CN104213171B - 铝合金活塞表面氧化钛类陶瓷涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金活塞表面氧化钛类陶瓷涂层的制备方法，包括将待处理的活塞置于尺寸合适的模具中；用连接电源正极输出端的铜电极压紧活塞和模具；设置好自动镀膜机的电压、电流、时间参数，然后开启自动镀膜机；清洗活塞膜层部位；涂层外观、厚度和质量检验。本发明的有益效果为：能精确保证涂层在活塞表面的位置，在活塞表面及特定部位制备氧化钛涂层方法简单、工艺稳定并且可以批量生产；通过此方法制备的氧化钛涂层与基体结合力强、成膜率高、摩擦系数低、耐磨抗磨性能优异。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金表面涂覆强化处理，尤其是一种铝合金活塞表面氧化钛类陶瓷涂层的制备方法。
背景技术
近十几年来，随着制造技术的迅速提高，日益严峻的环境污染，发动机必须向高功率、低排放方向发展。这就使得发动机的功率密度和爆发压力不断提高，直接导致活塞的机械负荷和热负荷的显著提高。因此，除了改善活塞基体材料，提高活塞整体强度和耐磨性能外，还有一途径就是通过对活塞表面处理，提高活塞抗高温氧化、抗腐蚀和耐磨性能。
铝及铝合金材料具有高强度、低密度、易加工等特点，在内燃机活塞领域被广泛应用。但由于铝化学性质活泼，在应用中常常面临环境影响快速腐蚀而失效。随着铝及铝合金在各个领域应用的深入，对活塞表面涂层的耐蚀能力、耐磨型、表面均匀性、耐冲击性、附着性能等提出了更高的要求。
氧化钛涂层拥有稳定的物理化学性质、优异的附着力、较高的耐磨抗磨能力、低摩擦系数、成膜率高等特点，非常适合用作活塞的表面处理涂层。虽然氧化钛涂层已经应用于材料的表面处理，但应用于活塞表面或特定部位的方法还没见报道。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种铝合金活塞表面氧化钛类陶瓷涂层的制备方法，方法简单、工艺稳定，制备的涂层与基体结合力强、成膜率高、摩擦系数低、耐磨抗磨性能优异。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种铝合金活塞表面氧化钛类陶瓷涂层的制备方法，是通过以下步骤实现的：
1)将待处理的活塞置于尺寸合适的模具中，通过调整模具中支架的高度来保证氧化钛类陶瓷涂层在活塞表面成膜的精确位置；
2)先将模具密封圈压紧后，再用连接电源正极输出端的铜电极压紧活塞和模具，模具中的不锈钢板作为阴极，流动电解液作为介质形成导电回路，所述电解液为碱性溶液；
3)设置好自动镀膜机的电压350～480V、电流10～20A、时间1～2min，然后开启自动镀膜机，当电解液流过安装有活塞的模具的流量达到最大值并且保持稳定后，接通电源对活塞进行膜层涂覆，在膜层涂覆过程中，电解液通过制冷系统降温；
4)膜层涂覆完成后，自动镀膜机用去离子水清洗活塞膜层部位；
5)涂层外观、厚度和质量检验。
步骤1)中所述模具中进出水口位置均匀分布，这样流动的电解液会带走涂层制备过程中产生的热和大量气泡，从而保证涂层外观和质量。
步骤3)所述电解液通过制冷系统降温，温度始终保持10～25℃。
步骤3)所述涂层涂覆过程中，模具与水平面成45°角。
所述电解液为铝酸盐电解液或者硅酸盐电解液。
本发明的有益效果是，
1.本发明使用含钛处理液，待涂覆工件作为阳极，不参与反应的惰性金属板作为阴极，在通电条件下完成对铝及铝合金活塞的涂覆，在涂覆过程中，溶液中的氧被高压等离子化，产生的等离子体与溶液中的钛结合，形成二氧化钛沉积在工件表面，等离子体的微观温度高达上万度，在钛与铝之间能形成Ti-O-Al的化学键，因此形成的二氧化钛涂层与活塞表面具有优异的结合力和抗冲击能力；
2.在活塞表面及特定部位制备氧化钛涂层方法简单、工艺稳定并且可以批量生产；
3.能精确保证涂层在活塞表面的位置；
4.通过此方法制备的氧化钛涂层与基体结合力强、成膜率高、摩擦系数低、耐磨抗磨性能优异，二氧化钛涂层形成于活塞表面以及其自身稳定的化学性质，决定了该涂层不仅能够完全解决阳极氧化铝薄膜成膜率差的问题，还能提高膜层的耐腐蚀、耐高温性能；二氧化钛涂层的多孔结构，可以提高摩擦副表面或界面的油膜保持能力，在极端环境下还可以通过封孔的方式进一步提高二氧化钛涂层的耐腐能力；二氧化钛涂层在成膜过程中可以覆盖铝合金活塞中的初晶硅，因此该涂层与硬质阳极氧化铝薄膜相比表面粗糙度低一半。
