CN101943079A - 一种头部硬质阳极氧化内燃机活塞及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种头部硬质阳极氧化内燃机活塞，其基体材质为Al-Si合金，其特征在于活塞头部外表面有8-60μm的阳极氧化膜层。阳极氧化膜层生成工艺采用直流电源阳极氧化，即化学除油-热水洗-冷水洗-出光-冷水洗-氧化-冷水洗；阳极氧化的工艺条件为：电压45-70V，氧化电流密度3-7A/dm2，氧化溶液温度-5-0℃，氧化时间30-60分钟，所用的氧化溶液浓度为硫酸：200-240g/L、草酸：15-20g/L，硫酸铝：0.2-0.5g/L。其有益效果是，本发明方法工艺容易掌握和实现参数自动控制，本发明产品可大幅度提高活塞的耐磨、耐腐蚀、抗高温冲击性能。活塞装机后，①使用寿命提高；②尾气排放CO、HC含量下降。
Description
技术领域
本发明涉及一种内燃机活塞，具体为一种头部硬质阳极氧化的内燃机活塞及其制造方法。
背景技术
活塞是发动机的核心部件，随着发动机向低油耗、低噪音、低排放目标的发展，对活塞的质量要求越来越高。内燃机活塞要求工作温度高、热冲击大、速度高、摩擦频繁，普通活塞难以满足在工况恶劣的条件下工作，长期制约发动机综合性能的提高。为此国内外科技人员实施了各种举措：如：“活塞整体阳极化处理”、“微弧氧化处理”、“头部热喷涂陶瓷层”等，但考虑工艺复杂程度、成本控制、使用条件等因素，以上方法各自有不同的应用范围局限。
发明内容
本发明的目的是克服内燃机活塞应对温度高、热冲击大、速度高、摩擦频繁中出现的不足，而提供一种头部(第二环岸及以上)硬质阳极氧化的内燃机活塞，使活塞的综合性能得到提高。
本发明的目的是这样实现的：一种头部硬质阳极氧化内燃机活塞，其基体材质为Al-Si合金，其特征在于活塞头部外表面有8-60μm的阳极氧化膜层。
阳极氧化膜层生成工艺采用直流电源阳极氧化，具体工艺流程为：化学除油-热水洗-冷水洗-出光-冷水洗-氧化-冷水洗；阳极氧化工艺条件包括电压、电流、氧化溶液温度、氧化时间及氧化溶液成分配比。
所述的阳极氧化的工艺条件为：电压45-70V，氧化电流密度3-7A/dm2，氧化溶液温度-5-0℃，氧化时间30-60分钟，所用的氧化溶液浓度为硫酸：200-240g/L、草酸：15-20g/L、硫酸铝：0.2-0.5g/L。
所述的工装为内径与活塞环槽外径、活塞裙部外径相当的类圆筒状保护套。
铝合金在特定的工作条件下，在外加电流的作用下，在阳极上形成氧化膜的过程，称做阳极氧化。铝合金活塞经氧化反应后在其表面生成Al2O3氧化膜层，该膜层硬度很高，维氏显微硬度可达250HV-500HV，故称硬质阳极氧化。该氧化膜层熔点高达2050℃，导热系数小于0.16W/m2·K，可使活塞头部燃烧室承受瞬时高温，并可起绝热作用。实践证明，用直流电源进行阳极氧化可以得到优质氧化膜层。
硬质阳极氧化装置主要有电源及调压控制系统、电解槽、搅拌系统、冷却系统四部分组成。电源及调压控制系统提供了硬质阳极氧化所需的高压电，电解槽通常由铅版制成，兼做阴极，内盛氧化溶液；搅拌系统可以提高溶液中电解质的均匀性；冷却系统可以保证电解液所需的工作温度。
具体为将活塞头部以外的区域用专用工装封闭起来，计算活塞头部表面积、在恒温室中测量活塞头部厚度和裙部型线尺寸、清洗活塞表面，优选各项工艺参数，配置合适的氧化溶液成分和组分，设定电压至45-70V，电流密度在3-7A/d m2，启动氧化溶液冷却和搅拌系统。将活塞放入氧化溶液中，通电后，表面立即生成很薄的一层高绝缘性能的氧化膜，随着氧化膜的产生，氧化溶液对氧化膜的溶解作用也就开始了。由于氧化膜不均匀，氧化膜薄的地方首先被溶解，形成了孔隙。氧化溶液通过孔隙到达活塞表面，使电化学反应继续进行。因为溶解总是在氧化膜相对薄弱的部位发生，当氧化物绝缘膜被溶解后，在该部位生成新的氧化膜，溶解点转移到其它相对薄弱的区域，氧化膜的生成伴随着氧化膜的溶解，当膜的生成速度大于溶解速度，氧化膜层逐渐增厚，最终形成的氧化膜层是均匀的。这种氧化膜层是由Al2O3组成，可以获得较高的耐磨性、耐腐蚀性、耐热冲击性，提高发动机的寿命和效率。
