CN109267116A - 一种头部涂层强化活塞及头部涂层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种头部涂层强化活塞及头部涂层制备方法，包括以下步骤：（1）镀镍处理；（2）锰系磷化处理；（3）裙部减摩涂层处理；（4）热处理。本发明耐高温性能好，可长期在700℃以下工作；防护能力强，可对所有燃气影响区域进行防护；结合力好，不易脱落。
Description
技术领域
本发明涉及活塞防腐技术领域，具体说是涉及一种头部涂层强化活塞及头部涂层制备方法。
背景技术
随着发动机的升级换代，钢活塞在国六发动机中的比重越来越大，活塞温度越来越高，资料显示甚至超过600℃，在这种环境中，钢活塞热腐蚀问题十分严重，活塞顶面物质氧化剥落，腐蚀裂纹十分明显，严重影响了发动机的性能及寿命。另外，在采用含硫较高的重油、天然气作为燃料的发动机中，由于燃烧产物呈酸性，对活塞（包括铝活塞）的腐蚀现象也十分严重。
发动机载荷和温度的提高，对活塞环槽的磨损性能也提出了要求，比如在大直径钢活塞领域，常采用激光淬火、高频淬火等方式提高环槽的耐磨性，在中小直径活塞则采用高镍奥氏体铸铁镶圈强化环槽技术。
CN 204591514 U公开了一种覆有抗氧化涂层的钢活塞，采用在活塞顶面局部化学镀镍磷合金的方法起到了一定的防护作用。从原理上将是可行的，但是仍存在如下问题，可能导致在实际装机运行中出现问题：
（1）涂层结合力问题，通过试验，如果仅按照CN 204591514 U的描述镀一层镍磷合金，不经过预镀和后处理，涂层结合力较差，经锯锉试验、划格试验会出现明显的涂层剥落现象；
（2）由于该专利中提到的镀层覆盖范围仅有活塞顶面或者部分顶面，仍有部分活塞本体暴露在燃气中，在使用过程中，保护区域的边缘会出现腐蚀度不同现象，由于镀层的耐腐蚀性能远高于活塞基材，腐蚀会沿涂层与活塞基材的结合面延伸，极易导致涂层剥落。
以上两种情况一旦发生，导致涂层脱落，这些硬质的涂层碎片极易导致发动机拉缸、环槽卡死的故障。
另外，由于活塞表面还有其他表面处理技术，如锰系磷化、裙部减磨涂层等，通过大量试验，其中的某些处理技术会严重破坏镀镍层的外观和耐腐蚀性，而上述专利中也未提及。
发明内容
为克服以上技术问题的不足，本发明提供了一种针对钢活塞的热腐蚀及重油、天然气活塞的化学腐蚀问题，同时也有明显的耐磨性能的头部涂层强化活塞及头部涂层的制备方法。
本发明是通过以下方式实现的：
一种头部涂层强化活塞，包括活塞本体，该活塞包括顶部、头部和裙部，其中，头部包括若干环槽和火力岸，活塞头部或部分头部、整个顶部覆有镀层，裙部覆有减摩涂层；镀层包含至少两层，分别为镍磷层和镍磷硼层。
优选的，活塞头部包括第一环槽、剩余环槽和火力岸，其中，至少第一环槽、火力岸覆有镀层。
进一步优选的，镍磷层的厚度为3-12μm，镍磷硼层的厚度为5-10μm。
一种头部涂层强化活塞的头部涂层的制备方法，包括以下步骤：（1）镀镍处理；（2）锰系磷化处理；（3）裙部减摩涂层处理；（4）热处理。
优选的，步骤（1）包括以下步骤：
S1：超声波脱脂，将活塞头部向下挂载在镀镍挂具上，然后将挂载后的活塞浸入50g/L的脱脂液中进行超声波脱脂，然后经2次自来水漂洗干净；
S2：化学脱脂，将S1中的活塞浸入50g/L的脱脂液中进行化学脱脂，然后经2次自来水漂洗；
S3：酸洗，将S2中的活塞浸入36%盐酸中除去活塞表面的氧化物和其它污物，然后经2次自来水漂洗，其中盐酸浓度为200-400 ml/L；
S4：电解脱脂，将S3中的活塞浸入50g/L的脱脂液中进行化学脱脂，随后经2次自来水漂洗；
S5：酸活化，将S4中的活塞浸入98%硫酸活化1min，随后经2次纯水漂洗，其中硫酸浓度为100-300 ml/L；
S6：预镀镍磷，将S5中的活塞浸入镍磷液中进行电镀，在活塞表面形成镍磷层，然后经2次纯水漂洗；
S7：镀镍磷硼，将S6中的活塞浸入镍磷硼溶液中进行二次电镀，在活塞的镍磷层上形成镍磷硼层，随后经2次纯水漂洗；