附图说明
图1为活塞环槽氧化钛涂层金相图；
图2为活塞环槽氧化铝薄膜金相图；
图3为活塞环槽氧化钛涂层粗糙度测试结果；
图4为活塞环槽氧化铝薄膜粗糙度测试结果；
图5为活塞二环槽氧化钛涂层纤维硬度测试结果；
图6为活塞二环槽氧化铝薄膜纤维硬度测试结果；
图7为活塞环槽涂布氧化钛涂层(a)氧化铝薄膜(b)燃烧状况图，实验条件为平均压力为2bar，转速2000rpm，油气比为1:1。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1
一种铝合金活塞环槽部位氧化钛类陶瓷涂层的制备方法，是通过以下步骤实现的：
1)将待处理的活塞置于尺寸合适的模具中，得到工装，通过调整模具中支架的高度来保证氧化钛类陶瓷涂层在活塞环槽部位成膜的精确位置；
2)先将模具密封圈压紧后，再用连接电源正极输出端的铜电极压紧活塞和模具，模具中的不锈钢板作为阴极，流动铝酸盐电解液作为介质形成导电回路，所述铝酸盐电解液为：含有15g/L的NaAlO2和2g/L Na3PO4；
3)设置好自动镀膜机的电压350V、10A、时间1min，然后开启自动镀膜机，当电解液流过工装的流量达到最大值并且保持稳定后，接通电源对活塞进行膜层涂覆，在膜层涂覆过程中，电解液通过制冷系统降温；
4)膜层涂覆完成后，自动镀膜机用去离子水清洗活塞膜层部位；
5)涂层外观、厚度和质量检验。
氧化钛涂层涂覆于活塞环槽部位，可以增加活塞环槽的抗擦伤性能、耐磨性能、耐腐蚀性能；此外，由于氧化钛涂层粗糙度约为氧化铝薄膜的1/2，因此应用此技术的活塞可以大大减少漏气量。
针对铝及铝合金活塞的应用，本实施例对制备的氧化钛涂层的性能进行了性能测试：
1)涂层附着力
氧化钛涂层、石墨、二硫化钼对于铝合金活塞附着力进行检测。检测方法为：70℃去离子水中超声波震荡，然后用粘着力大于10N/25mm的胶带覆盖在涂层部位，用力压实以排除空气，然后垂直涂层方向迅速拉起胶带，看涂层有无脱落。
表1铝合金活塞表面涂层结合力比对表
经过测试，发现氧化钛涂层对于活塞表面的附着力明显比石墨涂层、二硫化钼涂层附着力大。
2)成膜率测试
成膜率测试结果如表2所示。
表2铝合金活塞表面氧化钛涂层、氧化铝薄膜成膜率对比
使用金相显微镜，对铝合金活塞上的氧化钛涂层、氧化铝薄膜进行观察和测量，如图1-2所示，可以清楚发现氧化钛涂层成膜率大于95％，远高于氧化铝薄膜。由于，氧化钛涂层物理化学性质比较稳定，因此该涂层可以提高活塞表面抗腐和耐磨性能，延长活塞寿命。
3)表面粗糙度测试
使用活塞粗糙度测试仪surfcom 1400D，对活塞环槽内二氧化钛涂层及氧化铝薄膜粗糙度进行测试，如图3-4所示，结果表明，环槽内氧化钛涂层粗糙度大约为氧化铝薄膜的1/2。氧化钛涂层低的表面粗糙度及油膜吸附能力等特性，可以有效降减少活塞高压气体泄漏和摩擦损耗。
4)微观硬度测试
对铝合金活塞表面的氧化钛类涂层进行微观硬度测试，如图5-6所示，发现涂层微观硬度为600-900HV，约为传统硬质氧化铝薄膜的两倍，因此氧化钛涂层相对于氧化铝薄膜具有更好的抗磨和耐磨性能。
通过装机试验，发现经氧化钛涂覆的铝合金活塞具有以下优点：
(1)提高燃油经济性：热损失和机械损耗占燃油化学能65％左右，其中活塞环槽部位高压气体泄漏、活塞裙部与缸套间的摩擦损耗是燃油化学能在对于活塞损失的主要形式，由于氧化钛涂层摩擦系数小、粗糙度低、成膜率高、吸附保油等特定，可以有效减少活塞高压气体泄漏和摩擦损耗。经台架试验(2000rpm/2bar)，发动机燃油经济性提高1-4％；
(2)降低发动机噪声
通过减少燃烧延迟和稳定燃烧状况，如图7所示，氧化钛涂覆的铝合金活塞可最多降低2dB的噪声。
实施例2
一种铝合金活塞裙部氧化钛类陶瓷涂层的制备方法，是通过以下步骤实现的：
1)将待处理的活塞置于尺寸合适的模具中，得到工装，通过调整模具中支架的高度来保证氧化钛类陶瓷涂层在活塞裙部成膜的精确位置；
