CN110484949A - 采用等离子体液相电解沉积制备活塞环表面陶瓷膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种采用等离子体液相电解沉积制备活塞环表面陶瓷膜的方法；当采用该方法对活塞环进行表面处理时，先将待处理活塞环作为阴极，置入等离子体液相电解沉积系统中，在待处理表面渗入阀金属铝，之后再将被处理活塞环作为等离子体液相电解沉积系统的阳极，配合不锈钢环形阴极，在工件待处理表面形成陶瓷强化膜；采用本发明所述的方法，制备出的陶瓷膜厚度均匀，与基体的结合强度可达20MPa，能有效解决目前钢制活塞环表面制备的陶瓷膜与基体结合强度低和厚度不均匀等问题；本发明所述的方法实施方便、环境适应性好、生产效率高且成本较低，适用于大规模工业生产。

Description

采用等离子体液相电解沉积制备活塞环表面陶瓷膜的方法
技术领域
本发明涉及内燃机和钢铁表面处理技术领域，特别涉及钢制内燃机活塞环的表面处理技术。
背景技术
活塞环是内燃机的重要零部件，其性能对内燃机的可靠性、耐久性、经济性以及环保性能有着重要的影响。近年来，随着发动机不断向高功率密度、高转速、低燃油消耗和低有害排放等方向发展，对活塞环的热疲劳强度、抗高温腐蚀和抗高温磨损等性能的要求变得更为苛刻。
内燃机活塞环在工作过程中的运动及受力十分复杂，在作高速高频往复运动的同时，还在环槽中进行着激烈的振动，需承受热应力及燃气高爆发压力。受高温高压燃气的侵蚀，工作环境十分恶劣，对其耐磨损性能提出了极高的要求。钢制活塞环因其热疲劳强度较高，在经过适当的表面处理后能同时具备高强度、高耐磨、耐拉缸和耐腐蚀等性能，已经得到了广泛使用。
目前钢制活塞环主要采用氮化、热喷涂和物理气相沉积（PVD）等表面处理技术。钢制活塞环经表面氮化处理后能在其表面形成耐磨氮化层，大大降低了活塞环—缸套摩擦副之间的摩损。但目前常用的氮化工艺处理时间长、能耗高。热喷涂处理可大幅减少活塞环—缸套摩擦副之间的摩擦系数，但涂层脆性大、高温稳定性较差。采用PVD法制备的涂层兼具较好的稳定性和耐磨性，但采用该方法制备的涂层与基体的结合力较弱，且当涂层厚度超过一定限值时，极易产生裂纹。
等离子体液相电解沉积（PED）是一种新兴的表面处理技术，该技术通常用于铝、镁等金属或合金材料表面陶瓷膜或氧化膜的制备。采用该技术方法时，一般将待处理的工件置入盛放有特定成分及浓度溶液的不锈钢容器中，以待处理工件为阳极，不锈钢容器为阴极，在两极之间施加电压，保持恒流并调节电压使之始终小于击穿电压，在溶液与待处理工件接触界面上形成氧化膜。提高工作电压击穿氧化膜，形成弧光放电，使溶液电离产生的硅酸根或铝酸根离子在高电场强度条件下依靠电泳作用吸附并沉积在工件表面，形成陶瓷膜。专利CN105568343A和CN102296339A叙述的方法其工作原理便如上述。PED膜层在厚度、致密性、耐蚀性、结合强度等方面较传统膜层或涂层有较大提高。
然而，受材料本身性质影响，PED不能直接用于钢铁材料，制备钢铁表面PED陶瓷膜时，需要先采用喷涂或热浸镀等方式在钢铁表面制备阀金属层，再进行PED处理。该方法工序繁琐、成本较高，大大降低了PED技术高效率低成本的优势。且采用该方法在钢制活塞环表面制备的陶瓷膜与基体的结合强度较现有的活塞环表面镀层制备技术并没有明显提高，很难满足高功率密度、高转速发动机的需求。
因此，对现有基于PED技术的陶瓷膜制备方法进行改进，在提高处理效率、降低生产成本的同时，保证膜层与钢制环基体的高强度结合，是将PED技术这一极具发展前景的表面处理方法应用于钢制活塞环表面处理亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用等离子体液相电解沉积制备活塞环表面陶瓷膜的方法，该方法可在活塞环表面形成与基体结合力强、耐高温磨损和耐高温腐蚀的陶瓷膜，从而提高活塞环的耐磨性、耐蚀性以及耐久性等性能。
为了实现以上技术目标，本发明采用的具体技术方案如下：
