CN108368633A - 形成汽缸盖的管道涂层的改进方法和由此获得的汽缸盖 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在铝合金铸件的内部管道的壁上形成衬层的方法，包括将阴极插入管道中，使电解质溶液在所述管道中在阴极和管道的形成阳极的壁之间循环，并且在阳极和阴极之间施加电位差，该方法的特征在于，施加在阳极和阴极之间的电位差包括向阳极施加一系列DC电压脉冲。本发明还涉及汽缸盖，其中排气管道衬有通过实施所述方法获得的衬层。

Description

形成汽缸盖的管道涂层的改进方法和由此获得的汽缸盖
技术领域
本发明涉及一种在铝合金发动机汽缸盖的内部管道的壁上形成氧化铝涂层的方法，以及用这种方法获得的发动机汽缸盖。
背景技术
发动机汽缸盖由铝合金制成，基本上出于减轻重量的原因。最近开发的发动机的功率重量比增加会使汽缸盖承受越来越大的热应力。
通过在汽缸盖内集成当使用砂芯模制汽缸盖时形成的越来越复杂的冷却回路，获得对汽缸盖的良好冷却。
在一定程度上，这允许补偿由发动机功率重量比增加产生的温度升高，但是证明这更加不足，并且另外需要修改汽缸盖内部管道的几何形状。
为了进一步限制汽缸盖的温升，已经提出了允许在汽缸盖的内部管道(例如排气管)的壁上形成氧化物涂层的电化学工艺，以限制汽缸盖与管道之间的热交换(例如管道中所含的废气)。
这首先允许汽缸盖温度降低，并且其次允许提高离开汽缸盖的气体的温度，从而在不影响管道几何形状的情况下提高发动机产量。
例如，文献WO2013/38249描述了这种用于汽缸盖的排气管道壁的阳极氧化的方法。
然而，该方法具有缺点，即由于电解时铝溶解而使获得的涂层是多孔的。这些孔隙的存在可能会引发开裂，特别是当汽缸盖暴露于可能达到250℃或更高的通常发动机工作温度时。
这可能导致紧邻排气管道的水回路之间或冷却剂泄漏到这些管道，这可能破坏发动机。
因此有必要进行后处理以密封氧化物涂层，这增加了工艺的长度和成本。
而且，从文献JP3944788已知一种方法用于涂覆具有旋转汽缸的内部管道。在该文献中公开的处理被描述为允许在确保良好润滑的同时赋予汽缸内表面良好的耐磨性。由此形成的氧化物层不允许限制管道内部和壁之间的热交换。另外，该文献的教导仅限于处理具有非常简单的几何形状的汽缸，并且根本不设想处理复杂的几何形状。
文献US2013/0146041描述了未提及施加DC电压脉冲的另一种方法。
该文献中公开的方法也限于简单的汽缸几何形状。在文献JP3944788中，如文献US2013/0146041中那样，待涂覆表面因此围绕单一体积延伸。
在此，如图A所示，单一体积被定义为其中通过直线连接体积M和N的两个点的任何分段是该体积的组成部分的体积(换句话说：对于体积中的任何一对(M，N)点，直线中连接这两点的分段的任意点也属于该体积)。因此具有分支的复杂体积不是单一体积。
JP3944788和US2013/0146041中描述的方法因此不能应用于复杂的几何形状，特别是汽缸盖。
而且，这些方法不能提供低孔隙率和窄厚度的氧化铝层。
因此需要一种可以限制废气和汽缸盖之间的热交换的解决方案，其不具有这些缺点。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于在汽缸盖的内部管道中形成氧化物涂层的方法，其不具有现有技术的缺点。
特别地，本发明的一个目的是允许形成不需要密封后处理的氧化物涂层。
本发明的另一个目的是提出一种形成氧化物涂层的方法，与现有技术相比，可以获得改善的氧化物质量。
本发明的再一个目的是提出一种形成氧化物涂层的方法，其比现有技术实施更快并且与大规模生产相容。
在该方面，本发明的主题是一种在铝合金铸件的内部管道的壁上形成氧化物涂层的方法，其包括将阴极插入管道中，使电解质溶液在所述管道中在阴极和管道的形成阳极的壁之间循环，并且在阳极和阴极之间施加电位差，该方法的特征在于，在阳极和阴极之间施加电位差包括向阳极施加一系列DC电压脉冲。