注意氧化电流密度、氧化溶液的成分、电压的控制、氧化时间的控制是提高活塞头部氧化膜层厚度和质量的关键。通过优化氧化膜层的生长过程的电流密度与氧化时间的工艺参数，最终获取最佳经济厚度8-60μm耐腐蚀、耐磨、耐高温冲击氧化膜层。
本发明的有益效果是，活塞头部(第二环岸及以上)氧化膜层适当，耐磨性及耐高温冲击性更好，制造方法中，活塞头部硬质阳极氧化工艺主要优点是工艺容易掌握和实现参数自动控制，易于组织工业化大生产，设备占地面积小，处理能力强，生产效率高，在不降低材质性能及不改变合金工件原几何尺寸、表面粗糙度的条件下，可大幅度提高活塞的耐磨、耐腐蚀、抗高温冲击性能，满足恶劣工况条件下的需要。上述方法制造的活塞装机后，①使用寿命明显提高；②尾气排放CO、HC含量明显下降。
附图说明
图1是本发明活塞的局剖放大示意图。
图2是本发明活塞阳极氧化装置示意图。
图3是本发明工装结构示意图。
图中，a.活塞头部，b.活塞裙部，1.阳极氧化膜层，2.活塞基体，3.电解槽，4.冷却管，5.氧化溶液，6.工装。
具体实施例
一种头部硬质阳极氧化内燃机活塞，其基体材质为Al-Si合金，活塞头部a外表面有8-60μm的阳极氧化膜层1。
阳极氧化膜层1生成工艺采用直流电源阳极氧化，具体工艺流程为：化学除油-热水洗-冷水洗-出光-冷水洗-氧化-冷水洗；阳极氧化工艺条件包括电压、电流、氧化溶液温度、氧化时间及氧化溶液成分配比。
阳极氧化的工艺条件为：电压45-70V，氧化电流密度3-7A/dm2，氧化溶液温度-5-0℃，氧化时间30-60分钟，所用的氧化溶液浓度为硫酸：200-240g/L、草酸：15-20g/L、硫酸铝：0.2-0.5g/L。阳极氧化装置主要有电源及调压控制系统、电解槽3、搅拌系统、冷却系统四部分组成。将活塞头部a以外的区域用专用工装封闭起来后放入氧化溶液5中，通电后启动氧化溶液冷却和搅拌系统，在活塞表面立即生成很薄的一层高绝缘性能的氧化膜，随着氧化膜的产生，氧化溶液对氧化膜的溶解作用也就开始了。由于氧化膜不均匀，氧化膜薄的地方首先被溶解，形成了孔隙。氧化溶液通过孔隙到达活塞表面，使电化学反应继续进行。因为溶解总是在氧化膜相对薄弱的部位发生，当氧化物绝缘膜被溶解后，在该部位生成新的氧化膜，溶解点转移到其它相对薄弱的区域，氧化膜的生成伴随着氧化膜的溶解，当膜的生成速度大于溶解速度，氧化膜层逐渐增厚，最终形成的氧化膜层5是均匀的。
Claims (4)
1.一种头部硬质阳极氧化内燃机活塞，其基体材质为Al-Si合金，其特征在于活塞头部外表面有8-60μm的阳极氧化膜层。
2.如权利要求1所述的一种头部硬质阳极氧化内燃机活塞制造方法，其特征在于所述的阳极氧化膜层生成工艺采用直流电源阳极氧化，具体工艺流程为：化学除油-热水洗-冷水洗-出光-冷水洗-工装局部保护活塞-氧化-冷水洗；阳极氧化工艺条件包括电压、电流、氧化溶液温度、氧化时间及氧化溶液成分配比。
3.如权利要求2所述的一种头部硬质阳极氧化内燃机活塞制造方法，其特征在于所述的阳极氧化的工艺条件为：电压45-70V，氧化电流密度3-7A/dm2，氧化溶液温度-5-0℃，氧化时间30-60分钟，所用的氧化溶液浓度为硫酸：200-240g/L、草酸：15-20g/L，硫酸铝：0.2-0.5g/L。
4.如权利要求2所述的一种头部硬质阳极氧化内燃机活塞制造方法，其特征在于所述的工装为内径与活塞环槽外径、活塞裙部外径相当的类圆筒状保护套。
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