CN110307102A - 一种带微织构绝热涂层的活塞及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带微织构绝热涂层的活塞，包括活塞本体；形成于所述活塞本体的顶部的具有一定厚度的硬质阳极氧化层；从所述硬质阳极氧化层的顶面沿活塞本体的轴向贯穿至所述活塞本体内部且沿所述活塞本体的径向平行排列的多个孔隙结构；以及形成于所述硬质阳极氧化层的顶面且用于对所述孔隙结构进行封孔的封孔层。本发明还提供一种带微织构绝热涂层的活塞的制作方法，包括如下步骤：制作活塞本体；在所述活塞本体的顶部形成具有一定厚度的硬质阳极氧化层；形成多个沿所述活塞本体的径向平行排列且从所述硬质阳极氧化层的顶面沿活塞本体的轴向贯穿至所述活塞本体内部的孔隙结构；在所述硬质阳极氧化层的顶面形成封孔层。

Description

一种带微织构绝热涂层的活塞及其制作方法

技术领域

本发明涉及活塞领域，特别是涉及一种带微织构绝热涂层的活塞及其制作方法。

背景技术

近年来，为应对能源危机及气候变化，各国发布了更严苛的油耗排放法规。作为车用动力源，汽油机仍将存在相当长时间，汽车厂商需不断提升整车燃油经济性。根据国家2016年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》，乘用车新车平均油耗将分别达到2020年5.0L/100Km，2025年4.0L/100Km，2030年3.2L/100Km。乘用车汽油机2020年热效率将达到40％，2025年热效率将达到44％，2030年热效率将达到48％。对于发动机热效率的提升，绝热技术是提高途径之一。若使绝热技术与稀燃技术结合使用，可在提高排气温度的同时大幅度降低NOx的排放，以满足国家对NOx排放的限值要求。

然而，传统燃烧室的绝热涂层是由陶瓷制成，陶瓷具有低热导率、高热容量和脆性大的特点。在传统燃烧室工作过程中，在活塞处于压缩冲程时，活塞顶面温度升高，而在活塞处于进气冲程和排气冲程时，由于陶瓷的热容量高且热导率低，活塞顶面温度仍旧较高，而气缸吸入的空气是处于常温的温度较低的空气，这样在进气冲程时会出现充气效率恶化的情况。另外，如果活塞顶面温度一直较高也易造成爆震的情况，活塞的使用寿命也会降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低热容、低热导的，在进气冲程中，可以使活塞顶部温度随着进气温度降低而降低，从而不改变进气冲程充气效率的带微织构绝热涂层的活塞。

本发明提供一种带微织构绝热涂层的活塞，包括活塞本体；

形成于所述活塞本体的顶部的具有一定厚度的硬质阳极氧化层；

从所述硬质阳极氧化层的顶面沿活塞本体的轴向贯穿至所述活塞本体内部且沿所述活塞本体的径向平行排列的多个孔隙结构；以及

形成于所述硬质阳极氧化层的顶面且用于对所述孔隙结构进行封孔的封孔层。

进一步地，所述硬质阳极氧化层的厚度为80μm-90μm，所述孔隙结构的深度为90μm-120μm，由所述硬质阳极氧化层、所述孔隙结构及所述封孔层形成的绝热涂层的厚度为95μm-125μm。

进一步地，所述孔隙结构未封孔前的孔隙率为50±5％，所述封孔层封孔后的封孔率为40±2％。

进一步地，所述封孔层为氧化硅封孔层。

进一步地，所述孔隙结构的在所述硬质阳极氧化层内的部分为长条状，所述孔隙结构的在所述活塞本体内的部分为球状。

本发明还提供一种带微织构绝热涂层的活塞的制作方法，包括如下步骤：

制作活塞本体；

在所述活塞本体的顶部形成具有一定厚度的硬质阳极氧化层；

形成多个沿所述活塞本体的径向平行排列且从所述硬质阳极氧化层的顶面沿活塞本体的轴向贯穿至所述活塞本体内部的孔隙结构；

在所述硬质阳极氧化层的顶面形成封孔层。

进一步地，所述硬质阳极氧化层的厚度为80μm-90μm，所述孔隙结构的深度为90μm-120μm，由所述硬质阳极氧化层、所述孔隙结构及所述封孔层形成的绝热涂层的厚度为95μm-125μm。

