CN113416914A - 活塞热障涂层制备工装和活塞热障涂层制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种活塞热障涂层制备工装和活塞热障涂层制备方法。活塞热障涂层制备工装包括工装本体以及位于工装本体的顶部的连接部，连接部用于与施压设备连接，工装本体的底部具有成型部，成型部形状与活塞的燃烧室形状相匹配，工装本体上具有多个通孔，通孔的轴线的延伸方向与工装本体的顶部至工装本体的底部的延伸方向一致。本发明提供的活塞热障涂层制备工装，提高了活塞热障涂层厚度的均匀性。

Description

活塞热障涂层制备工装和活塞热障涂层制备方法

技术领域

本发明涉及内燃机技术，尤其涉及一种活塞热障涂层制备工装和活塞热障涂层制备方法。

背景技术

活塞是内燃机的重要零件，活塞的主要作用是承受气缸中的燃烧压力，并将此力通过活塞销和连杆传给曲轴。活塞的燃烧室直接与高温气体接触，所以需要在活塞的燃烧室设置热障涂层，进行隔热。

针对钢质活塞，目前一种方式是采用等离子喷涂形式在活塞的燃烧室涂覆氧化锆材料，以形成热障涂层。另一种方式是通过在活塞的燃烧室通过热浸镀的方式先沉积铝，然后铝在通电电解液的作用下氧化生成氧化铝，形成热障涂层。

然而，第一种方式形成的热障涂层热容量大，易造成进气加热，第二种方式可以降低热障涂层热容量，但是第二种方式具体实现时，活塞的燃烧室形成的铝层厚度均匀性差，从而影响热障涂层的厚度均匀性。

发明内容

本发明提供一种活塞热障涂层制备工装和活塞热障涂层制备方法，以提高活塞热浸镀时，活塞的燃烧室形成的铝层的厚度均匀性，从而提高热障涂层的厚度均匀性。

本发明提供一种活塞热障涂层制备工装，包括工装本体以及位于工装本体的顶部的连接部；

连接部用于与施压设备连接；

工装本体的底部具有成型部，成型部形状与活塞的燃烧室形状相匹配；

工装本体上具有多个通孔，通孔的轴线的延伸方向与工装本体的顶部至工装本体的底部的延伸方向一致。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的活塞热障涂层制备工装，多个通孔包括第一通孔和第二通孔，第一通孔的内径大于第二通孔的内径。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的活塞热障涂层制备工装，各第二通孔围成的区域位于各第一通孔围成的区域内，第一通孔位于工装本体的中部区域。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的活塞热障涂层制备工装，连接部的数量为多个，各连接部在工装本体的顶部的中部区域内对称设置。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的活塞热障涂层制备工装，工装本体的侧面围成的形状与活塞的侧面围成的形状一致，工装本体的侧面与活塞的侧面平齐。

本发明还提供一种活塞热障涂层制备的方法，采用权利上述的活塞热障涂层制备工装：

活塞热障涂层制备的方法包括以下步骤：

将铝液浇铸至活塞的燃烧室内；

活塞热障涂层制备工装的成型部朝向活塞的燃烧室，并向铝液施压；

冷却铝液以使铝液形成铝层；

移动活塞热障涂层制备工装，以使活塞热障涂层制备工装与活塞的燃烧室脱模；

对铝层进行等离电解氧化，得到热障涂层。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的活塞热障涂层制备的方法，将铝液浇铸至活塞的燃烧室内之前，还包括：

对活塞进行预热处理，预热处理的预热温度为200℃-300℃。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的活塞热障涂层制备的方法，对活塞进行预热处理之前，还包括：

对活塞的燃烧室进行毛化处理，以使活塞的燃烧室的粗糙度为3μm-5μm。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的活塞热障涂层制备的方法，活塞热障涂层制备工装的成型部朝向活塞的燃烧室，并向铝液施压包括：

活塞热障涂层制备工装的连接部与施压设备连接，活塞热障涂层制备工装的成型部涂脱模剂，活塞热障涂层制备工装的成型部朝向活塞的燃烧室移动；

施压设备通过活塞热障涂层制备工装向铝液施压，其中，向铝液施压的压力为20MPa-60MPa，活塞热障涂层制备工装的成型部与活塞的燃烧室的表面的距离为0.1mm-0.4mm；

