CN109321961A - 一种铝活塞顶面热障涂层制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于活塞涂层制备领域，特别涉及一种铝活塞顶面热障涂层制备装置及方法，本发明采用特制的制备装置，制备装置包括上腔体和下腔体，在上腔体和下腔体内形成一密闭空间，让活塞在密闭空间内进行氧化，并通过电流参数、氧化液配方等方面的改进，降低涂层的微观温度，避免烧蚀，使膜层可持续增长，达到所需的厚度。
Description
技术领域
本发明属于活塞涂层制备领域，特别涉及一种铝活塞顶面热障涂层制备装置及方法。
背景技术
随着发动机的升级换代，对发动机的燃油效率、热疲劳性能等提出了更高的要求，这就需要降低燃烧产生的热量向活塞传递，减少热损失，降低活塞本体温度。在活塞顶部制备一层热障涂层，是达到以上目的的其中一种方法。
目前行业中制备热障涂层常采用顶部硬质阳极氧化的方法来提高活塞的耐烧蚀能力，并在活塞长轴提供预置拉应力，减少塑性变形引起的活塞开裂。目前公开的资料及行业普遍现状说明该涂层厚度一般在40-80μm，几乎没有超过120μm的。经测试，在目前该厚度范围隔热效果较差，当厚度超过120μm时，隔热效果较为显著。但在铝活塞硬质阳极氧化生产中，因为工装、散热等原因，当涂层厚度超过120μm时极易造成涂层烧蚀，单纯采用传统的硬质阳极氧化工艺是无法取得隔热效果较好的热障涂层的。
发明内容
本发明要解决的问题是克服背景技术的不足，提供一种铝活塞顶面热障涂层制备装置及方法。
本发明铝活塞顶面热障涂层制备装置是通过以下技术方案来实现的：
一种铝活塞顶面热障涂层制备装置，包括外径相等的上腔体和下腔体，上腔体和下腔体四周分别设有对应的螺栓孔，上腔体和下腔体之间通过螺栓固定连接并以O型圈密封；所述上腔体内设有卡槽，锥形密封圈放入卡槽中并与卡槽过盈配合；所述下腔体内一体设有一内腔体，内腔体向内一体凸出一圆形台阶，一喷水孔盖底座和一接线盘分别从下腔体上端和下端通过螺栓固定在圆形台阶上，喷水孔盖底座和接线盘之间以O型圈密封，接线盘底端通过螺纹旋接一进水管，一喷水孔盖通过螺纹旋接到喷水孔盖底座上；所述喷水孔盖上均匀分布若干个喷水口；所述内腔体内部设有一中空回流腔，回流腔对应内腔体上表面设有一环形回流口，回流腔对应内腔体下表面设有若干个出水口，出水口通过螺纹连接出水管。
进一步的，所述进水管的管口面积大于喷水口的总面积，喷水口的总面积大于出水管的管口总面积。
优选的，所述出水口设为两个。
优选的，所述上腔体和下腔体由PVC材料制成。
本发明一种铝活塞顶面热障涂层制备方法，包括以下步骤：
（一）氧化液配制：氧化液各组分质量百分比为：稳定剂4.6-6.6%；硫酸30-40%；其余为去离子水；
（二）氧化连接：将活塞放入本发明所述的制备装置上腔体内，活塞连接电源阳极，接线盘连接电源阴极，压紧活塞，进水管通过耐酸软管连接到氧化液中，出水管通过耐酸软管连接流量计，流量计一端通过耐酸软管连接到氧化液中，一端连接电磁泵，连接好后然后启动电磁泵，待制备装置内的封闭空间形成负压，当形成液流流量超过4m3/h，此时开启电源开始氧化，氧化温度0-6℃；
（三）氧化：反应开始阶段电源电流以0.2-0.3A/dm2/S的速度逐渐上升，经过20-60S后，电源电流达到并维持在8-15A/dm2，进入恒电流阶段，维持10-20min，然后电源电流以1-2A/dm2/min的速度下降，直至下降至恒电流值的1/4后停止，至此氧化过程结束，得到所需涂层；过程中设定电源电压极限160V。
作为优选方案：
所述步骤（一）中，所用硫酸的质量分数为98%。
所述步骤（一）中稳定剂中各组分质量百分比为：水合硫酸氢钠60-80%；十六水合硫酸铝10-20%；硝酸钠7-11%；五水合硫酸铜4-6%；酒石酸0.8-1.2%。
所述步骤（二）中阴极阳极比为：（0.8-1）：1。
所述步骤（二）中压紧活塞通过铜制圆盘压紧，铜制圆盘直径大于活塞直径，铜制圆盘向上连接压紧装置；铜制圆盘导线连接电源阳极。
所述压紧装置为气缸装置或电缸装置或螺杆装置。
本发明的有益效果：
一、本发明氧化采用变化电流方式，提高了涂层的致密性和表面质量，也使得不同厚度下涂层的管状组织发生变化，进一步降低了涂层的导热系数。
