專(zhuān)利名稱(chēng)：一種表面處理內(nèi)燃機(jī)活塞及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一內(nèi)燃機(jī)活塞，更具體地涉及到內(nèi)燃機(jī)活塞的表面處理。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機(jī)活塞要求工作溫度高，熱沖擊大，速度高摩擦頻繁，普通活塞(單純的鑄鋁或鋁合金材質(zhì))難以滿(mǎn)足工況惡劣的條件下工作，長(zhǎng)期制約著發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的提高。為此國(guó)內(nèi)外科技人員實(shí)施了各種舉措如“陽(yáng)極化處理”、“等離子氣相沉積陶瓷化處理”、“噴涂聚四氟乙烯處理”等，渴望能夠解決以上難點(diǎn)，但結(jié)果只是單方面的解決難點(diǎn)，并未從總體上解決上述難點(diǎn)。
等離子體微弧氧化是一種直接在鋁合金表面原位生長(zhǎng)陶瓷層的新技術(shù)。它是近十幾年在陽(yáng)極氧化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，但兩者在機(jī)理、工藝、以及的性質(zhì)上都有許多區(qū)別?；钊敳课⒒⊙趸菍⒒钊敳恐糜陔娊赓|(zhì)水溶液中，利用電化學(xué)方法在該材料的表面微孔中產(chǎn)生火花放電的斑點(diǎn)，在熱化學(xué)下、等離子體化學(xué)和電化學(xué)的共同作用下生成陶瓷膜的方法?；钊麡悠贩湃腚娊赓|(zhì)水溶液中，通電后，表面立即生成很薄的一層氧化膜，當(dāng)樣品上施加的電壓超過(guò)某一臨界值時(shí)，這層絕緣膜上的某些薄弱環(huán)節(jié)被擊穿，發(fā)生微弧放電現(xiàn)象，浸在溶液里的樣品表面上可以看到無(wú)數(shù)個(gè)游動(dòng)的弧點(diǎn)和火花。因?yàn)閾舸┛偸窃谘趸は鄬?duì)薄弱的部位發(fā)生，當(dāng)氧化物絕緣膜被擊穿后，在該部位生成新的氧化膜，擊穿點(diǎn)轉(zhuǎn)移到其它相對(duì)薄弱的區(qū)域，最終形成的氧化膜是均勻的。這種氧化膜是由γ-Al2O3、α-Al2O3組成，可以獲得較高的耐磨性、耐腐蝕性、耐熱沖擊性，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命和效率。
微弧氧化裝置主要有電源及調(diào)壓控制系統(tǒng)、電解槽、攪拌系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)四部分組成。電源及調(diào)壓控制系統(tǒng)提供了微弧氧化所需的高壓電，電解槽通常由不銹鋼制成，兼做陰極，內(nèi)盛微弧氧化電解質(zhì)水溶液；攪拌系統(tǒng)可以提高溶液中電解質(zhì)的均勻性；循環(huán)系統(tǒng)可以保證電解液的相對(duì)穩(wěn)定。
目前，俄羅斯在研究規(guī)模和水平上占優(yōu)勢(shì)，我國(guó)在引進(jìn)吸收俄羅斯技術(shù)的基礎(chǔ)上，現(xiàn)在開(kāi)始以耐磨，耐高溫沖擊，耐腐蝕涂層的形式走向使用階段，國(guó)內(nèi)研究并成功應(yīng)用于使用的單位并不多，主要有北京師范大學(xué)低能核物理研究所在這方面的研究工作較為系統(tǒng)，他們對(duì)鋁合金微弧氧化陶瓷層的制備過(guò)程、能量交換、膜的形貌結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用都進(jìn)行了探討。哈爾濱環(huán)亞微弧技術(shù)有限公司已有實(shí)驗(yàn)階段轉(zhuǎn)向小批試生產(chǎn)，并已建成一條半自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)。截止目前該技術(shù)成功應(yīng)用于活塞頂部的案例尚未報(bào)道。