S8：防变色处理，将S7中的活塞浸入防变色剂中进行防变色处理，然后经2次纯水漂洗和1次热水洗；
S9：烘干：最后经烘干箱将活塞表面和内部的水分完全烘干。
进一步优选的，S6中镍磷层包括88-90重量百分比的镍， 10-12重量百分比的磷；S7中镍磷硼层包括96-98重量百分比的镍，2-4重量百分比的磷，0.1-0.3重量百分比的硼。
进一步优选的，S6中电镀时间为50-60min，S7中电镀时间为30-40min。
优选的，锰系磷化处理包括以下步骤：脱脂*2，热水洗，漂洗，酸洗，漂洗，表面调整，磷化，漂洗，热水洗，烘干。
优选的，裙部减摩涂层处理的方式为喷涂或丝网印刷。
优选的，热处理温度为200-300℃，保温时间2-4小时。
本发明的有益效果是：
（1）耐高温性能好，可长期在700℃以下工作；
（2）防护能力强，可对所有燃气影响区域进行防护；
（3）结合力好，不易脱落；
（4）经无保护气氛箱式炉600℃保温500h测试，未出现任何腐蚀现象；
（5）不影响其他部位的表面处理技术。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种头部涂层强化活塞，包括活塞本体，该活塞包括顶部、头部和裙部，其中，头部包括若干环槽和火力岸，其活塞头部或部分头部、整个顶部覆有镀层，裙部覆有减摩涂层；镀层包含至少两层，分别为镍磷层和镍磷硼层。
活塞头部包括第一环槽、剩余环槽和火力岸，其中，至少第一环槽、火力岸覆有镀层；镍磷层的厚度为3-12μm，镍磷硼层的厚度为5-10μm。
以某型柴油机钢活塞（型号YL129B11）试制为例，活塞材质为锻造42CrMo4。
其表面涂层分为三种，分别为：头部镀镍区域，其余部分为锰系磷化，裙部为减磨涂层。该产品生产流程如下：
1、机加工
将活塞第一、二环槽中间部位开始的上半部分活塞所有尺寸较图纸要求多加工15μm；
2、镀镍
将活塞进行初步脱脂后涂水基防锈剂；用硅胶套将第一、二环槽中间部位开始的下半部分活塞密封；活塞头部向下，顶面与水平面呈45°挂载在镀镍挂具上，按如下流程进行：
S1：超声波脱脂，将活塞头部向下挂载在镀镍挂具上，然后将挂载后的活塞浸入75℃的50g/L的ODM CLEANER 201溶液中进行超声波脱脂10min，然后经2次自来水漂洗干净；
S2：化学脱脂，将S1中的活塞浸入75℃的50g/L的ODM CLEANER 201溶液中进行化学脱脂5min，然后经2次自来水漂洗；
S3：酸洗，将S2中的活塞浸入20-30℃的200ml/L 36％盐酸1min，除去活塞表面的氧化物和其它污物，然后经2次自来水漂洗；
S4：电解脱脂，将S3中的活塞浸入50℃的50g/L的ODM CLEANER 202溶液中进行电解脱脂3min，随后经2次自来水漂洗；
S5：酸活化，将S4中的活塞浸入200 ml/L 的98%硫酸活化1min，随后经2次纯水漂洗；
S6：预镀镍磷，将S5中的活塞浸入ODM ENICKEL HP溶液中进行电镀，时间为50min，在活塞表面形成镍磷层，然后经2次纯水漂洗；
S7：镀镍磷硼，将S6中的活塞浸入ODM ENICKEL NPS溶液中进行二次电镀，时间为35min，在活塞的镍磷层上形成镍磷硼层，随后经2次纯水漂洗；
S8：防变色处理，将S7中的活塞浸入30℃防变色剂（ODM GRD EN）中进行2min防变色处理，然后经2次纯水漂洗和1次热水洗；
S9：烘干：最后经烘干箱将活塞表面和内部的水分完全烘干，烘干温度为80℃，时间为10min。
上述ODM CLEANER 201、ODM CLEANER 202、ODM ENICKEL HP、ODM ENICKEL NPS、ODM GRD EN均为现有，发明人购于市场。
S6中镍磷层包括88-90重量百分比的镍， 10-12重量百分比的磷；S7中镍磷硼层包括96-98重量百分比的镍，2-4重量百分比的磷，0.1-0.3重量百分比的硼。
3、锰系磷化
使用硅胶保护套将镀镍区域进行防护，允许露出少许镀层；采用如下步骤进行锰系磷化：脱脂*2，热水洗，漂洗，酸洗，漂洗，表面调整，磷化，漂洗，热水洗，烘干。