移动活塞热障涂层制备工装包括：

通过施压设备将活塞热障涂层制备工装朝向活塞的上方移动。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的活塞热障涂层制备的方法，铝液的温度为700℃-750℃，铝液的冷却时间为4min-6min。

本发明提供的活塞热障涂层制备工装和活塞热障涂层制备方法，活塞热障涂层制备工装通过工装本体顶部的连接部与施压设备连接，工装本体的底部具有成型部，成型部形状与活塞的燃烧室形状相匹配，成型部朝向活塞的燃烧室，并向活塞的燃烧室内的铝液施压，在压力作用下，铝渗入钢制活塞中，形成良好的结合，同时气体及多余的铝液从工装本体上的通孔流出，铝液冷却后在活塞的燃烧室的外表面形成厚度均匀的铝层。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的活塞热障涂层制备工装的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的活塞热障涂层制备工装的内部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的活塞热障涂层制备工装的工作状态的示意图；

图4为本发明实施例提供的活塞热障涂层制备方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的活塞热障涂层制备方法制备的热障涂层的结构示意图。

附图标记说明：

1-活塞热障涂层制备工装；

11-工装本体；

111-成型部；

112-通孔；

1121-第一通孔；

1122-第二通孔；

12-连接部；

2-活塞；

21-活塞的燃烧室；

22-活塞的顶面；

3-铝层；

4-热障涂层。

具体实施方式

由于活塞热负荷及机械负荷增大，目前需要在活塞上涂覆涂层来进行隔热处理，具体的，活塞顶部具有朝向活塞内部凹陷的活塞的燃烧室，活塞的燃烧室和活塞的顶面上设置热障涂层，隔热一方面将更多的热量留在活塞的燃烧室内，以便气体燃烧做功和气体后处理温度的提升，另一方面隔热可有效降低活塞的热负荷，延长使用寿命。针对钢质活塞，目前的热障涂层(以氧化锆为主)采用等离子喷涂形式在活塞顶部涂覆，然而，以氧化锆为主的热障涂层热容量大，易在活塞的燃烧室内造成进气加热，造成活塞未移动到上止点时，气体已被加热到燃烧温度。另外，热障涂层与活塞的连接属于异种材料的物理连接，连接可靠性差。此外，热障涂层的稳定性依托于热喷涂工艺，热喷涂工艺差则脱落风险加大。针对以上缺点，可以在活塞顶部先沉积铝，然后铝在通电电解液的作用下氧化生成氧化铝，从而形成热障涂层。氧化铝的热容量与密度相对氧化锆低，且可以在氧化铝涂层中增加孔洞，从而使热障涂层热容量降低，避免在活塞的燃烧室内造成进气加热。针对铝与钢制活塞的结合，目前有两种方案，一种方案是磁控溅射方法，需要精密的磁控炉设备，需要铝制靶材，生产周期长，成本高，批量化生产难度较大。另一种方案是热浸镀铝，即将活塞的燃烧室浸入融化状态的铝液中，让铝液在高温下深入钢中，形成铝层，然后对铝层进行等离子电解氧化处理形成氧化铝，但活塞的燃烧室的型线复杂，活塞的燃烧室内腔深度大，造成铝液在活塞的燃烧室内气体无法排出，热浸镀的铝液并不能完全浸入活塞的燃烧室内，另外，热浸铝层的厚度控制难度大，需要经过机加工才能精确控制铝层厚度。

为了解决上述问题，本发明提供一种活塞热障涂层制备工装和活塞热障涂层制备方法，活塞热障涂层制备工装通过工装本体顶部的连接部与施压设备连接，工装本体的底部具有成型部，成型部形状与活塞的燃烧室形状相匹配，成型部朝向活塞的燃烧室，并向活塞的燃烧室内的铝液施压，在压力作用下，铝渗入钢制活塞中，形成良好的结合，同时气体及多余的铝液从工装本体上的通孔流出，铝液冷却后在活塞的燃烧室的外表面形成厚度均匀的铝层。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者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。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或维护工具不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或维护工具固有的其它步骤或单元。