二硫化鉬(MoS2)涂層是一種優(yōu)質(zhì)的潤(rùn)滑劑，具有摩擦系數(shù)小(0.05左右)減磨性好等優(yōu)點(diǎn)，活塞裙部噴涂二硫化鉬它能改善磨合狀況及減小拉缸故障，并可使缸套的耐磨性提高1-2倍，另外二硫化鉬涂層的摩擦系數(shù)隨負(fù)荷的提高而逐步降低，并且成膜性好。因此，活塞頂部微弧氧化陶瓷層，裙部噴涂MoS2的應(yīng)用必將大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能，使用前景廣闊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有活塞技術(shù)存在的缺點(diǎn)，集成利用微弧氧化處理技術(shù)、MoS2噴涂技術(shù)處理活塞，以使活塞的耐高溫沖擊性、耐腐蝕性及耐磨性等綜合性能得到大幅度提高。
本發(fā)明是通過(guò)如下方案實(shí)現(xiàn)的一種表面處理內(nèi)燃機(jī)活塞，其基體由鋁合金鑄造而成，工作面包括頂部、裙部，其特征在于在活塞基體的頂部表面上有一陶瓷層，裙部有一MoS2噴涂層。
為滿(mǎn)足活塞的綜合性能要求，一般控制陶瓷層的厚度在0.08-0.15mm；MoS2噴涂層的厚度0.01-0.03mm。
一種表面處理表面處理內(nèi)燃機(jī)活塞的制造方法，包括活塞頂部陶瓷層及活塞裙部MoS2噴涂層的制造方法，陶瓷層采用微弧氧化工藝，氧化液的PH值9-13，使用去離子水，并設(shè)置有恒電流、恒電壓控制裝置和氧化液熱交換溫控裝置；MoS2噴涂層的制造工藝步驟包括以下步驟活塞表面清洗—預(yù)熱—噴涂—一次烘烤—二次烘烤。
更具體地，陶瓷合金層微弧氧化工藝電壓在600-800V，電流在10-25A/dm2，氧化液溫度在20-60℃。隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng)陶瓷氧化膜層也隨之不斷形成及增加厚度，氧化時(shí)間越長(zhǎng)，陶瓷膜層的致密度越高，但表面的粗糙度也隨之增加，一般情況下，微弧氧化時(shí)間應(yīng)根據(jù)使用技術(shù)要求膜層厚度來(lái)決定，一般都控制在20-50分鐘范圍內(nèi)，即可獲取微弧氧化鋁合金表面生成生成的高硬度、高耐沖擊、高耐腐蝕陶瓷膜層。
優(yōu)化的微弧氧化工藝電壓在600-650V，電流在15-20A/dm2，氧化液溫度在20-60℃，氧化時(shí)間25-35分鐘。
MoS2噴涂層的制造工藝通過(guò)前處理、調(diào)整其配方和添加劑、噴涂溫度、烘烤時(shí)間等來(lái)提高和增強(qiáng)二硫化鉬層的質(zhì)量。加工完畢的鋁合金活塞，擦洗去油、塵等污物，用四氯乙烯或三氯乙烯的蒸氣脫脂清洗后進(jìn)行預(yù)熱到120-140℃左右，將環(huán)槽、銷(xiāo)孔等不需噴徐的部位保護(hù)好后置于噴徐機(jī)上，用噴槍將MoS2噴到活塞裙部上。噴涂厚度為0.01-0.03mm。Mos2噴涂液配方為在每100ML溶劑中含2-5g硼酸、8-12g氟硅酸鉛[Pb[siF6]2和5-10g/Mos2。配方中硼酸與氟硅酸鉛的加入能使MoS2粉末保持均勻懸濁掖狀態(tài)，不僅使噴涂的厚度均一，而且能顯著提高其結(jié)合強(qiáng)度。噴涂時(shí)，活塞溫度保持在100-140℃左右，通過(guò)溫度控制來(lái)決定膜層質(zhì)量，溫度過(guò)高，厚度易超過(guò)，溫度過(guò)低，二硫化鉬粘結(jié)不良，且厚度不均。噴涂后要進(jìn)行烘烤，烘烤溫度及時(shí)間控制決定了二硫化鉬的粘接質(zhì)量。一般烘烤分兩次，一次烘烤溫度130-140℃，持續(xù)時(shí)間25-30分鐘，取出擦去表面過(guò)剩的粉末，然后進(jìn)行二次烘烤，在125-135℃下持續(xù)25-35分鐘，使MOS2粉末完全粘結(jié)。
上述方法制造的活塞耐沖擊、耐腐蝕、耐磨性能大大提高，裝機(jī)后和普通鋁合金活塞相比①扭矩提高4Nm、功率提高2Kw以上；②耐久性提高，大修里程延長(zhǎng)50％-100％；③機(jī)械效率提高2％以上；④尾氣排放CO、HC含量明顯下降。