二、采用特制的制备装置，将活塞放入自制的装置中氧化，氧化液均匀喷射到活塞表面，提高了涂层厚度的均匀性，并可实现局部氧化功能；并将阴极阳极比控制在一定范围内，使得涂层厚度更加均匀，电流效率高。
三、制备的涂层厚度可达到120-200μm，厚度均匀性好，重复性好。
四、制备的涂层热障效果明显，厚度为160μm的涂层可使基体降低约25℃。
附图说明
图1为本发明制备装置的爆炸结构示意图。
图2为本发明制备装置的氧化液流向结构示意图。
图3为本发明氧化工作过程中的结构示意图。
图4为本发明制备装置组装后的结构示意图。
图5为本发明制备装置下腔体部分结构剖视图。
图6为本发明制备装置下腔体部分结构俯视图。
图中，1活塞，2锥形密封圈，3喷水孔盖底座，5下腔体，6出水管，7进水管，8接线盘，9喷水孔盖，10上腔体，11内腔体，12圆形台阶，13喷水口,14回流腔,15回流口,16压紧装置,17铜制圆盘,18电源,19电磁泵，20流量计，21耐酸软管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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，本领域技术人员在没有作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。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明自制了一种铝活塞顶面热障涂层的制备装置，包括上腔体10和下腔体5，上腔体10和下腔体5的外径相等，在上腔体10和下腔体5四周分别设有对应的螺栓孔，上腔体10和下腔体5之间通过螺栓固定连接在一起，并且上腔体10和下腔体5之间通过O型圈密封。上腔体10和下腔体5均采用不导电的材料制成，优选的，上腔体10和下腔体5由PVC材料制成。
在上腔体10内设有一卡槽，一锥形密封圈2放入卡槽中并与卡槽过盈配合。在下腔体5内一体设有一内腔体11，内腔体11向内一体凸出一圆形台阶12，圆形台阶12上设有螺栓孔，一喷水孔盖底座3和一接线盘8分别从下腔体5上端和下端通过螺栓固定在圆形台阶12上，并且喷水孔盖底座3和接线盘8之间以O型圈密封。在接线盘8底端通过螺纹旋接一进水管7，在喷水孔盖底座3的上端通过螺纹旋接一喷水孔盖9。所述喷水孔盖9上均匀分布若干个喷水口13，用于将氧化液均匀喷射到活塞1表面。
在上述的内腔体11内部还设有一中空的回流腔14，回流腔14对应内腔体11上表面设有一环形回流口15，回流腔14对应内腔体11下表面设有若干个出水口，出水口通过螺纹连接出水管6。本实施例优选的，出水口设为两个。
这样，在上腔体10和下腔体5内部就形成了一氧化液通道，使用时，将活塞1放入上腔体10内压紧，这样氧化液从进水管7进入，经过接线盘8、喷水孔盖底座3然后从喷水孔盖9的喷水口13均匀喷射到活塞1表面进行氧化，喷射后的氧化液落下从回流腔14的环形回流口15流入，然后从回流腔14底端的出水口和出水管6流出。
喷水孔盖9的喷水口13的数量、大小、分布按照活塞1待处理区域形状设计，要求在可能产生湍流的阴影区设置对应的喷水口13。整体进水口面积和出水口面积应遵循下面的原则：进水管7的管口面积大于喷水口13的总面积，喷水口13的总面积大于出水管6的管口总面积。这样可以使活塞1氧化区域冷却效果趋于一致，防止因局部过热造成烧蚀而使反应终止，同时也可以提高涂层厚度的均匀性。
上述的制备装置的组装流程简单介绍如下：以下腔体5为基础，将喷水孔盖底座3和接线盘8分别从下腔体5两端放入，以螺栓紧固，喷水孔盖底座3和接线盘8之间以O型圈密封；然后将喷水孔盖9螺纹安装到喷水孔盖底座3上；再将出水管6、进水管7通过螺纹连接到下腔体5上；然后上腔体10使用螺栓连接到下腔体5上，并且两者以O型圈密封；将锥形密封圈2安装到上腔体10的卡槽中，两者过盈配合。制备装置组装好后，分别将出水管6、进水管7连接到氧化液中，并连接电源18、电磁泵19、流量计20等装置即可进行氧化。
本发明还包括一种铝活塞1顶面热障涂层制备方法，制备应用上述的制备装置，具体包括以下步骤：
