CN1156608C - 活塞的化学表面处理方法 - Google Patents

Abstract

活塞的化学表面处理方法，用于减小活塞的表面摩擦力，该方法包括：将活塞置于一个容器中，倒入机械油至将该活塞淹没，升温至220—250℃，向其中加入(以机械油和全部添加剂的重量为100%)碱金属碳酸盐0.3—1.0%、碱金属亚硝酸盐0.3—1.0%、碱金属氯化物0.20—0.60%、含铈稀土金属粉末1.0—1.6%，接着在上述温度下保持10—24小时，停止加热以使油浴自然冷却，待油温冷却至50℃后取出活塞，即为成品。本发明适用于对汽油机、柴油机等各种发动机的活塞和汽缸的改造，可明显地提高汽缸的工作效率和延长整个汽缸的寿命。并且既节约用油，又能减少汽车或空压机类排气的污染。在工业上具有很好的前景。

Description

活塞的化学表面处理方法

技术领域

本发明涉及活塞的化学表面处理方法，经此处理后的活塞可以明显地减小活塞环槽与活塞环之间的摩擦力以及活塞(尤其是活塞裙部)与汽缸壁之间的摩擦力，从而明显地提高汽缸的密封度和延长汽缸套、活塞和活塞环的使用寿命。

背景技术

内燃机的基本结构是活塞式连杆机构，燃料在汽缸内燃烧，产生高温高压气体，从而推动活塞往下运动，活塞通过连杆把力传给曲轴，使曲轴旋转而对外作功。

为使气体不泄漏，在活塞上开有活塞环槽，活塞环槽中有活塞环，该活塞环是一个带有开口间隙的合金铸铁圆形环。当活塞上下往复运动时，活塞环始终紧贴汽缸，从而避免高温高压气体从活塞环与汽缸壁之间通过，起到密封的作用。

现有活塞的设计存在如下缺陷：

为减少往复运动零件的质量，活塞一般用铝合金制造。但铝合金的膨胀系数要比合金铸铁(气缸材料)大得多，为使活塞受热后不与气缸贴合过紧而造成损坏，活塞裙部形线往往设计成下大上小，带有一定的不规则锥度，水平方向成椭圆形状。活塞裙部的最大尺寸要比汽缸的直径小，其配缸间隙在汽油机的情况下约是汽缸直径的0.02-0.08％，在柴油机的情况下约是汽缸直径的0.01-0.18％.此间隙造成：1、活塞上下运动时，活塞的摇摆造成活塞裙部和头部对汽缸的敲击，从而增大内燃机的运转噪音；2、活塞的摇摆加大活塞环在环槽中的移动，加速活塞环槽和活塞环的磨损，缩短使用寿命；3、活塞环槽一旦磨损，使活塞环在环槽内上下跳动而起泵吸作用，把润滑油吸到汽缸上部参与燃烧，造成排气污染和润滑油的过多消耗。

为了提高活塞、活塞环的耐磨性和抗咬合性能，现在一般采取活塞环表面磷化或氮化，与汽缸接触部分进行多孔镀铬或喷钼；活塞裙部镀锡或喷石墨等技术措施。但这些措施并没有改变活塞、活塞环与汽缸相对高速半干滑动磨擦的实质，做不到活塞、活塞环在汽缸中无隙或微隙运动，因而始终不能从根本上克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是要提供一种能够从根本上克服上述缺陷的活塞的化学表面处理方法，该处理方法能明显地减小活塞与汽缸壁之间的摩擦力和活塞环槽与活塞环之间的摩擦力。因此能做到活塞在汽缸中的无隙或微隙运动以及活塞环在活塞环中的微隙运动，从而既能明显提高汽缸的工作效率，又能明显延长汽缸的寿命。

本发明人考虑到，现有技术做不到活塞、活塞环在汽缸中无隙或微隙运动的主要原因是由于活塞环与汽缸壁之间、活塞与汽缸壁之间以及活塞环与活塞环槽之间的摩擦力不能明显减小的缘故。本发明人根据润滑理论得知，润滑油的润滑机理是在两个相互摩擦的零件表面上形成一层油膜，从而使这两个零件的摩擦由原来的金属表面直接摩擦转变成润滑油膜之间的滑动摩擦。特别是目前在市场上作为商品销售的润滑油，其中含有各种添加剂，其中起润滑作用的添加剂是一种链状的烃类，在其一端具有一个极性基团，该极性基团能够吸附在金属的表面上而让其没有极性基团的尾端向上竖起，因此能在金属的表面上形成一层较厚的油膜，从而保证金属零件表面的润滑作用。然而，即便是这种带有极性基团的润滑成分，它在光滑的金属表面上的吸附也不是很牢固的，因此在两个金属零件相互摩擦时就会导致在金属表面与润滑成分之间的吸附作用被破坏。为了弥补这一缺陷，在现有技术的汽缸产品中，在汽缸壁上珩磨出一些储油网纹，以图不断地向汽缸壁补充润滑油。但是储油网纹不能开得太多和太密，否会导致表面的凹凸不平。因此汽缸壁的绝大部分表面以及活塞的全部表面都是光滑的，从而不能在汽缸的行程中保证油膜的完整。