本發(fā)明的活塞制造方法中，活塞頂部微弧氧化陶瓷層工藝和裙部噴涂二硫化鉬工藝主要優(yōu)點(diǎn)是工藝容易掌握和實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)控制，易于組織工業(yè)化大生產(chǎn)，設(shè)備占地面積小，處理能力強(qiáng)，生產(chǎn)效率高，在不降低材質(zhì)γ-Al2O3、α-Al2O3陶瓷膜值及不改變合金工件原幾何尺寸、表面粗糙度的條件下，可大幅度提高活塞的耐磨、耐腐蝕、抗高溫沖擊性能，滿(mǎn)足各種惡劣工況條件下的需要。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的活塞頂部微弧氧化處理裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的活塞裙部MoS2噴涂裝置示意圖。
圖中，1.活塞頂部，2.陶瓷合金層，3.裙部，4.MOS2噴涂層，5.活塞基體，71.高壓電源，72.控制系統(tǒng)，73.去離子水冷卻泵，74.殃及接線(xiàn)柱，75.電解槽，76.絕緣棒，77.攪拌系統(tǒng)，78.工裝，79.活塞，710.電解液，81.電機(jī)，82、83、84、815.皮帶輪，85.行程開(kāi)關(guān)，86.螺母，87.噴槍架，.88.絲杠軸，89.電磁鐵，810.噴槍?zhuān)?11.活塞812.止口盤(pán)，813.止口座，814.主軸具體實(shí)施方式
一種表面處理內(nèi)燃機(jī)活塞，在活塞基體(5)的頂部表面上有一陶瓷層(2)，厚度為0.08-0.15mm，裙部(3)有一MoS2噴涂層，厚度為0.01-0.03mm。
上述表面處理內(nèi)燃機(jī)活塞的制造方法，包括活塞頂部陶瓷層(2)及活塞裙部(3)MoS2噴涂層的制造方法，陶瓷合金層采用微弧氧化工藝，氧化液的PH值9-12，使用去離子水，并設(shè)置有恒電流、恒電壓控制裝置和氧化液熱交換溫控裝置，電壓在600-650V，電流在15-20A/dm2，氧化液溫度在20-60℃，氧化時(shí)間30分鐘；MoS2噴涂層的制造工藝步驟包括以下步驟活塞表面清洗--預(yù)熱--噴涂--一次烘烤--二次烘烤。加工完畢的鋁活塞基體(5)，擦洗去油、塵等污物，用四氯乙烯或三氯乙烯的蒸氣脫脂清洗后進(jìn)行預(yù)熱(120-140℃左右)，將環(huán)槽、銷(xiāo)孔等不需噴徐的部位保護(hù)好后置于噴徐機(jī)上，用噴槍將Mos2噴到活塞裙部(3)上。噴涂厚度為0.01-0.03mm。MoS2噴涂液配方為在每100ML溶劑中加2-5g硼酸、8-12g氟硅酸鉛[Pb[siF6]2和5-10g/MoS2。配方中硼酸與氟硅酸鉛的加入能使MoS2粉末保持均勻懸濁掖狀態(tài)，不僅使噴涂的厚度均一，而且能顯著提高其結(jié)合強(qiáng)度。噴涂時(shí)，活塞溫度保持在100-140℃左右，通過(guò)溫度控制來(lái)決定膜層質(zhì)量，溫度過(guò)高，厚度易超過(guò)，溫度過(guò)低，二硫化鉬粘結(jié)不良，且厚度不均。噴涂后要進(jìn)行烘烤，烘烤溫度及時(shí)間控制決定了二硫化鉬的粘接質(zhì)量。
上述實(shí)施例中活塞頂部微弧氧化處理所使用的裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)附圖2；活塞裙部MoS2噴涂所使用的裝置見(jiàn)附圖3。
計(jì)算活塞頂部表面積，在恒溫室中測(cè)量活塞頂部厚度和裙部型線(xiàn)尺寸、清洗活塞表面，優(yōu)選各項(xiàng)工藝參數(shù)，配制合適的氧化液成份和組分，將電壓升至500V，最初電流在10-15A，啟動(dòng)電解液冷卻和攪拌系統(tǒng)。此值隨氧化膜層厚度，氧化時(shí)間的變化而變化，注意控制陶瓷膜層生成初始時(shí)間的最佳生成速度，為氧化膜轉(zhuǎn)向內(nèi)部生長(zhǎng)創(chuàng)造條件，微弧氧化電流、電壓的控制、氧化時(shí)間的控制是提高活塞頂部陶瓷層厚度的關(guān)鍵。