淺述摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)金屬復(fù)合橡膠氣缸蓋墊片

郭珩 張瑞

（天津內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072）

淺述摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)金屬復(fù)合橡膠氣缸蓋墊片

郭珩 張瑞

（天津內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072）

金屬復(fù)合橡膠板是指以幾種不同材質(zhì)鋼板為基材，表面經(jīng)化學(xué)處理后與橡膠復(fù)合而成的環(huán)保密封材料，是當(dāng)今摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋墊的主打產(chǎn)品，為我國(guó)摩托車提供了可靠的密封產(chǎn)品。

金屬復(fù)合橡膠板氟橡膠化學(xué)插層材料

引言

過去，摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋墊片密封材料采用的是石棉復(fù)合板、石棉纖維橡膠金屬復(fù)合板、石墨金屬復(fù)合板等。缺點(diǎn)是存在“漏油”問題，而且石棉纖維對(duì)人體有危害，在美日歐等發(fā)達(dá)國(guó)家已禁止使用石棉制品[1～3]。盡快研制出一種滿足發(fā)動(dòng)機(jī)密封要求、低成本的新型高物理性能、環(huán)保性的密封材料來替代傳統(tǒng)石棉鋼架復(fù)合板迫在眉睫。

1 金屬復(fù)合橡膠板的材料結(jié)構(gòu)及組成

金屬復(fù)合橡膠板是指以幾種不同材質(zhì)鋼板為基材[1]，表面經(jīng)化學(xué)處理后與橡膠復(fù)合而成的環(huán)保密封材料（見圖1），主要由金屬基材和橡膠涂層組成。

1.1 金屬基材

金屬基材的作用是提供材料的強(qiáng)度和抗變形能力[2]，厚度一般為0.2～0.25mm，可根據(jù)使用環(huán)境的不同分別選用不銹鋼、碳鋼、鋁及合金、其他金屬及合金等作為摩托車缸蓋墊的基材。

圖1 金屬復(fù)合橡膠板（MCR）

為確保橡膠與金屬良好結(jié)合，首先必須對(duì)金屬進(jìn)行表面處理，以使金屬表面純凈、不沾染雜質(zhì)污物，確保具有較高表面能，與表面能較低的橡膠材料潤(rùn)濕性良好，從而獲得高粘接力。表面處理常用脫脂法、化學(xué)處理法等。其中脫脂法主要用于金屬表面油脂的清除，化學(xué)處理法主要采用酸堿溶液處理，處理質(zhì)量均勻，經(jīng)濟(jì)有效，適應(yīng)面廣。

1.2 橡膠涂層

橡膠涂層目前主要以丁腈橡膠（NBR）和氟橡膠（FKM）為主，橡膠涂層的品質(zhì)和厚度主要取決于復(fù)合材料的應(yīng)用目的和使用場(chǎng)合。MCR復(fù)合材料的基本性能如壓縮回彈性能、密封性能、耐介質(zhì)性能、抗振吸音性能、抗蠕變松弛性能等主要取決于橡膠涂層的品質(zhì)、厚度及與金屬基材的粘結(jié)。橡膠品種的選取主要由材料的使用溫度和耐介質(zhì)能力決定，通常150℃以下以丁腈橡膠和氫化丁腈為主；150℃以上則主要考慮氟橡膠和纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料。

為適應(yīng)缸蓋墊的高溫，MCR主要選用氟橡膠。為提高氟橡膠的綜合性能，還需要在氟橡膠中加入液晶化學(xué)插層雜化材料，幾乎所有的聚合物都需要高分子助劑，通過添加助劑來獲得性能優(yōu)越，價(jià)格低廉的制品。含離子的液晶化學(xué)插層雜化材料，無論是主鏈還是側(cè)鏈，大分子中均具有大量的剛性介晶單元和一定量的柔性間隔基，這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了拉伸強(qiáng)度達(dá)200MPa，彈性模量達(dá)20GPa以上等優(yōu)異的性能，隨著含離子的液晶聚合物含量的增加，材料韌性大大提高，還能顯著改變界面性能，起到界面增容劑的作用。

納米復(fù)合材料指的是基質(zhì)中分散相的尺寸至少有一維小于100nm數(shù)量級(jí)的復(fù)合材料。由于納米尺度效應(yīng)、大比表面積及強(qiáng)界面相互作用，納米復(fù)合材料的物理力學(xué)性能優(yōu)于相同組分的常規(guī)復(fù)合材料，將含離子的液晶聚合物與層狀硅酸鹽的復(fù)合插層材料用于橡膠助劑，對(duì)氟橡膠改性是MCR的大膽創(chuàng)新之處。