有利的是，但是可选地，本发明的方法还可以包括以下特征中的至少一个：
-该系列中的每个脉冲具有0.01至0.02s的持续时间，并且两个连续的脉冲相隔0.001至0.01s。
-施加到阳极的电压随脉冲系列变化并且在0和150V之间以保持待处理表面的电流密度在10和50A/dm2之间。
-脉冲系列的总持续时间在30和300s之间，作为待处理的合金类型和期望的氧化物厚度的函数。
-电解质包含10至20％的硫酸和1至5％的硫酸亚铁。
-管道中的电解质流速为0.5和2.0m3/h/dm2待处理表面之间。
-管道中电解质的温度在-10℃和0℃之间。
-将阴极成形为与铸件的内部管道的形状匹配，在阴极和管道壁之间留下3至15mm的平均空隙。
本发明的另一主题是一种铝合金的发动机汽缸盖，其特征在于，在至少一个内部管道的壁上，其包括厚度在50和200μm之间的氧化铝涂层，适于确保当废气在所述管道内以高于900℃的温度流动时，将汽缸盖的内部管道壁密封和热绝缘。
有利地，发动机汽缸盖通过实施上述方法获得。
在一个实施方案中，设置有氧化物涂层的汽缸盖的内部管道是燃烧产物的排气管道。
在对汽缸盖进行阳极化处理时使用脉冲电流允许更快地获得确定厚度的涂层。
另外，脉冲电流还允许获得质量提高和无孔的涂层。因此该涂层可以确保汽缸盖管道的密封，从而避免了堵塞(plugging)密封后处理的需要。
使用具有与待涂覆的汽缸盖的内部管道一致的几何形状的阴极，可以在整个管道上产生均匀的电流线路，并且因此在完成处理时形成均匀厚度的涂层。需要指出的是，汽缸盖内部管道的几何形状非常复杂，如图6所示。在该图中，在横截面中，注意到存在从基部开口分支并通向燃烧室(未示出)的多个分支。每个分支根据它们离开结构的对称轴线X-X的距离以不同的曲率从该基底延伸，穿过基底开口。因此从该说明可以理解，在整个管道中获得具有均匀厚度的涂层需要处理过程，该处理过程始终应用均匀的电流线路。本发明的方法满足这些需求。
电解液组成的选择有助于降低涂层的多孔性，并因此有助于其密封性质。
通过调节电解液流速，也可能获得电解产生的热量(焦耳损失)的最佳排空，以限制在产生该层时发生氧化层溶解的现象。将电解液温度保持在所需范围内可以改善所得涂层的质量。
附图说明
除了图示单一体积的概念的图A之外，本发明的其他特征、目的和优点也将从下面的描述中变得显而易见，所述描述仅是说明性的和非限制性的，并且将结合附图来阅读，其中体积：
图1示意性地示出了用于实施根据本发明的一个实施方案的用于在汽缸盖上形成涂层的方法的系统。
图2a示出了汽缸盖的内部管道，并且图2b示出了具有集成式废气收集器的汽缸盖。
图3示出了被成形为匹配汽缸盖内部管道的形状的阴极。
图4示出了当实施用于形成绝缘涂层的方法时施加到汽缸盖的电压的变化以及阳极和阴极之间的电流密度。
图5给出了用该方法沉积的氧化铝的EDS分析光谱。
图6是用于形成根据本发明的涂层的方法所适用的汽缸盖内部管道的几何形状的截面图。
图7a示出了阳极化层厚度的观察部分。
图7b示出了阳极化层厚度的另一个观察部分。
具体实施方式
参照图1，示意性地示出了铝合金铸件10。该铸件具有复杂的几何形状，并且特别包括带芯的内部管道11。
该铸件的组成合金是基于亚共晶类型的铝-硅，其包含小于12.5重量％的硅并且可以包含合金元素如铜和镁。
作为非限制性例子，该部件10的组成合金是AA319型或AA356型合金。
如图2所示，铸件有利地是发动机汽缸盖10。在这种情况下，所考虑的内部管道11有利地是用于燃烧产物的排气管道。在这方面，汽缸盖10有利地是包括集成式废气收集器的汽缸盖，例如用于图2b中的汽缸盖的情况。图2b还示出了汽缸盖的燃烧室19。
为了限制在其中温度可能超过900℃的管道11中循环的废气与部件10之间的热交换，实施一种方法以在每个管道11的内壁上通过阳极氧化形成氧化铝绝缘涂层13。
图1说明了用于实现这种方法的系统1。