进一步地，以未封孔前的孔隙率为50±5％的方式形成所述孔隙结构，以封孔后的封孔率为40±2％的方式形成所述封孔层。

进一步地，所述封孔层为氧化硅封孔层。

进一步地，所述孔隙结构的在所述硬质阳极氧化层内的部分为长条状，所述孔隙结构的在所述活塞本体内的部分为球状。

由于本发明的带微织构绝热涂层的活塞具备在活塞本体和硬质阳极氧化层内形成的由多个孔隙结构形成的微织构，使得本发明的带微织构绝热涂层的活塞具备低热容、低热导的物理性能，因此活塞顶面温度容易随着缸内温度变化而变化，即活塞在压缩冲程时，活塞顶面温度升高；活塞在进气冲程和排气冲程时，活塞顶面温度随着外界的常温空气降低，这样不会出现进气冲程时由于活塞温度一直较高而导致充气效率恶化的情况，从而克服了传统陶瓷绝热涂层进气冲程时充气效率低的缺点。

附图说明

图1为本发明一实施例的带微织构绝热涂层的活塞的燃烧系统布置图。

图2为本发明一实施例的在活塞本体上形成了硬质阳极氧化层后的结构示意图。

图3为本发明一实施例的活塞本体内部及硬质阳极氧化层上形成了孔隙结构后的结构示意图。

图4为本发明一实施例的在孔隙结构上形成了封孔层后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明一实施例的带微织构绝热涂层的活塞的燃烧系统布置图，如图1所示，该系统包括进气道1、进气门2、高能点火器3、喷油器4、带微织构绝热涂层活塞5、排气门6和排气道7。外界空气通过进气道1经由进气门2进入缸体内，汽油经由喷油器4进入缸体内并和空气混合，高能点火器3点火，使汽油在缸体内的空气中燃烧产生热量，由此使带微织构绝热涂层活塞5向下运动开始作功。同时，产生的排气(碳氧化物、氮氧化物等)经由排气门6通过排气道7向外排出。

请一并结合图2-4，本发明一实施例的带微织构绝热涂层的活塞包括活塞本体a；形成于活塞本体a的顶部的具有一定厚度的硬质阳极氧化层b；从硬质阳极氧化层b的顶面沿活塞本体a的轴向(即，活塞的运动方向)贯穿至活塞本体a内部且沿活塞本体a的径向(即，与活塞的运动方向垂直的方向)平行排列的多个孔隙结构c；以及形成于硬质阳极氧化层b的顶面且用于对孔隙结构c进行封孔的封孔层d。

在本实施例中，活塞本体a为铝合金活塞本体，但并不限于此，例如活塞本体还可以为铸铁活塞本体、钢活塞本体等。硬质阳极氧化层通过电化学方法适配合适的电流密度、槽液浓度、反应温度等生成，具体地，铝合金活塞本体发生氧化反应产生铝氧化物等而生成硬质阳极氧化层。硬质阳极氧化层b的厚度优选为80μm-90μm，硬质阳极氧化层b的厚度在80μm-90μm时，在保证低导热性和低热容性的同时能获得较好的硬度及稳定性。

多个孔隙结构c形成微织构，多个孔隙结构c通过激光微织构加工方法形成，通过控制激光能量和焦点距离，使孔隙结构c未封孔前的孔隙率(硬质阳极氧化层横剖后孔隙结构c所占面积和硬质阳极氧化层所占整体面积的比值)优选在50±5％，孔隙结构c的深度优选在90μm-120μm。由于铝合金活塞本体较硬质阳极氧化层更易熔融，孔隙结构c的在硬质阳极氧化层b内的部分形成为长条状，孔隙结构c的在铝合金活塞本体内的部分(即孔隙结构c的底部)形成为球状。该微织构直接在活塞本体上生成，结合度强。

封孔层d通过聚硅氮烷先驱体转换法制备，在本实施例中，封孔层d为氧化硅封孔层。封孔层d封孔后的封孔率(孔隙结构c封孔后被封部分的体积和孔隙结构c封孔前的整体体积的比值)优选为40±2％。由硬质阳极氧化层b、孔隙结构c及封孔层d形成的绝热涂层的厚度优选为95μm-125μm。

由于本发明的带微织构绝热涂层的活塞具备在活塞本体和硬质阳极氧化层内形成的由多个孔隙结构c形成的微织构，使得本发明的带微织构绝热涂层的活塞具备低热容、低热导的物理性能，因此活塞顶面温度容易随着缸内温度变化而变化，即活塞在压缩冲程时，活塞顶面温度升高；活塞在进气冲程和排气冲程时，活塞顶面温度随着外界的常温空气降低，这样不会出现进气冲程时由于活塞温度一直较高而导致充气效率恶化的情况，从而克服了传统陶瓷绝热涂层进气冲程时充气效率低的缺点。