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，本领域普通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。

图1为本发明实施例提供的活塞热障涂层制备工装的结构示意图，图2为本发明实施例提供的活塞热障涂层制备工装的内部结构示意图，图3为本发明实施例提供的活塞热障涂层制备工装的工作状态的示意图。参见图1至3所示，本发明提供的活塞热障涂层制备工装1，包括工装本体11以及位于工装本体11的顶部的连接部12；连接部12用于与施压设备连接；工装本体11的底部具有成型部111，成型部111形状与活塞的燃烧室21形状相匹配；工装本体11上具有多个通孔112，通孔112的轴线的延伸方向与工装本体11的顶部至工装本体11的底部的延伸方向一致。

在具体实现时，施压设备可以是压力机。

通孔112用于排出气体以及多余的铝液，示例性的，通孔112可以为圆孔或者腰型孔，在本实施例中，对通孔112的具体形状不作限定。

本实施例通过工装本体11顶部的连接部12与施压设备连接，工装本体11的底部具有成型部111，成型部111形状与活塞的燃烧室21形状相匹配，成型部111朝向活塞的燃烧室21，并向活塞的燃烧室21内的铝液施压，在压力作用下，铝液渗入钢制活塞2中，形成良好的结合，同时气体及多余的铝液从工装本体11上的通孔112流出，铝液冷却后在活塞的燃烧室21形成厚度均匀的铝层。

可以理解的是，由于活塞的燃烧室21的形状复杂，在各个位置排出的气体及多余的铝液的量不同，因此，多个通孔112包括第一通孔1121和第二通孔1122，第一通孔1121的内径大于第二通孔1122的内径，其中，第一通孔1121设置在活塞的燃烧室21的形状变化较大的位置，以加快气体及多余的铝液的排出。

在本实施例中，各第二通孔1122围成的区域位于各第一通孔1121围成的区域内，各第二通孔1122在工装本体的中部区域内。如图3所示，活塞的燃烧室21的边缘位置，形状较复杂，集气量较大，所以第一通孔1121位于工装本体11的外围区域，第二通孔1122在工装本体11的中部区域内，以提高效率。

为了施压设备通过活塞热障涂层制备工装1向铝液施加的压力均匀，连接部12的数量为多个，各连接部12在工装本体11的顶部的中间区域内对称设置，施压设备向铝液均匀施压，从而使活塞的燃烧室21上形成厚度均匀的铝层。

在本实施例中，工装本体11的侧面围成的形状与活塞2的侧面围成的形状一致，工装本体11的侧面与活塞2的侧面平齐。

可以理解的是，活塞2顶部具有朝向活塞2内部凹陷的活塞的燃烧室21，为了保证隔热效果，活塞的燃烧室21和活塞的顶面22上都设置有热障涂层，通过工装本体11的侧面围成的形状与活塞2的侧面围成的形状一致，工装本体11的侧面与活塞2的侧面平齐，这样，工装本体11的底部的成型部111向活塞的燃烧室21内的铝液施压时，在压力作用下，在活塞的燃烧室21的以及活塞的顶面22上都可以形成厚度均匀的铝层。

图4为本发明实施例提供的活塞热障涂层制备方法的流程图，参见图4所示，本发明实施例提供的活塞热障涂层制备的方法，采用上述实施例提供的活塞热障涂层制备工装1，其中，活塞热障涂层制备工装1的结构和原理在上述实施例中进行了说明，此处不再一一赘述。

活塞热障涂层制备的方法包括以下步骤：

S101、将铝液浇铸至活塞的燃烧室内。

其中，铝液的温度为700℃-750℃，可以理解的是，金属铝的熔点为660℃，需要将铝加热到熔点温度以上并进行保温，从而使金属铝保持熔融状态，当铝液的温度过高时，铝液的吸气能力变强，若铝液中的气体在铝液受压过程中未及时排出，则铝液冷却形成的铝层中容易出现气孔，从而影响铝层的均匀性。