4、裙部涂减磨涂层
可采用丝网印刷法或喷涂法。
5、热处理
将活塞在210℃保温2小时，同时起到镀镍层强化和裙部减磨涂层固化的作用。
采用以上流程生产的活塞，其第一环槽、火力岸、顶面、燃烧室等部位均覆盖复合镀镍层，其范围大于燃气影响范围，可长期有效的对活塞进行防护，脱落风险低。同时第一环槽处的镀层实测粗糙度达到Ra0.16，硬度达到HV800，大幅度提高了耐磨性。
其他区域，尤其是销孔部位仍保留锰系磷化，以提高销孔抗咬合性能。
裙部保留减磨涂层，减少活塞运动过程中的摩擦损失。
实施例2
一种头部涂层强化活塞，包括活塞本体，该活塞包括顶部、头部和裙部，其中，头部包括若干环槽和火力岸，其活塞头部或部分头部、整个顶部覆有镀层，裙部覆有减摩涂层；镀层包含至少两层，分别为镍磷层和镍磷硼层。
活塞头部包括第一环槽、剩余环槽和火力岸，其中，至少第一环槽、火力岸覆有镀层；镍磷层的厚度为3-12μm，镍磷硼层的厚度为5-10μm。
以某型柴油机钢活塞（型号YL129B11）试制为例，活塞材质为锻造42CrMo4。
其表面涂层分为三种，分别为：头部镀镍区域，其余部分为锰系磷化，裙部为减磨涂层。该产品生产流程如下：
1、机加工
将活塞第一、二环槽中间部位开始的上半部分活塞所有尺寸较图纸要求多加工15μm；
2、镀镍
将活塞进行初步脱脂后涂水基防锈剂；用硅胶套将第一、二环槽中间部位开始的下半部分活塞密封；活塞头部向下，顶面与水平面呈45°挂载在镀镍挂具上，按如下流程进行：
S1：超声波脱脂，将活塞头部向下挂载在镀镍挂具上，然后将挂载后的活塞浸入75℃的50g/L的ODM CLEANER 201溶液中进行超声波脱脂10min，然后经2次自来水漂洗干净；
S2：化学脱脂，将S1中的活塞浸入75℃的50g/L的ODM CLEANER 201溶液中进行化学脱脂5min，然后经2次自来水漂洗；
S3：酸洗，将S2中的活塞浸入20-30℃的300ml/L 36％盐酸1min，除去活塞表面的氧化物和其它污物，然后经2次自来水漂洗；
S4：电解脱脂，将S3中的活塞浸入50℃的50g/L的ODM CLEANER 202溶液中进行电解脱脂3min，随后经2次自来水漂洗；
S5：酸活化，将S4中的活塞浸入100 ml/L 的98%硫酸活化1min，随后经2次纯水漂洗；
S6：预镀镍磷，将S5中的活塞浸入ODM ENICKEL HP溶液中进行电镀，时间为55min，在活塞表面形成镍磷层，然后经2次纯水漂洗；
S7：镀镍磷硼，将S6中的活塞浸入ODM ENICKEL NPS溶液中进行二次电镀，时间为30min，在活塞的镍磷层上形成镍磷硼层，随后经2次纯水漂洗；
S8：防变色处理，将S7中的活塞浸入30℃防变色剂中进行2min防变色处理，然后经2次纯水漂洗和1次热水洗；
S9：烘干：最后经烘干箱将活塞表面和内部的水分完全烘干，烘干温度为80℃，时间为10min。
上述ODM CLEANER 201、ODM CLEANER 202、ODM ENICKEL HP、ODM ENICKEL NPS、ODM GRD EN均为现有，发明人购于市场。
S6中镍磷层包括88-90重量百分比的镍， 10-12重量百分比的磷；S7中镍磷硼层包括96-98重量百分比的镍，2-4重量百分比的磷，0.1-0.3重量百分比的硼。
3、锰系磷化
使用硅胶保护套将镀镍区域进行防护，允许露出少许镀层；
采用如下步骤进行锰系磷化：脱脂*2，热水洗，漂洗，酸洗，漂洗，表面调整，磷化，漂洗，热水洗，烘干。
4、裙部涂减磨涂层
可采用丝网印刷法或喷涂法；
5、热处理
将活塞在210℃保温2小时，同时起到镀镍层强化和裙部减磨涂层固化的作用。
采用以上流程生产的活塞，其第一环槽、火力岸、顶面、燃烧室等部位均覆盖复合镀镍层，其范围大于燃气影响范围，可长期有效的对活塞进行防护，脱落风险低。同时第一环槽处的镀层实测粗糙度达到Ra0.16，硬度达到HV800，大幅度提高了耐磨性。
其他区域，尤其是销孔部位仍保留锰系磷化，以提高销孔抗咬合性能。