它包括布置在汽缸盖内的阴极3，汽缸盖的阴极和阳极形成壁之间的电解质溶液的循环回路2，以及控制施加在阳极和阴极之间的电位差的电路4，所述电位差在阳极上产生氧化反应以形成氧化物涂层。
电解质溶液循环系统
图1中示出了用于使电解质溶液在汽缸盖管道11中循环的系统2。它有利地包括电解质溶液的罐20，泵21和闭合回路22，所述闭合回路在罐和汽缸盖的管道11之间循环溶液。电解质溶液优选包含10至20％的硫酸和1至5％的硫酸亚铁。
为了防止由该方法形成涂层所产生的氧化物的溶解，该溶解由电解产生的热量催化，该溶液有利地保持在-10℃和0℃之间的温度。
在这方面，回路2有利地包括用于冷却电解质溶液的构件23。另外，泵有利地具有可变的流速以调节作为温度的函数的电解质流速。
有利的是，泵21的尺寸根据待涂覆的表面积和待生长的氧化物层的厚度来确定，并且有利地适于以每小时和每平方分米(/h、dm2)的待处理表面0.5至2m3之间的速率在汽缸盖中循环电解质溶液流。
在-10至0℃的温度下在管道中的电解质循环允许获得均匀的涂层。
阴极的排列
阴极3位于汽缸盖的排气管11内。该阴极由允许在电解质溶液中发生氧化还原反应的材料制成。特别地，阴极有利地例如316L型的不锈钢。
参照图3，阴极3有利地成形为匹配管道11的形状，在阴极和管道之间留下空隙，优选恒定空隙，允许电解质循环。这使得当在阳极和阴极之间施加电位差时，可以在整个待涂覆表面上建立均匀的电流线路，从而在表面上获得相同的层生长速率。在完成该方法时，这允许在所有处理过的表面上获得均匀厚度的层。
阴极和管道壁之间的平均空隙有利地在3和15mm之间。这对于要在阴极和管道11的壁之间保持的厚度有很好的折衷，首先促进电解质的循环和电解产生的气体的夹带，包括当开始形成氧化物层时，其次保持足够的电流密度以防止氧化物层生长减慢。
阳极氧化
回到图1，实施用于在汽缸盖10的管道上形成涂层的方法的系统还包括用于控制阳极和阴极之间的电位差的电路4。
电路4包括适于向形成阳极的汽缸盖10输送电压的电压源40，控制电压源的控制单元41，以及适于记录阳极和阴极之间的电压的一个或多个传感器(未示出)，以及阳极和阴极之间的电流，从而获得确定的电流。
参照图4，为了在管道11的壁上形成氧化物层13，控制单元41驱动电压源40以向阳极传送一系列DC电压脉冲。
电压脉冲的频率有利地高于10Hz，优选地在10和50Hz之间。
更具体地说，每个电压脉冲具有小于0.1s的持续时间，并且优选地在0.01和0.02s之间，在此期间施加的电压的值是恒定的。每个脉冲也与下一个脉冲分开小于0.1s，优选小于0.01s，有利地在0.001和0.01s之间的非零时间间隔。在此时间间隔内，施加于阳极的电压因此为零。
应用这样的一系列电压脉冲可以通过促进焦耳损失和气体的排空来减少实施该方法所需的时间。
作为比较，获得厚度为50-200μm的氧化物层需要大约70秒的处理时间，而现有技术所需的时间为几分钟。
另外，当形成氧化物层时，每个脉冲的电压值逐渐改变。事实上，由于其绝缘性质，氧化物层阻止在阳极和阴极之间建立电流。
特别地，控制单元41对电压源40的引导由阳极和阴极之间的电流密度的值确定。通过传感器对电流的测量使得控制单元41能够计算电流密度并且根据结果来驱动由电压源40输送的电压值。
为了保持足够的电流密度以使该层继续生长，电压在整个脉冲系列上全面增加。期望的电流密度有利地为5至50A/dm2待处理表面。
因此，每个脉冲的电压值在0和150V之间，有利地在0和120V之间，脉冲发生在前几秒，例如，具有在0和du 50V之间的电压的方法的前5秒或10秒，并且随后的脉冲有利地具有增加的电压，直到足够的电压以维持有利地高于5A/dm2，优选地高于10A/m2的电流密度。该最大电压有利地在70和150V之间，优选在70和120V之间。
根据待处理的合金类型和期望获得的氧化物层的厚度，在阳极执行该系列DC电压脉冲的时间为30至300s。
