，正脉冲占空比可以设置为30
‑
65％。电解结束后，关闭开关27和电解液循环输送泵28。如此，可形成厚度为80
‑
200微米多孔氧化铝层15。
[0059]
需要说明的是，本示例中，铝层14预留厚度较薄，故铝层14全部电解形成了多孔氧化铝层15。在另一些示例中，铝层14预留厚度较厚，如1mm，可以不完全电解成多孔氧化铝层15，即图2d中的缸套从外到内可以依次为缸套本体11、铝层12和多孔氧化铝层15。
[0060]
还需要说明的是，第一电解液也可以采用其他合适的等离子溶液，具体的配方可以参见相关的教科书和技术手册等，或者本领域技术人员也可以根据实际经验对等离子溶
液进行配比。
[0061]
图2e示意出了在多孔氧化铝层15表面填充有石墨的局部剖视图。通过在多孔氧化铝层15的内表面填充石墨形成耐磨层13，可以提高缸套的耐磨性能。多孔氧化铝层15余下未填充的部分即为隔热层12。
[0062]
需要指出的是，本领域技术人员可以采用任意合适的现有手段在多孔氧化铝层15的表面形成包括石墨填充层在内的合适耐磨层。例如，可以通过电解的方式在多孔氧化铝层15的内表面填充石墨，以形成耐磨层。
[0063]
在一种实现方式中，使用硅酸钠九水(10
‑
25g/l)、氢氧化钠(0.5
‑
3g/l)、乙二胺四乙酸二钠(0.5
‑
3g/l)、三聚磷酸钠(1
‑
5g/l)、钨酸钠(0.5
‑
3g/l)、三乙醇胺(1
‑
3.5ml/l)、石墨(5
‑
50
‑
g/l)和去离子水配成的等离子溶液作为第二电解液，并使用脉冲频率范围为1000
‑
1500hz的脉冲电流作为第一脉冲电流对铝层进行等离子电解。其中，三乙醇胺为分散剂，用以保证石墨在溶液内分散均匀。
[0064]
同样，第二电解液也可以采用其他合适的等离子溶液，分散剂也可以选用其他合适的分散剂，具体的配方可以参见相关的教科书和技术手册等，或者本领域技术人员也可以根据实际经验对等离子溶液进行配比。
[0065]
等离子电解时，可以将第二脉冲电流的电流密度设定在第三预设值，并保持第三预设时间。
[0066]
例如，在一种具体实现方式中，启动电解液循环输送泵28，打开开关27，开启第二电解液的循环，接通电源采用恒流脉冲模式输出。将电流密度设置为14
‑
18a/dm2，负正电流比为0.9
‑
1.3，负正脉冲占空比为50
‑
65％，并保持10
‑
20min。此阶段形成的石墨填充层，即耐磨层13的厚度为50
‑
100微米；余下的多孔氧化铝层15，即隔热层12的厚度为30
‑
100微米。石墨填充层的厚度以缸套1生命周期内的耐磨需求做评估，厚度可以调整。
[0067]
需要说明的是，多孔氧化铝层15的微孔主要通过第一脉冲电流电解制得，第二脉冲电流电解也会形成一些微孔但占比不大，第二脉冲电流电解的主要作用是在微孔中填充石墨，形成石墨填充层。发明人权衡考量缸套1强度与隔热效果的需求，本实施例中，制得的多孔氧化铝层15的微孔体积占多孔氧化铝层15整体体积的百分比为5％左右。
[0068]
还需要说明的是，采用本方案制得的石墨填充层，即耐磨层13的氧化铝微孔中均装填有石墨。因等离子电解氧化形成的微孔体积占比有限，本实施例中仅为5％，而缸套1又需要足够的石墨作为固体润滑剂，故耐磨层13的微孔中应该尽量装填满石墨，以便耐磨层13能更好地发挥其耐磨的作用。
[0069]
以上结合附图详细的描述了本发明的部分实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行各种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0070]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0071]
此外，本发明的各种不同实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。