浅述摩托车发动机金属复合橡胶气缸盖垫片

郭珩 张瑞

（天津内燃机研究所天津300072）

浅述摩托车发动机金属复合橡胶气缸盖垫片

郭珩 张瑞

（天津内燃机研究所天津300072）

金属复合橡胶板是指以几种不同材质钢板为基材，表面经化学处理后与橡胶复合而成的环保密封材料，是当今摩托车发动机缸盖垫的主打产品，为我国摩托车提供了可靠的密封产品。

金属复合橡胶板氟橡胶化学插层材料

引言

过去，摩托车发动机气缸盖垫片密封材料采用的是石棉复合板、石棉纤维橡胶金属复合板、石墨金属复合板等。缺点是存在“漏油”问题，而且石棉纤维对人体有危害，在美日欧等发达国家已禁止使用石棉制品[1～3]。尽快研制出一种满足发动机密封要求、低成本的新型高物理性能、环保性的密封材料来替代传统石棉钢架复合板迫在眉睫。

1 金属复合橡胶板的材料结构及组成

金属复合橡胶板是指以几种不同材质钢板为基材[1]，表面经化学处理后与橡胶复合而成的环保密封材料（见图1），主要由金属基材和橡胶涂层组成。

1.1 金属基材

金属基材的作用是提供材料的强度和抗变形能力[2]，厚度一般为0.2～0.25mm，可根据使用环境的不同分别选用不锈钢、碳钢、铝及合金、其他金属及合金等作为摩托车缸盖垫的基材。

图1 金属复合橡胶板（MCR）

为确保橡胶与金属良好结合，首先必须对金属进行表面处理，以使金属表面纯净、不沾染杂质污物，确保具有较高表面能，与表面能较低的橡胶材料润湿性良好，从而获得高粘接力。表面处理常用脱脂法、化学处理法等。其中脱脂法主要用于金属表面油脂的清除，化学处理法主要采用酸碱溶液处理，处理质量均匀，经济有效，适应面广。

1.2 橡胶涂层

橡胶涂层目前主要以丁腈橡胶（NBR）和氟橡胶（FKM）为主，橡胶涂层的品质和厚度主要取决于复合材料的应用目的和使用场合。MCR复合材料的基本性能如压缩回弹性能、密封性能、耐介质性能、抗振吸音性能、抗蠕变松弛性能等主要取决于橡胶涂层的品质、厚度及与金属基材的粘结。橡胶品种的选取主要由材料的使用温度和耐介质能力决定，通常150℃以下以丁腈橡胶和氢化丁腈为主；150℃以上则主要考虑氟橡胶和纤维增强橡胶复合材料。

为适应缸盖垫的高温，MCR主要选用氟橡胶。为提高氟橡胶的综合性能，还需要在氟橡胶中加入液晶化学插层杂化材料，几乎所有的聚合物都需要高分子助剂，通过添加助剂来获得性能优越，价格低廉的制品。含离子的液晶化学插层杂化材料，无论是主链还是侧链，大分子中均具有大量的刚性介晶单元和一定量的柔性间隔基，这些结构特点决定了拉伸强度达200MPa，弹性模量达20GPa以上等优异的性能，随着含离子的液晶聚合物含量的增加，材料韧性大大提高，还能显著改变界面性能，起到界面增容剂的作用。

纳米复合材料指的是基质中分散相的尺寸至少有一维小于100nm数量级的复合材料。由于纳米尺度效应、大比表面积及强界面相互作用，纳米复合材料的物理力学性能优于相同组分的常规复合材料，将含离子的液晶聚合物与层状硅酸盐的复合插层材料用于橡胶助剂，对氟橡胶改性是MCR的大胆创新之处。

应用液晶纳米插层杂化材料技术处理的氟橡胶，通过加工和复合工艺优化，极大降低了氟橡胶在高温下的永久压缩变形率（250℃×72h）由原20%减小到11%；提高了橡胶强度，拉伸强度（250℃×72h）明显增强，由原12MPa增加到15MPa；热稳定性明显增强；橡胶与金属更牢固地结合，以实现高效、耐久、环保的密封效果。

2 制备工艺

金属复合橡胶板制备工艺流程框图如图2所示，主要包括金属基材的预处理、氟橡胶的改性和炼制、改性后的氟橡胶与金属基材的复合及硫化和成型。

图2 金属复合橡胶板制备工艺

金属基材的预处理主要包括金属基材的表面除锈、清洗、活化，粘结剂或表面处理剂的选用及涂敷。预处理的目的主要是为了确保金属与橡胶涂层间有良好的粘结强度，防止复合材料加工、使用过程中出现分层、脱落现象。

橡胶的炼制主要包括纳米插层杂化材料的配制、橡胶的改性、混炼和配制，这是研制金属复合橡胶板性能的关键和难点。

氟橡胶与金属基材的复合是整个金属复合橡胶板制备工艺的核心，直接决定复合材料制备工艺的成败。

3 金属复合橡胶板（MCR）使用现状及展望

金属复合橡胶板（MCR）于2006年起开始在江门大长江摩托车公司试用，2007年开始在各大摩托车整车厂切换传统石棉钢架复合板和国外高价的金属复合橡胶板，广东板块超过80%摩托车企业和重庆板块隆鑫、宗申、力帆、建设YAMAMHA等都在使用MCR材料，近年来已在全国摩托车发动机生产厂全面使用。并取得了非常理想的密封效果。

但是，金属复合橡胶板（MCR）只是基本达到国外进口密封材料的性能要求，在高温下的压缩变形率、拉伸强度、粘合强度及耐温性方面差距明显，随着世界摩托车技术向着低排放、大功率、高增压发展，密封垫片的耐高温性能及密封要求也会越来越高。目前，金属/氟橡胶—纳米杂化材料复合密封板二代（MCR2）已在长春蓝天密封技术有限公司研制成功，MCR2是一种既能满足高档发动机密封要求，又能降低成本的新型耐高温、密封性强、环保的密封材料升级产品，通过不断改进和完善现有产品的质量和加工工艺，以产品性能的一致性、均匀性、可重现性和可预报性，最大程度地满足摩托车发动机缸盖密封垫的需求。

金属橡胶复合板已在国内外应用多年，国内外均能生产，单从垫片种类看不出材料的新颖之处。只有生产厂用好的金属材料，好的液晶化学插层杂化材料，好的工艺制作出的金属橡胶复合垫片，才能满足摩托车发动机缸盖的密封技术要求。

1胡国桢，石流.化工密封技术[M].北京：化学工业出版社，1995

2徐灏.密封[M].北京：冶金工业出版社，1999

3张瑞，王宝林，隋华.浅谈静密封材料对摩托车发动机静密封的影响[J].小型内燃机与摩托车，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，Fluorine rubber，Chemical intercalation materials

TK413.2

A

2095-8234（2014）04-0086-02

2014-04-03）

郭珩（1981-），女，大学本科，助理工程师，主要研究方向为摩托车检测技术。