理论上，孔隙结构c未封孔前的孔隙率越高，封孔层d封孔后的封孔率越高，带微织构绝热涂层的活塞热容越低，热导性也越低，但是孔隙结构c未封孔前的孔隙率过高，或者封孔层d的封孔后封孔率过高，会使得该结构的硬度过低，结构稳定性变差。因此，硬质阳极氧化层b的厚度优选为80μm-90μm，孔隙结构c的深度优选在90μm-120μm，孔隙结构c未封孔前孔隙率优选在50±5％，封孔层d封孔后封孔率优选为40±2％，由硬质阳极氧化层b、孔隙结构c及封孔层d形成的绝热涂层的厚度优选为95μm-125μm。

另外，本发明还提供一种带微织构绝热涂层的活塞的制作方法，包括如下步骤：

制作活塞本体a；

在活塞本体a的顶面通过电化学方式形成80μm-90μm厚的硬质阳极氧化层b；

通过激光微织构加工方法形成多个沿活塞本体a的径向平行排列的从硬质阳极氧化层b的顶面沿沿活塞本体a的轴向贯穿至活塞本体a内部的深度为90μm-120μm的孔隙结构c；

通过聚硅氮烷先驱体转换法在硬质阳极氧化层b的顶面形成封孔层d，且由硬质阳极氧化层b、孔隙结构c及封孔层d形成的绝热涂层的厚度为95μm-125μm。

优选地，以未封孔前孔隙率为50±5％的方式形成孔隙结构c，以封孔后封孔率为40±2％的方式形成封孔层d。在本实施例中，封孔层d具体为氧化硅封孔层，但并不限于此。由于铝合金活塞本体较硬质阳极氧化层更易熔融，孔隙结构c的在硬质阳极氧化层b内的部分形成为长条状，孔隙结构c的在铝合金活塞本体内的部分(即孔隙结构c的底部)形成为球状。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种带微织构绝热涂层的活塞，包括活塞本体(a)，其特征在于，还包括：

形成于所述活塞本体(a)的顶部的具有一定厚度的硬质阳极氧化层(b)；

从所述硬质阳极氧化层(b)的顶面沿活塞本体的轴向贯穿至所述活塞本体(a)内部且沿所述活塞本体(a)的径向平行排列的多个孔隙结构(c)；以及

形成于所述硬质阳极氧化层(b)的顶面且用于对所述孔隙结构(c)进行封孔的封孔层(d)。

2.如权利要求1所述的带微织构绝热涂层的活塞，其特征在于，所述硬质阳极氧化层(b)的厚度为80μm-90μm，所述孔隙结构(c)的深度为90μm-120μm，由所述硬质阳极氧化层(b)、所述孔隙结构(c)及所述封孔层(d)形成的绝热涂层的厚度为95μm-125μm。

3.如权利要求1所述的带微织构绝热涂层的活塞，其特征在于，所述孔隙结构(c)未封孔前的孔隙率为50±5％，所述封孔层(d)封孔后的封孔率为40±2％。

4.如权利要求1所述的带微织构绝热涂层的活塞，其特征在于，所述封孔层(d)为氧化硅封孔层。

5.如权利要求1所述的带微织构绝热涂层的活塞，其特征在于，所述孔隙结构(c)的在所述硬质阳极氧化层(b)内的部分为长条状，所述孔隙结构(c)的在所述活塞本体(a)内的部分为球状。

6.一种带微织构绝热涂层的活塞的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

制作活塞本体(a)；

在所述活塞本体(a)的顶部形成具有一定厚度的硬质阳极氧化层(b)；

形成多个沿所述活塞本体(a)的径向平行排列且从所述硬质阳极氧化层(b)的顶面沿活塞本体的轴向贯穿至所述活塞本体(a)内部的孔隙结构(c)；

在所述硬质阳极氧化层(b)的顶面形成封孔层(d)。

7.如权利要求6所述的带微织构绝热涂层的活塞的制作方法，其特征在于，所述硬质阳极氧化层(b)的厚度为80μm-90μm，所述孔隙结构(c)的深度为90μm-120μm，由所述硬质阳极氧化层(b)、所述孔隙结构(c)及所述封孔层(d)形成的绝热涂层的厚度为95μm-125μm。

8.如权利要求6所述的带微织构绝热涂层的活塞的制作方法，其特征在于，以未封孔前孔隙率为50±5％的方式形成所述孔隙结构(c)，以封孔后的封孔率为40±2％的方式形成所述封孔层(d)。

9.如权利要求6所述的带微织构绝热涂层的活塞的制作方法，其特征在于，所述封孔层(d)为氧化硅封孔层。

10.如权利要求6所述的带微织构绝热涂层的活塞的制作方法，其特征在于，所述孔隙结构(c)的在所述硬质阳极氧化层(b)内的部分为长条状，所述孔隙结构(c)的在所述活塞本体(a)内的部分为球状。