微弧氧化電壓控制在600-650范圍內(nèi)變化，氧化電流控制在10-15A/dm2范圍內(nèi)變化，氧化液溫度控制在20-60℃范圍內(nèi)變化浸泡在氧化液中的零件表面在較高的電壓施加下，使其表面初始生成一層膜層，當(dāng)絕緣氧化層局部被擊穿，產(chǎn)生微壓等離子弧光放電，在等離子微弧放電產(chǎn)生的高密度能量作用下，活塞頂部表面與氧化面形成瞬時(shí)高溫、高壓微弧，氧化膜及界面層的的氧化液等物質(zhì)被熔融形成γ-Al2O3、α-Al2O3陶瓷膜。氧化時(shí)間根據(jù)技術(shù)工藝參數(shù)要求，陶瓷層厚度確定氧化時(shí)間為30分鐘。通過(guò)優(yōu)化微弧氧化膜層的生長(zhǎng)過(guò)程的電流效率與微弧氧化時(shí)間量的工藝參數(shù)，最終獲取最佳經(jīng)濟(jì)厚度的耐腐蝕，耐高溫沖擊陶瓷層根據(jù)裙部技術(shù)要求，優(yōu)選工藝參數(shù)和溶液配比，噴涂時(shí)活塞溫度控制在125℃左右，溫度過(guò)高，厚度易超過(guò)；溫度過(guò)低，二硫化鉬粘結(jié)不良，且厚度不均。噴涂后要進(jìn)行烘烤，第一次在140℃左右烘烤30min左右、以提高二硫化鉬的粘結(jié)強(qiáng)度；第一次烘烤后用軟棉紗擦去過(guò)剩的二硫化鉬粉末，再在130℃左右烘烤30min左右，使其完全粘結(jié)。
權(quán)利要求
1.一種表面處理內(nèi)燃機(jī)活塞，其基體由鋁合金鑄造而成，工作面包括頂部、裙部，其特征在于在活塞基體的頂部表面上有一陶瓷層，裙部有一MoS2噴涂層。
2.如權(quán)利要求1所述的表面處理內(nèi)燃機(jī)活塞，其特征在于陶瓷層的厚度0.08-0.15mm；MoS2噴涂層的厚度0.01-0.03mm。
3.一種表面處理內(nèi)燃機(jī)活塞的制造方法，包括鋁合金活塞體基體的鑄造和表面加工處理，其特征在于活塞基體頂部表面上采用微弧氧化工藝附著上一層陶瓷層，上述陶瓷層氧化液使用去離子水，氧化液的PH值9-13，并設(shè)置有恒電流、恒電壓控制裝置和氧化液熱交換溫控裝置；活塞基體的裙部表面上噴涂一層MoS2，MoS2噴涂層的制造工藝步驟包括活塞表面清洗--預(yù)熱--噴涂--一次烘烤--二次烘烤。
4.如權(quán)利要求3所述的一種表面處理內(nèi)燃機(jī)活塞的制造方法，其特征在于所述的陶瓷層微弧氧化工藝電壓在600-800V，電流在10-25A/dm2，氧化液溫度在20-60℃，氧化時(shí)間20-50分鐘。
5.如權(quán)利要求3或4所述的一種表面處理內(nèi)燃機(jī)活塞的制造方法，其特征在于所述的陶瓷層微弧氧化工藝電壓600-650V，電流15-20A/dm2，氧化溫度20-60℃，氧化時(shí)間25-35分鐘。
6.如權(quán)利要求3所述的一種表面處理內(nèi)燃機(jī)活塞的制造方法，其特征在于MoS2噴涂層的制造工藝活塞基體預(yù)洗后，用四氯乙烯或三氯乙烯的蒸氣脫脂清洗，預(yù)熱到120-140℃，將環(huán)槽、銷(xiāo)孔等不需噴涂的部位保護(hù)好后置于噴涂機(jī)上，用噴槍將MoS2噴到活塞基體的裙部上，噴涂厚度為0.01-0.03mm，噴涂溫度110-140℃；MoS2噴涂液配方為在每100ML溶劑中含2-5g硼酸、8-12g氟硅酸鉛[Pb[SiF6]2和5-10g/MoS2；一次烘烤溫度130-150℃，持續(xù)時(shí)間25-35分鐘，取出擦去表面過(guò)剩的粉末，再二次烘烤，烘烤溫度在125-135℃下持續(xù)25-35分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一內(nèi)燃機(jī)活塞，更具體地為一種表面處理內(nèi)燃機(jī)活塞及其制造方法，活塞基體由鋁合金鑄造而成，工作面包括頂部、裙部，其特征在于在活塞基體的頂部表面上有一陶瓷層，裙部有一MoS
文檔編號(hào)C25D11/04GK1851251SQ20061004394
公開(kāi)日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月15日
發(fā)明者張書(shū)民, 顏君衡, 孔令東, 張魯京, 宋文啟, 孔德芬, 魏運(yùn)財(cái) 申請(qǐng)人:曲阜金皇活塞股份有限公司