2)先将模具密封圈压紧后，再用连接电源正极输出端的铜电极压紧活塞和模具，模具中的不锈钢板作为阴极，流动硅酸盐电解液作为介质形成导电回路，所述硅酸盐电解液为：25g/L的NaSiO3、3g/L的KOH和1g/L的(NaPO3)6；
3)设置好自动镀膜机的电压480V、电流15A、时间1.5min，然后开启自动镀膜机，当电解液流过工装的流量达到最大值并且保持稳定后，接通电源对活塞进行膜层涂覆，在膜层涂覆过程中，电解液通过制冷系统降温；
4)膜层涂覆完成后，自动镀膜机用去离子水清洗活塞膜层部位；
5)涂层外观、厚度和质量检验。
氧化钛涂层涂覆于活塞裙部，不仅能够提高活塞的抗擦伤性能和耐磨性能，而且可以提高摩擦副表面或界面的油膜保持能力；氧化钛涂层与铝活塞间共价键连接，能有效解决传统印刷石墨、二硫化钼等脱落问题；因此，裙部涂覆氧化钛涂层技术完全满足高速发动机对活塞的要求。
实施例3
一种铝合金活塞销孔氧化钛类陶瓷涂层的制备方法，是通过以下步骤实现的：
1)将待处理的活塞置于尺寸合适的模具中，得到工装，通过调整模具中支架的高度来保证氧化钛类陶瓷涂层在活塞销孔成膜的精确位置；
2)先将模具密封圈压紧后，再用连接电源正极输出端的铜电极压紧活塞和模具，模具中的不锈钢板作为阴极，流动铝酸盐电解液作为介质形成导电回路，所述铝酸盐电解液为：含有15g/L的NaAlO2和2g/L Na3PO4；
3)设置好自动镀膜机的电压480V、电流20A、时间2min，然后开启自动镀膜机，当电解液流过工装的流量达到最大值并且保持稳定后，接通电源对活塞进行膜层涂覆，在膜层涂覆过程中，电解液通过制冷系统降温；
4)膜层涂覆完成后，自动镀膜机用去离子水清洗活塞膜层部位；
5)涂层外观、厚度和质量检验。
氧化钛涂层涂覆于活塞销孔，可以有效提高活塞销孔的耐磨性能，降低活塞销孔润滑不足，减小发动机的摩擦功，增强销孔的承载能力和提高活塞的使用寿命。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种铝合金活塞表面氧化钛类陶瓷涂层的制备方法，其特征是，是通过以下步骤实现的：
1)将待处理的活塞置于尺寸合适的模具中，得到工装，通过调整模具中支架的高度来保证氧化钛类陶瓷涂层在活塞表面成膜的精确位置；
2)先将模具密封圈压紧后，再用连接电源正极输出端的铜电极压紧活塞和模具，模具中的不锈钢板作为阴极，流动电解液作为介质形成导电回路，所述电解液为碱性溶液；
3)设置好自动镀膜机的电压350～480V、电流10～20A、时间1～2min，然后开启自动镀膜机，当电解液流过工装的流量达到最大值并且保持稳定后，接通电源对活塞进行膜层涂覆，在膜层涂覆过程中，电解液通过制冷系统降温；
4)膜层涂覆完成后，自动镀膜机用去离子水清洗活塞膜层部位；
5)涂层外观、厚度和质量检验；
所述活塞表面成膜的精确位置为活塞环槽、活塞裙部、活塞销孔。
2.如权利要求1所述的一种铝合金活塞表面氧化钛类陶瓷涂层的制备方法，其特征是，步骤1)中所述模具中进出水口位置均匀分布。
3.如权利要求1所述的一种铝合金活塞表面氧化钛类陶瓷涂层的制备方法，其特征是，步骤3)所述电解液通过制冷系统降温，温度始终保持10～25℃。
4.如权利要求1所述的一种铝合金活塞表面氧化钛类陶瓷涂层的制备方法，其特征是，步骤3)所述涂层涂覆过程中，模具与水平面成45°角。
5.如权利要求1所述的一种铝合金活塞表面氧化钛类陶瓷涂层的制备方法，其特征是，所述电解液为铝酸盐电解液或者硅酸盐电解液。
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Denomination of invention: Preparation method of titanium oxide ceramic coating on the surface of aluminum alloy pistons Granted publication date: 20170208 Pledgee: Binzhou branch of China CITIC Bank Co.,Ltd. Pledgor: BINZHOU BOHAI PISTON Co.,Ltd. Registration number: Y2024980014544 |