一种采用等离子体液相电解沉积制备活塞环表面陶瓷膜的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：配制反应溶液。本发明需要配制阴极和阳极两种类型反应溶液。其中，阴极反应溶液主要由溶剂、渗剂和活性剂组成，阳极反应溶液主要由溶剂、成膜剂组成。
步骤二：工件预处理。用金相砂纸将待处理活塞环外圆面打磨至粒度为1000#，丙酮清洗并擦拭干净后，在活塞环上下台阶面、内径面和端面等无需表面镀膜处理表面涂覆耐高温绝缘漆。其中，上下台阶面靠近端面两侧需为活塞环夹具预留出5mm避免绝缘漆涂覆，保证工件和活塞环夹具之间具有良好的导电性能。
步骤三：活塞环电解沉积表面处理。（1）将预处理过的活塞环置入盛放有阴极反应溶液的绝缘容器中，以待处理的活塞环为阴极、不锈钢环形电极为阳极，调整好两极间距后施加直流方波脉冲电压，在溶液与活塞环待处理面间形成弧光放电，使溶液中的渗剂与活性剂在高温下发生化学反应产生活性铝离子，在强电场作用下活性铝离子进入待处理表面金属晶体空位或与待处理表面Fe原子直接交换，实现金属铝在活塞环待处理表面的渗入与扩散。（2）将经步骤三（1）处理过的活塞环置入盛放有阳极反应溶液的绝缘容器中，以活塞环工件为阳极、不锈钢环形电极为阴极，调整好两极间距后通电，使已渗入表面的铝氧化并在待处理表面形成氧化膜，提高工作电压，在活塞环待处理表面形成弧光放电，电离反应溶液中的成膜剂，在待处理表面形成陶瓷膜。
所述步骤一中，阴极反应溶液的溶剂由甘油和去离子水组成。其中，甘油质量百分比为75-90%，去离子水质量百分比为10-25%。渗剂为铝金属粉末，粒度0.5-1.2μm，浓度为2-5g/L。活性剂为氯化铵，浓度为5-10g/L。所述的阳极反应溶液的溶剂为去离子水。成膜剂分为可溶成膜剂与固态成膜剂。可溶成膜剂可采用（1）铝酸盐体系或（2）硅酸盐体系；其中（1）铝酸盐体系由浓度为10-20g/L的铝酸钠或偏铝酸钠和浓度为1-3g/L的磷酸二氢钠组成；（2）硅酸盐体系由浓度为15-30g/L的硅酸钠和浓度为0.8-1.5g/L的次磷酸钠组成。固态成膜剂为氧化铝粉末，粒度2-5μm，浓度为5-10g/L。本发明所使用的含有粉末颗粒的反应溶液在使用前需经超声波震荡5min以上，以实现均匀混合。
所述步骤二中，待处理活塞环为定型、清洗工序后未经其他处理的活塞环。
所述步骤三中，采用该方法处理活塞环时，不锈钢环形电极与待处理活塞环需进行轴向与径向定位，轴向定位需保证待处理活塞环外圆柱面处于不锈钢环形电极内圆柱面包裹之中；径向定位需保证两者同心度偏差不大于2mm。环形电极内圆柱面与活塞环待处理外圆柱面径向间距为5-10mm。电极与活塞环放置示意图见附图2。
所述步骤三中，待处理活塞环在阴极反应溶液中处理时的工作电压为400-600 V，电源频率为500-2000Hz，占空比30%-50%；所述处理时间在15-30 min范围内且待处理表面温度处于700-900℃范围内的时间不少于8min。待处理活塞环在阳极反应溶液中处理时的工作电流密度为0.2A/cm2-0.45A/cm2，电源频率为500-2000Hz，占空比30%-50%；所述处理时间为10-20 min。
本发明的原理为：待处理活塞环作阴极处理时，在溶液与活塞环待处理表面之间形成弧光放电并加热待处理工件，使溶液中的渗剂与活性剂在高温下发生化学反应产生活性铝离子，在强电场作用下活性铝离子进入待处理表面金属晶体空位或与待处理表面Fe原子直接交换，实现铝金属在活塞环待处理表面的渗入及扩散。
待处理活塞环作阳极处理时，之前已渗入表面的铝被氧化并在待处理表面形成氧化膜，阻碍了电流的通过，为形成微弧放电区创造了条件，是陶瓷膜形成的基础。提高装置工作电压，在活塞环待处理表面与溶液之间建立强电场，超过击穿场强后形成弧光放电，电离溶液中的成膜剂并使其沉积在待处理表面，从而形成陶瓷膜。
本发明所采用的不锈钢环形电极使得活塞环待处理表面各处电势差相同，有效解决了待处理表面放电不均匀的问题，有利于在待处理表面形成均匀致密的陶瓷膜。