裙部保留减磨涂层，减少活塞运动过程中的摩擦损失。
实施例3
一种头部涂层强化活塞，包括活塞本体，该活塞包括顶部、头部和裙部，其中，头部包括若干环槽和火力岸，其活塞头部或部分头部、整个顶部覆有镀层，裙部覆有减摩涂层；镀层包含至少两层，分别为镍磷层和镍磷硼层。
活塞头部包括第一环槽、剩余环槽和火力岸，其中，至少第一环槽、火力岸覆有镀层；镍磷层的厚度为3-12μm，镍磷硼层的厚度为5-10μm。
以某型柴油机钢活塞（型号YL129B11）试制为例，活塞材质为锻造42CrMo4。
其表面涂层分为三种，分别为：头部镀镍区域，其余部分为锰系磷化，裙部为减磨涂层。该产品生产流程如下：
1、机加工
将活塞第一、二环槽中间部位开始的上半部分活塞所有尺寸较图纸要求多加工15μm；
2、镀镍
将活塞进行初步脱脂后涂水基防锈剂；用硅胶套将第一、二环槽中间部位开始的下半部分活塞密封；活塞头部向下，顶面与水平面呈45°挂载在镀镍挂具上，按如下流程进行：
S1：超声波脱脂，将活塞头部向下挂载在镀镍挂具上，然后将挂载后的活塞浸入75℃的50g/L的ODM CLEANER 201溶液中进行超声波脱脂10min，然后经2次自来水漂洗干净；
S2：化学脱脂，将S1中的活塞浸入75℃的50g/L的ODM CLEANER 201溶液中进行化学脱脂5min，然后经2次自来水漂洗；
S3：酸洗，将S2中的活塞浸入20-30℃的400ml/L 36％盐酸1min，除去活塞表面的氧化物和其它污物，然后经2次自来水漂洗；
S4：电解脱脂，将S3中的活塞浸入50℃的50g/L的ODM CLEANER 202溶液中进行电解脱脂3min，随后经2次自来水漂洗；
S5：酸活化，将S4中的活塞浸入200 ml/L 的98%硫酸活化1min，随后经2次纯水漂洗；
S6：预镀镍磷，将S5中的活塞浸入ODM ENICKEL HP溶液中进行电镀，时间为60min，在活塞表面形成镍磷层，然后经2次纯水漂洗；
S7：镀镍磷硼，将S6中的活塞浸入ODM ENICKEL NPS溶液中进行二次电镀，时间为40min，在活塞的镍磷层上形成镍磷硼层，随后经2次纯水漂洗；
S8：防变色处理，将S7中的活塞浸入30℃防变色剂中进行2min防变色处理，然后经2次纯水漂洗和1次热水洗；
S9：烘干：最后经烘干箱将活塞表面和内部的水分完全烘干，烘干温度为80℃，时间为10min。
上述ODM CLEANER 201、ODM CLEANER 202、ODM ENICKEL HP、ODM ENICKEL NPS、ODM GRD EN均为现有，发明人购于市场。
S6中镍磷层包括88-90重量百分比的镍， 10-12重量百分比的磷；S7中镍磷硼层包括96-98重量百分比的镍，2-4重量百分比的磷，0.1-0.3重量百分比的硼。
3、锰系磷化
使用硅胶保护套将镀镍区域进行防护，允许露出少许镀层；
采用如下步骤进行锰系磷化：脱脂*2，热水洗，漂洗，酸洗，漂洗，表面调整，磷化，漂洗，热水洗，烘干。
4、裙部涂减磨涂层
可采用丝网印刷法或喷涂法；
5、热处理
将活塞在210℃保温2小时，同时起到镀镍层强化和裙部减磨涂层固化的作用。
采用以上流程生产的活塞，其第一环槽、火力岸、顶面、燃烧室等部位均覆盖复合镀镍层，其范围大于燃气影响范围，可长期有效的对活塞进行防护，脱落风险低。同时第一环槽处的镀层实测粗糙度达到Ra0.16，硬度达到HV800，大幅度提高了耐磨性。
其他区域，尤其是销孔部位仍保留锰系磷化，以提高销孔抗咬合性能。
裙部保留减磨涂层，减少活塞运动过程中的摩擦损失。
Claims (10)
1.一种头部涂层强化活塞，包括活塞本体，该活塞包括顶部、头部和裙部，其中，头部包括若干环槽和火力岸，其特征在于：活塞头部或部分头部、整个顶部覆有镀层，裙部覆有减摩涂层；镀层包含至少两层，分别为镍磷层和镍磷硼层。
2.根据权利要求1所述的头部涂层强化活塞，其特征在于：活塞头部包括第一环槽、剩余环槽和火力岸，其中，至少第一环槽、火力岸覆有镀层。