S102、活塞热障涂层制备工装的成型部朝向活塞的燃烧室，并向铝液施压。

S103、冷却铝液以使铝液形成铝层。

在具体实现时，铝液的冷却时间为4min-6min，示例性的，铝液的冷却时间可以为5min，从而使铝液完全冷却形成铝层。

S104、移动活塞热障涂层制备工装，以使活塞热障涂层制备工装与活塞燃烧室脱模。

可以理解的是，活塞热障涂层制备工装1与活塞的燃烧室21脱模后，需要对热障涂层的飞边进行处理，同时需要对通孔112形成的铝柱切除，并对热障涂层进行抛光处理。

S105、对铝层进行等离电解氧化，得到热障涂层。

图5为本发明实施例提供的活塞热障涂层制备方法制备的热障涂层的结构示意图，参见图5所示，对活塞2上的铝层3进行等离子电解氧化处理。等离子电解氧化过程将铝层3转变为氧化铝层，从而形成热障涂层2。因经高温高压的压力渗透，铝层3在活塞2上的结合力强；同时热障涂层4从铝层3等离子电解氧化而来，同样结合力强。因此等离子电解氧化后剩余的铝层3成为热障涂层4与活塞2之间的良好的粘结层。

其中，氧化铝的热容量与密度相对氧化锆低，且可以在氧化铝涂层中增加孔洞，从而使热障涂层4热容量降低，避免在活塞的燃烧室21内造成进气加热。

在本实施例中，通过将铝液浇铸至活塞的燃烧室21内，活塞热障涂层制备工装1的成型部111朝向活塞的燃烧室21，并向铝液施压，在压力的作用下铝液渗入活塞2中，铝液冷却后形成的铝层3厚度均匀且与活塞2结合可靠，为后续铝层3的等离电解氧化形成热障涂层4提供了可靠的铝材来源。

在一些实施例中，将铝液浇铸至活塞的燃烧室21内之前，还包括：

对活塞2进行预热处理，预热处理的预热温度为200℃-300℃。

示例性的，预热可以采用电器或感应加热，预热时间可以为0.5h-1h。通过预热处理可以去除活塞2表面的气体和水，为活塞2提供基础温度，降低活塞2与铝液的温差，从而延长工装使用寿命。可以理解的是，当预热温度低于200有机脂例如防锈油不会从活塞2上脱落，当预热温度超过300℃时，能量消耗比较大。

为了增强铝液与活塞2的结合力，对活塞2进行预热处理之前，还包括：

对活塞的燃烧室21进行毛化处理，以使活塞的燃烧室21的粗糙度为3μm-5μm。

其中，当活塞的燃烧室21的粗糙度过大时，会影响铝液在活塞的燃烧室21分布的均匀性，冷却后造成铝层3厚度分布不均，从而影响铝层3氧化生成的热障涂层4的厚度的均匀性。

可以理解的是，可以对活塞的顶面22同时进行毛化处理，以使活塞的顶面22粗糙度为3μm-5μm，从而增强活塞的顶面22与铝液的结合力，从而在活塞的燃烧室21以及活塞的顶面22都可以形成厚度均匀的铝层3。

在本实施例中，活塞热障涂层制备工装1的成型部111朝向活塞的燃烧室21，并向铝液施压包括：

1、活塞热障涂层制备工装1的连接部12与施压设备连接。

2、活塞热障涂层制备工装1的成型部111涂脱模剂。

可以理解的是，活塞热障涂层制备工装1的成型部111涂脱模剂，方便活塞热障涂层制备工装1的成型部111与铝层3分离。示例性的脱模剂可以为水基脱模剂，水基脱模剂润滑和脱模性能佳，能在高温下成形过程中形成完整均匀的屏蔽层，并且分离脱模能力强，脱模剂具有高效降温作用和隔热作用，保护活塞热障涂层制备工装1在较低的温度下工作，从而提高活塞热障涂层制备工装1的寿命。

3、活塞热障涂层制备工装1的成型部111朝向活塞的燃烧室21移动，施压设备通过活塞热障涂层制备工装1向铝液施压。

具体的，向铝液施压的压力为20MPa-60MPa，铝液在压力作用下渗入活塞2中，形成良好的结合。可以理解的是，当向铝液施压的压力过小时，铝液中气体无法排出，冷却形成的铝层3厚度不均匀。当向铝液施压的压力过大时，活塞热障涂层制备工装1容易与活塞2发生碰撞。