本发明具有的有益效果：本发明所述的方法，可以在开放的大气环境下进行，对工作环境无特殊要求，环境适应性好；本发明采用的反应溶液配制方便，价格低廉。本发明通过对待处理活塞环阴阳两次PED处理，可在钢制活塞环上成功制备出与基体结合强度高、耐磨损和耐腐蚀的陶瓷强化膜。采用本发明所述方法制备的活塞环能满足高功率密度、高转速发动机的需求，在减少发动机摩擦功的同时，保证较低的油耗和排放。本发明所述方法实施方便、环境适应性好、生产效率高且成本较低，适用于大规模工业生产，有效解决了目前基于PED技术的钢制活塞环基体与膜层结合强度低、工艺复杂、生产效率低、成本高的问题。
附图说明
图1是本发明所述方法采用的PED反应装置结构示意图；
图1中，1. 搅拌器，2. 直流脉冲电源，3. 工作单元，4. 水泵，5.绝缘容器，6. 绝缘垫，7. 冷却水套。
图2是工作单元示意图；
图2中，8. 不锈钢环形电极，9. 活塞环夹具，10. 待处理活塞环。
图3是采用本发明所述方法进行表面处理后所获得的内燃机钢制活塞环断面结构示意图；
图3中，11. 陶瓷膜，12. 阀金属渗入/扩散层，13. 基体。
图4是本发明所述方法的处理流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明所述的技术方案做进一步详细说明。
实现本发明的装置结构示意图如图1所示，主要由搅拌器1，直流脉冲电源2，工作单元3，水泵4；绝缘容器5；绝缘垫6和冷却水套7组成。
直流脉冲电源1，可输出电压范围：0-1000 V，工作电流范围：0-10 A，占空比0-100%可调节，电源频率100-3000Hz可调节，输出电压及电流与设定值之间误差均≤0.5%；水泵3功率5W，冷却水循环流量为5 L/min；
实现本发明的工作单元如图2所示，主要由不锈钢环形电极8，活塞环夹具9，待处理活塞环10组成。不锈钢环形电极径向厚度为3mm，轴向高度为8mm，内径尺寸根据待处理活塞环外径选择。活塞环夹具为不锈钢制，夹口高度与待处理活塞环轴向高度相同。
通过本发明方法制备的活塞环的截面结构图如图3所示。截面结构由外而内分别是陶瓷膜11、阀金属渗入/扩散层12、基体13。
实施例1
首先将经过定型、清洗工序后得到的SAE9254钢活塞环的外径面在金相砂纸上打磨至粒度为1000#，然后用丙酮清洗打磨后的活塞环并擦拭干净，之后在活塞环上下台阶面、内径面和端面涂覆耐高温绝缘漆，在上、下台阶面靠近端面处为活塞环夹具预留5mm不涂敷耐高温绝缘漆，以保证夹具与活塞环之间良好的导电性，放入干燥箱在105℃温度下干燥3小时备用。取200g去离子水，在其中加入5g氯化铵和5g粒度为0.5μm的金属铝粉末，再加入800g甘油，快速搅拌后倒入超声波震荡器，震荡5min后倒入反应容器。将经过预处理的活塞环和不锈钢环形电极分别与阴、阳极导线相连接后浸没在配制好的反应溶液中，加电压至600V，电源频率为1000Hz，占空比30%，处理10min，关闭电源后将活塞环和电极取出用丙酮清洗并擦拭干净。取1L去离子水，在其中加入20g偏铝酸钠，快速搅拌至全部溶解后倒入容器。将不锈钢环形电极和经过阴极处理的活塞环分别与阴、阳极导线相连接后浸没在配制好的溶液中，通电后将工作电流维持在为2.6-3.2A，电源频率为1000Hz，占空比30%；处理20min，即可得到厚度达120μm的陶瓷膜，陶瓷膜与基体结合强度为21.6MPa。
实施例2
首先将经过定型、清洗工序后得到的SAE9254钢活塞环的外径面在金相砂纸上打磨至粒度为1000#，然后用丙酮清洗打磨后的活塞环并擦拭干净，之后在活塞环上下台阶面、内径面和端面涂覆耐高温绝缘漆，在上、下台阶面靠近端面处为活塞环夹具预留5mm不涂敷耐高温绝缘漆，以保证夹具与活塞环之间良好的导电性，放入干燥箱在105℃温度下干燥3小时备用。取200g去离子水，在其中加入5g氯化铵和5g粒度为0.5μm的金属铝粉末，再加入800g甘油，快速搅拌后倒入超声波震荡器，震荡5min后倒入反应容器。将经过预处理的活塞环和不锈钢环形电极分别与阴、阳极导线相连接后浸没在配制好的反应溶液中，加电压至600V，电源频率为1000Hz，占空比30%，处理10min，关闭电源后将活塞环和电极取出用丙酮清洗并擦拭干净。取1L去离子水，在其中加入5g粒度为2μm的铝粉，快速搅拌后倒入超声波震荡器，震荡5min后倒入反应容器。将不锈钢环形电极和经过阴极处理的活塞环分别与阴、阳极导线相连接后浸没在配制好的溶液中，通电后将工作电流维持在为2.6-3.2A，电源频率为1000Hz，占空比30%；处理15 min，即可得到厚度达100μm的陶瓷膜，陶瓷膜与基体结合强度为20.3MPa。