應(yīng)用液晶納米插層雜化材料技術(shù)處理的氟橡膠，通過加工和復(fù)合工藝優(yōu)化，極大降低了氟橡膠在高溫下的永久壓縮變形率（250℃×72h）由原20%減小到11%；提高了橡膠強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度（250℃×72h）明顯增強(qiáng)，由原12MPa增加到15MPa；熱穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)；橡膠與金屬更牢固地結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)高效、耐久、環(huán)保的密封效果。

2 制備工藝

金屬復(fù)合橡膠板制備工藝流程框圖如圖2所示，主要包括金屬基材的預(yù)處理、氟橡膠的改性和煉制、改性后的氟橡膠與金屬基材的復(fù)合及硫化和成型。

圖2 金屬復(fù)合橡膠板制備工藝

金屬基材的預(yù)處理主要包括金屬基材的表面除銹、清洗、活化，粘結(jié)劑或表面處理劑的選用及涂敷。預(yù)處理的目的主要是為了確保金屬與橡膠涂層間有良好的粘結(jié)強(qiáng)度，防止復(fù)合材料加工、使用過程中出現(xiàn)分層、脫落現(xiàn)象。

橡膠的煉制主要包括納米插層雜化材料的配制、橡膠的改性、混煉和配制，這是研制金屬復(fù)合橡膠板性能的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

氟橡膠與金屬基材的復(fù)合是整個(gè)金屬復(fù)合橡膠板制備工藝的核心，直接決定復(fù)合材料制備工藝的成敗。

3 金屬復(fù)合橡膠板（MCR）使用現(xiàn)狀及展望

金屬復(fù)合橡膠板（MCR）于2006年起開始在江門大長(zhǎng)江摩托車公司試用，2007年開始在各大摩托車整車廠切換傳統(tǒng)石棉鋼架復(fù)合板和國(guó)外高價(jià)的金屬復(fù)合橡膠板，廣東板塊超過80%摩托車企業(yè)和重慶板塊隆鑫、宗申、力帆、建設(shè)YAMAMHA等都在使用MCR材料，近年來已在全國(guó)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠全面使用。并取得了非常理想的密封效果。

但是，金屬復(fù)合橡膠板（MCR）只是基本達(dá)到國(guó)外進(jìn)口密封材料的性能要求，在高溫下的壓縮變形率、拉伸強(qiáng)度、粘合強(qiáng)度及耐溫性方面差距明顯，隨著世界摩托車技術(shù)向著低排放、大功率、高增壓發(fā)展，密封墊片的耐高溫性能及密封要求也會(huì)越來越高。目前，金屬/氟橡膠—納米雜化材料復(fù)合密封板二代（MCR2）已在長(zhǎng)春藍(lán)天密封技術(shù)有限公司研制成功，MCR2是一種既能滿足高檔發(fā)動(dòng)機(jī)密封要求，又能降低成本的新型耐高溫、密封性強(qiáng)、環(huán)保的密封材料升級(jí)產(chǎn)品，通過不斷改進(jìn)和完善現(xiàn)有產(chǎn)品的質(zhì)量和加工工藝，以產(chǎn)品性能的一致性、均勻性、可重現(xiàn)性和可預(yù)報(bào)性，最大程度地滿足摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋密封墊的需求。

金屬橡膠復(fù)合板已在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用多年，國(guó)內(nèi)外均能生產(chǎn)，單從墊片種類看不出材料的新穎之處。只有生產(chǎn)廠用好的金屬材料，好的液晶化學(xué)插層雜化材料，好的工藝制作出的金屬橡膠復(fù)合墊片，才能滿足摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的密封技術(shù)要求。

1胡國(guó)楨，石流.化工密封技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995

2徐灝.密封[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1999

3張瑞，王寶林，隋華.淺談靜密封材料對(duì)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)靜密封的影響[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2003，32（5）：41～42，48

Superficial Introduction to the Cylinder Head Metal Composite Rubber Gasket of the Motorcycle Engine

Guo Hang，Zhang Rui
Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute（Tianjin，300072，China）

Metal composite rubber plate is a kind of environmentally sealed material.Its substrate is steel plate of several different materials，whose surface is chemical treated，and composites with rubber.Metal composite rubber plate is one of the motorcycle engine cylinder head gasket′s flagship products，provides the reliable sealing for the development of motorcycle technology in China.

Metal composite rubber plate，F(xiàn)luorine rubber，Chemical intercalation materials

TK413.2

A

2095-8234（2014）04-0086-02

2014-04-03）

郭珩（1981-），女，大學(xué)本科，助理工程師，主要研究方向?yàn)槟ν熊嚈z測(cè)技術(shù)。