因此，向阳极施加电位会在汽缸盖和阴极之间产生电位差，并引起在汽缸盖的铝上的在排气管11的壁上产生氧化铝的化学反应。
图5显示了对所获得的氧化铝进行的EDS分析光谱(能量色散光谱)。该光谱的峰的相对高度表明与氧化铝Al2O3的化学计量接近的氧化物组成，其他组分是源自电解质组合物的污染物。
因此，氧化物层13可以确保汽缸盖在操作时绝缘，即当温度为950℃的气体在内部管道内流动时，在每个内部管道上形成的氧化物层有利地具有在50和200μm之间的厚度。该厚度主要根据经处理的铝合金的硅和铜浓度而变化。但是，它仍然足够薄，以便在±0.5mm的公差范围内不会改变产品的尺寸特征。
已经证明，应用T7型热处理，即包括在490和540℃之间的温度(取决于所使用的铝合金)的溶液处理，在水或空气中骤冷以及在200℃或更高的温度下退火，允许在厚度和密度方面获得更均匀的涂层。
作为非限制性说明，图7a和7b给出了根据本发明的方法处理之后获得的汽缸盖上的氧化物涂层的横截面图。在这些例示中，氧化物层在34.92μm和70.32μm之间，最大孔隙度为15％。孔隙度是指氧化物层内的整体空隙百分比。
因此获得良好的层密度以及较窄的厚度。因此不再需要进行密封后处理、再加工或精加工。另外，所描述的方法导致与汽车领域的大量生产相适应的循环时间(即5至6分钟)。
因此，所提出的方法在短时间内允许在诸如发动机汽缸盖的铝合金部件的内部管道上获得均匀厚度的绝缘涂层。

Claims (11)

1.一种在铝合金铸件(10)的内部管道(11)的壁上形成氧化铝涂层的方法，
所述方法包括将阴极(3)插入管道(11)中，使电解质溶液在所述管道中在阴极(3)和管道(11)的形成阳极的壁之间循环，并且在阳极和阴极之间施加电位差，
所述方法的特征在于，在阳极和阴极之间施加电位差包括向阳极施加一系列DC电压脉冲。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，系列中的每个脉冲具有0.01至0.02s的持续时间，并且两个连续的脉冲相隔0.001至0.01s。
3.根据权利要求1或2之一所述的方法，其特征在于，施加到阳极的电压随脉冲系列变化并且在0和150V之间以保持待处理表面的电流密度在10和50A/dm2之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，脉冲系列的总持续时间在30和300s之间，作为待处理的合金类型和期望的氧化物厚度的函数。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述电解质包含10至20％的硫酸和1至5％的硫酸亚铁。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，管道中的电解质流速在0.5和2.0m3/h/dm2待处理表面之间。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，管道中的电解质的温度在-10℃与0℃之间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将阴极(3)成形为与铸件(10)的内部管道(11)的形状匹配，在阴极和管道壁之间留下3至15mm的平均空隙。
9.一种铝合金的发动机汽缸盖(10)，其特征在于，在至少一个内部管道(11)的壁上，其包括厚度在50和200μm之间的氧化铝涂层(13)，适于确保当废气在所述管道内以高于900℃的温度流动时，将汽缸盖的内部管道壁密封和热绝缘。
10.根据权利要求9所述的发动机汽缸盖(10)，所述汽缸盖通过实施根据权利要求1至8中任一项所述的方法而获得。
11.根据权利要求9或10之一所述的发动机汽缸盖(10)，其中带有氧化物涂层(13)的内部管道(11)是燃烧产物的排气管道。
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