Claims (5)

1.一种采用等离子体液相电解沉积制备活塞环表面陶瓷膜的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：配制反应溶液；本发明需要配制阴极和阳极两种类型的反应溶液；其中，阴极反应溶液主要由溶剂、渗剂和活性剂组成；阳极反应溶液主要由溶剂、成膜剂组成；
步骤二：工件预处理；用金相砂纸将待处理活塞环外圆面打磨至粒度为1000#，丙酮清洗并擦拭干净后，在活塞环上下台阶面、内径面和端面等无需表面镀膜处理表面涂覆耐高温绝缘漆；其中，上下台阶面靠近端面两侧需为活塞环夹具预留出5mm避免绝缘漆涂覆，保证工件和活塞环夹具之间具有良好的导电性能；
步骤三：活塞环电解沉积表面处理；（1）将预处理过的活塞环置入盛放有阴极反应溶液的绝缘容器中，以待处理的活塞环为阴极、不锈钢环形电极为阳极，调整好两极间距后施加直流方波脉冲电压，在溶液与活塞环待处理面间形成弧光放电，使溶液中的渗剂与活性剂在高温下发生化学反应产生活性铝离子，在强电场作用下活性铝离子进入待处理表面金属晶体空位或与待处理表面Fe原子直接交换，实现金属铝在活塞环待处理表面的渗入与扩散；（2）将经步骤三（1）处理过的活塞环置入盛放有阳极反应溶液的绝缘容器中，以活塞环工件为阳极、不锈钢环形电极为阴极，调整好两极间距后通电，使已渗入表面的铝氧化并在待处理表面形成氧化膜，提高工作电压，在活塞环待处理表面形成弧光放电，电离反应溶液中的成膜剂，在待处理表面形成陶瓷膜。
2.根据权利要求1所述的采用等离子体液相电解沉积制备活塞环表面陶瓷膜的方法，其特征在于，所述的阴极反应溶液的溶剂由甘油和去离子水组成，其中，甘油质量百分比为75-90%，去离子水质量百分比为10-25%；渗剂为铝金属粉末，粒度0.5-1.2μm，浓度为2-5g/L；活性剂为氯化铵，浓度为5-10g/L；所述的阳极反应溶液的溶剂为去离子水；成膜剂分为可溶成膜剂与固态成膜剂；可溶成膜剂可采用（1）铝酸盐体系或（2）硅酸盐体系；其中（1）铝酸盐体系由浓度为10-20g/L的铝酸钠或偏铝酸钠和浓度为1-3g/L的磷酸二氢钠组成；（2）硅酸盐体系由浓度为15-30g/L的硅酸钠和浓度为0.8-1.5g/L的次磷酸钠组成；固态成膜剂为氧化铝粉末，粒度2-5μm，浓度为5-10g/L；本发明所使用的含有粉末颗粒的反应溶液在使用前需经超声波震荡5min以上，以实现均匀混合。
3.根据权利要求1所述的一种采用等离子体液相电解沉积制备活塞环表面陶瓷膜的方法，其特征在于，采用该方法处理活塞环时，不锈钢环形电极与待处理活塞环需处于同一平面且两者同心度偏差不大于2mm，环形电极内侧与活塞环待处理外表面间距为5-10mm。
4.根据权利要求1所述的采用等离子体液相电解沉积制备活塞环表面陶瓷膜的方法，其特征在于，采用该方法处理活塞环时，不锈钢环形电极与待处理活塞环需进行轴向与径向定位，轴向定位需保证待处理活塞环外圆柱面处于不锈钢环形电极内圆柱面包裹之中；径向定位需保证两者同心度偏差不大于2mm；环形电极内圆柱面与活塞环待处理外圆柱面径向间距为5-10mm。
5.根据权利要求1所述的一种采用等离子体液相电解沉积制备活塞环表面陶瓷膜的方法，其特征在于，待处理活塞环在阳极反应溶液中处理时的工作电流密度为0.2A/cm2-0.45A/cm2，电源频率为500-2000Hz，占空比30%-50%；所述处理时间为10-20 min。
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