3.根据权利要求2所述的头部涂层强化活塞，其特征在于：镍磷层的厚度为3-12μm，镍磷硼层的厚度为5-10μm。
4.一种制造权利要求1所述的头部涂层强化活塞的头部涂层方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）镀镍处理；（2）锰系磷化处理；（3）裙部减摩涂层处理；（4）热处理。
5.根据权利要求4所述的制造头部涂层强化活塞的方法，其特征在于：步骤（1）包括以下步骤：
S1：超声波脱脂，将活塞头部向下挂载在镀镍挂具上，然后将挂载后的活塞浸入50g/L的脱脂液中进行超声波脱脂，然后经2次自来水漂洗干净；
S2：化学脱脂，将S1中的活塞浸入50g/L的脱脂液中进行化学脱脂，然后经2次自来水漂洗；
S3：酸洗，将S2中的活塞浸入36%盐酸中除去活塞表面的氧化物和其它污物，然后经2次自来水漂洗，其中盐酸浓度为200-400 ml/L；
S4：电解脱脂，将S3中的活塞浸入50g/L的脱脂液中进行化学脱脂，随后经2次自来水漂洗；
S5：酸活化，将S4中的活塞浸入98%硫酸活化1min，随后经2次纯水漂洗，其中硫酸浓度为100-300 ml/L；
S6：预镀镍磷，将S5中的活塞浸入镍磷液中进行电镀，在活塞表面形成镍磷层，然后经2次纯水漂洗；
S7：镀镍磷硼，将S6中的活塞浸入镍磷硼溶液中进行二次电镀，在活塞的镍磷层上形成镍磷硼层，随后经2次纯水漂洗；
S8：防变色处理，将S7中的活塞浸入防变色剂中进行防变色处理，然后经2次纯水漂洗和1次热水洗；
S9：烘干：最后经烘干箱将活塞表面和内部的水分完全烘干。
6.根据权利要求5所述的制造头部涂层强化活塞的方法，其特征在于：S6中镍磷层包括88-90重量百分比的镍， 10-12重量百分比的磷；S7中镍磷硼层包括96-98重量百分比的镍，2-4重量百分比的磷，0.1-0.3重量百分比的硼。
7.根据权利要求5所述的制造头部涂层强化活塞的方法，其特征在于：S6中电镀时间为50-60min，S7中电镀时间为30-40min。
8.根据权利要求4所述的制造头部涂层强化活塞的方法，其特征在于：锰系磷化处理包括以下步骤：脱脂*2，热水洗，漂洗，酸洗，漂洗，表面调整，磷化，漂洗，热水洗，烘干。
9.根据权利要求4所述的制造头部涂层强化活塞的方法，其特征在于：裙部减摩涂层处理的方式为喷涂或丝网印刷。
10.根据权利要求4所述的制造头部涂层强化活塞的方法，其特征在于：热处理温度为200-300℃，保温时间2-4小时。
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| CN115466949A (zh) * | 2022-09-30 | 2022-12-13 | 成都银河动力有限公司 | 一种确保活塞销孔粗糙度≤Ra0.4的磷化工艺 |
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| CN115466949B (zh) * | 2022-09-30 | 2023-08-04 | 成都银河动力有限公司 | 一种确保活塞销孔粗糙度≤Ra0.4的磷化工艺 |
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Denomination of invention: A method for preparing head coating strengthening piston and head coating Granted publication date: 20210212 Pledgee: Binzhou branch of China CITIC Bank Co.,Ltd. Pledgor: BINZHOU BOHAI PISTON Co.,Ltd. Registration number: Y2024980014544 |
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