具体的，活塞热障涂层制备工装1的成型部111与活塞的燃烧室21的表面的距离d为0.1mm-0.4mm，从而在活塞的燃烧室21的表面形成0.1mm-0.4mm的铝层3。可以理解的是，铝层3小于0.1mm时，压铸所需压力过大，工艺难以实现。而且铝层3厚度太小，形成的热障涂层4厚度太小，隔热效果差。当铝层3大于0.4mm，热障涂层4的厚度到达预定要求后，铝层3剩余厚度较大，会导致活塞2可靠性降低。

在本实施例中，移动活塞热障涂层制备工装1。包括：

通过施压设备将活塞热障涂层制备工装1朝向活塞2的上方移动。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (10)

1.一种活塞热障涂层制备工装，其特征在于，包括工装本体以及位于所述工装本体的顶部的连接部；

所述连接部用于与施压设备连接；

所述工装本体的底部具有成型部，所述成型部形状与活塞的燃烧室形状相匹配；

所述工装本体上具有多个通孔，所述通孔的轴线的延伸方向与所述工装本体的顶部至所述工装本体的底部的延伸方向一致。

2.根据权利要求1所述的活塞热障涂层制备工装，其特征在于，多个所述通孔包括第一通孔和第二通孔，所述第一通孔的内径大于所述第二通孔的内径。

3.根据权利要求2所述的活塞热障涂层制备工装，其特征在于，各所述第二通孔围成的区域位于各所述第一通孔围成的区域内，所述第一通孔位于所述工装本体的中部区域。

4.根据权利要求1至3任一项所述的活塞热障涂层制备工装，其特征在于，所述连接部的数量为多个，各所述连接部在所述工装本体的顶部的中部区域内对称设置。

5.根据权利要求1至3任一项所述的活塞热障涂层制备工装，其特征在于，所述工装本体的侧面围成的形状与所述活塞的侧面围成的形状一致，所述工装本体的侧面与所述活塞的侧面平齐。

6.一种活塞热障涂层制备的方法，其特征在于，采用权利要求1至5任一项所述的活塞热障涂层制备工装：

所述方法包括以下步骤：

将铝液浇铸至活塞的燃烧室内；

活塞热障涂层制备工装的成型部朝向所述活塞的燃烧室，并向所述铝液施压；

冷却所述铝液以使所述铝液形成铝层；

移动所述活塞热障涂层制备工装，以使所述活塞热障涂层制备工装与所述活塞的燃烧室脱模；

对所述铝层进行等离电解氧化，得到热障涂层。

7.根据权利要求6所述的活塞热障涂层制备的方法，其特征在于，所述将铝液浇铸至活塞的燃烧室内之前，还包括：

对所述活塞进行预热处理，所述预热处理的预热温度为200℃-300℃。

8.根据权利要求7所述的活塞热障涂层制备的方法，其特征在于，对所述活塞进行预热处理之前，还包括：

对所述活塞的燃烧室进行毛化处理，以使所述活塞的燃烧室的粗糙度为3μm-5μm。

9.根据权利要求6所述的活塞热障涂层制备的方法，其特征在于，所述活塞热障涂层制备工装的成型部朝向所述活塞的燃烧室，并向所述铝液施压包括：

所述活塞热障涂层制备工装的连接部与施压设备连接，所述活塞热障涂层制备工装的成型部涂脱模剂，所述活塞热障涂层制备工装的成型部朝向所述活塞的燃烧室移动；

所述施压设备通过所述活塞热障涂层制备工装向所述铝液施压，其中，向所述铝液施压的压力为20MPa-60MPa，所述活塞热障涂层制备工装的成型部与所述活塞的燃烧室的表面的距离为0.1mm-0.4mm；

所述移动所述活塞热障涂层制备工装包括：

通过所述施压设备将所述活塞热障涂层制备工装朝向所述活塞的上方移动。

10.根据权利要求6所述的活塞热障涂层制备的方法，其特征在于，所述铝液的温度为700℃-750℃，所述铝液的冷却时间为4min-6min。

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