（一）氧化液配制
所用氧化液的各组分质量百分比为：稳定剂4.6-6.6%；硫酸30-40%；其余为去离子水。稳定剂在氧化液中的作用为提高氧化液中铝离子浓度，降低氧化膜溶解速度，提高导电能力。本发明优选的稳定剂的各组分质量百分比为：水合硫酸氢钠（NaHSO4·H2O）60-80%；十六水合硫酸铝（Al2(SO4)3·16H2O）10-20%；硝酸钠（NaNO3）7-11%；五水合硫酸铜（CuSO4·5H2O）4-6%；酒石酸（C4H6O6）0.8-1.2%。现有的一些用于氧化阳极的稳定剂均可以，本实施例优选上述的稳定剂配方。且本实施例所用的稳定剂的各组分质量百分比为：水合硫酸氢钠70%；十六水合硫酸铝15%；硝酸钠9%；五水合硫酸铜5%；酒石酸1%。
优选的，上述所用硫酸的质量分数为98%。
（二）氧化连接
将活塞1放入本发明上述的制备装置内，待氧化的活塞1卡紧在锥形密封圈2上，将活塞1连接电源18阳极，接线盘8连接电源18阴极，压紧活塞1，这里所用的电源18为氧化常用的电源，不再过多介绍。这里压紧活塞1有多种方式，人工压紧也可，通过设备压紧也可，比如可以将本发明的制备装置固定在现有的氧化设备上，通过氧化设备上的压紧装置16进行压紧，一般压紧装置16下端连接一铜制圆盘17，铜制圆盘17直径大于活塞1直径，铜制圆盘17压紧活塞1，铜制圆盘17通过导线连接电源18阳极。也可以制作一简易支架，将本发明的制备装置固定在简易支架上，在简易支架上安装有压紧装置16，同样一般压紧装置16下端连接铜制圆盘17，通过铜制圆盘17压紧活塞1。当然，压紧活塞1还有多种形式，只要能达到本发明的压紧目的现有的压紧方式均在本发明的保护范围内。同时压紧装置16也有好多种，比如气缸装置或电缸装置或螺杆装置等，均在本发明的保护范围内。将制备装置进水管7通过耐酸软管21连接到氧化液中，出水管6通过耐酸软管21连接流量计20，流量计20一端通过耐酸软管21连接到氧化液中，一端连接电磁泵19。
等都连接好后，压紧活塞1，制备装置内部即形成由活塞1、锥形密封圈2、喷水孔盖底座3、O型圈、下腔体5、出水管6、进水管7、接线盘8、喷水孔盖9、上腔体10组成的封闭空间，启动电磁泵19，使制备装置内的封闭空间形成负压，氧化液在电磁泵19的驱动下依次经过耐酸软管21、进水管7、接线盘8、喷水孔盖底座3、喷水孔盖9，喷射到活塞1顶面，然后经上腔体10、下腔体5、回流腔14、出水管6、电磁泵19、流量计20回流至氧化槽中，此时活塞1、制备装置内的氧化液、喷水孔盖9、喷水孔盖底座3、接线盘8、导线、电源18即可形成电流回路，当流量计20达到设定数值时开启电源18即可开始氧化。当流量计20流量超过4m3/h时开启电源18，根据厚度需求调整电流曲线、氧化时间即可。
（三）氧化
氧化温度为0-6℃最佳，本实施例氧化温度为4℃，氧化时阴极阳极比控制在（0.8-1）:1，距离为20-30mm，这样所得涂层厚度均匀，电流效率高。反应开始阶段电源18电流以0.2-0.3A/dm2/S的速度逐渐上升，目的是提高开始阶段涂层的致密性，提高最终涂层表面质量，经过20-60S后，电源18电流达到并维持在8-15A/dm2，进入恒电流阶段，维持10-20min，该阶段涂层厚度迅速增长，当涂层增加至一定厚度时，涂层散热能力迅速变差，然后电源18电流以1-2A/dm2/min的速度下降，以减少热量产生，直至下降至恒电流值（8-15A/dm2）的1/4后停止，至此氧化过程结束，得到所需涂层；过程中设定电源18电压极限160V。
采用以上电流模式，在有效控制涂层质量、减少热量的同时，也使得不同厚度下涂层的管状组织发生变化，进一步降低涂层的导热系数。
本发明制备的涂层厚度可达到120-200μm，所得涂层厚度均匀性好，重复性好，热障效果明显，经测试，制作的厚度为160μm的涂层可使基体降低约25℃。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种铝活塞顶面热障涂层制备装置，其特征在于：包括外径相等的上腔体（10）和下腔体（5），上腔体（10）和下腔体（5）四周分别设有对应的螺栓孔，上腔体（10）和下腔体（5）之间通过螺栓固定连接并以O型圈密封；所述上腔体（10）内设有卡槽，锥形密封圈（2）放入卡槽中并与卡槽过盈配合；所述下腔体（5）内一体设有一内腔体（11），内腔体（11）向内一体凸出一圆形台阶（12），一喷水孔盖底座（3）和一接线盘（8）分别从下腔体（5）上端和下端通过螺栓固定在圆形台阶（12）上，喷水孔盖底座（3）和接线盘（8）之间以O型圈密封，接线盘（8）底端通过螺纹旋接一进水管（7），一喷水孔盖（9）通过螺纹旋接到喷水孔盖底座（3）上；所述喷水孔盖（9）上均匀分布若干个喷水口（13）；所述内腔体（11）内部设有一中空回流腔（14），回流腔（14）对应内腔体（11）上表面设有一环形回流口（15），回流腔（14）对应内腔体（11）下表面设有若干个出水口，出水口通过螺纹连接出水管（6）。
2.根据权利要求1所述的铝活塞顶面热障涂层制备装置，其特征在于：所述进水管（7）的管口面积不小于喷水口（13）的总面积，喷水口（13）的总面积不小于出水管（6）的管口总面积。
3.根据权利要求1所述的铝活塞顶面热障涂层制备装置，其特征在于：所述出水口设为两个。
4.根据权利要求1所述的铝活塞顶面热障涂层制备装置，其特征在于：所述上腔体（10）和下腔体（5）由PVC材料制成。
5.一种铝活塞顶面热障涂层制备方法，包括以下步骤：
（一）氧化液配制：氧化液各组分质量百分比为：稳定剂4.6-6.6%；硫酸30-40%；其余为去离子水；
（二）氧化连接：将活塞（1）放入权利要求1-4任一项所述的制备装置内，活塞（1）连接电源（18）阳极，接线盘（8）连接电源（18）阴极，压紧活塞（1），进水管（7）通过耐酸软管（21）连接到氧化液中，出水管（6）通过耐酸软管（21）连接流量计（20），流量计（20）一端通过耐酸软管（21）连接到氧化液中，一端连接电磁泵（19），连接好后然后启动电磁泵（19），待制备装置内的封闭空间形成负压，形成液流且当流量超过4m3/h，此时开启电源（18）开始氧化，氧化温度0-6℃；
（三）氧化：反应开始阶段电源（18）电流以0.2-0.3A/dm2/S的速度逐渐上升，经过20-60S后，电源（18）电流达到并维持在8-15A/dm2，进入恒电流阶段，维持10-20min，然后电源（18）电流以1-2A/dm2/min的速度下降，直至下降至恒电流值的1/4后停止，至此氧化过程结束，得到所需涂层；过程中设定电源（18）电压极限160V。
6.根据权利要求5所述的铝活塞顶面热障涂层制备方法，其特征在于：所述步骤（一）中，所用硫酸的质量分数为98%。
7.根据权利要求5所述的铝活塞顶面热障涂层制备方法，其特征在于：所述步骤（一）中稳定剂中各组分质量百分比为：水合硫酸氢钠60-80%；十六水合硫酸铝10-20%；硝酸钠7-11%；五水合硫酸铜4-6%；酒石酸0.8-1.2%。
8.根据权利要求5所述的铝活塞顶面热障涂层制备方法，其特征在于：所述步骤（二）中阴极阳极比为：（0.8-1）：1。
9.根据权利要求5所述的铝活塞顶面热障涂层制备方法，其特征在于：所述步骤（二）中压紧活塞（1）通过铜制圆盘（17）压紧，铜制圆盘（17）直径大于活塞（1）直径，铜制圆盘（17）向上连接压紧装置（16）；铜制圆盘（17）导线连接电源（18）阳极。
10.根据权利要求9所述的铝活塞顶面热障涂层制备方法，其特征在于：所述压紧装置（16）为气缸装置或电缸装置或螺杆装置。
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Denomination of invention: A device and method for preparing thermal barrier coatings on the top surface of aluminum pistons Granted publication date: 20190920 Pledgee: Binzhou branch of China CITIC Bank Co.,Ltd. Pledgor: BINZHOU BOHAI PISTON Co.,Ltd. Registration number: Y2024980014544 |