根据这一认识，本发明人产生如下构思。也就是说，如果在发生相互摩擦的一对金属零件的至少一方的表面上形成许多均匀密布的肉眼看不到的微现小凹坑，这些小凹坑既能起储存润滑油的作用，又能允许润滑添加剂分子端部的极性基团钻入微观小凹坑中并牢固地吸附着，这样便能保证在汽缸的全部行程中都具有完整的油膜。而且，由于这些小凹坑是十分细小的，它们不会影响金属零件表面整体的平滑性，因此不会影响金属零件的自由滑动，对于作为活塞材料的合金铝来说，只要找到一种相对较弱的并且是微观非均匀性的腐蚀剂，就有可能在合金铝的表面上形成这种均匀密布的微小凹坑。另外，本发明人还产生一个如下的构思。也就是说，如果能有一些吸油性强而且坚硬的小颗粒存在于这些小凹坑中，由于这些小颗粒周围都吸附有一层润滑油，因此势必能在上述微观小凹坑中自由滚动，从而能够起到一种滚动摩擦的作用，这样就有可能进一步降低两个金属零件之间的摩擦力。据本发明人所知，本发明人的上述两种构思尚未有过报导，因此这是具有新颖性的构思。本发明人根据上述构思进行了大量的试验，终于找到了适合于对活塞的合金铝材料进行化学表面微腐蚀处理的微观非均匀性的弱腐蚀剂。并且本发明人还发现，含铈的稀土氧化物粒子(一般的混合稀土皆含有铈，其中的铈含量接近50％)，特别是含铈金属粉末通过爆炸式氧化反应形成的氧化物粒子，具有一种既坚硬又包含许多微孔的结构，因此既能大量地吸油，又能在滚动过程中不破碎，从而起到一种自由滚动摩擦的作用，这样就在极大程度上减轻了两个金属零件之间的摩擦力。由于上述两个发现，从而完成了本发明。

本发明的技术方案是：

一种活塞的化学表面处理方法，用于减小活塞的表面摩擦力，该方法包含下述步骤：将活塞置于一个容器中，倒入机械油至将活塞完全淹没，然后在不会导致溅油的条件下逐渐升温至220-250℃，(优选230-240℃)，向其中均匀撒入由碱金属碳酸盐(优选碳酸钠)、碱金属亚硝酸盐(优选亚硝酸钠)、碱金属氯化物(优选氯化钠)和含铈稀土金属粉末(优选金属铈粉末)组成的混合物，其中各成分和机械油的加入量应符合下列重量百分比：

成分                                 重量％

碱金属碳酸盐(优选碳酸钠)            0.3-1.0％

碱金属亚硝酸盐(优选亚硝酸钠)        0.3-1.0％

碱金属氯化物(优选氯化钠)            0.20-0.60％

含铈稀土金属粉末(优选金属铈粉末)    1.0-1.6％

机械油                              余量

接着在上述温度下保持10-24小时(优选13-16小时)，停止加热以使油浴自然冷却，待油温冷却至50℃后取出活塞，即为成品。

下面详细地解释本发明：

在本发明的方法中，对机械油的种类没有特别限制，只要它在220-250℃的温度下不明显挥发即可，对升温速度没有特别限制，只是不能升温太快，以免由于机械油中的水分或杂质的挥发而造成溅油。如果发现机械油减少，应及时补充至原来的刻度，以保证机械油能将工件全部淹没并保持机械油与各成分的比例。由此可以看出，升温时间随油浴量的增加而延长，所以不能具体限定升温时间。

碱金属碳酸盐(例如碳酸钠或钾)、碱金属亚硝酸盐(例如亚硝酸钠或钾)、碱金属氯化物(例如氯化钠或钾)都是具有弱腐蚀性的物质。但它们的分子是强极性的，而机械油的分子是非极性的，所以它们不能溶解于机械油中，不过它们能以细分散的状态均匀地悬浮于机械油浴中，于是形成一种微观非均匀性的弱腐蚀剂。这就是本发明八之所以选择机械油而不是选择水性介质作为微腐蚀载体介质的主要理由。由于这些腐蚀剂的协同作用而在活塞的铝合金表面上形成许多均匀密布的微观小凹坑。但是如果它们在机械油中的比例过小，就可能达不到微腐蚀的最低要求。相反，如果它们在机械油中的比例过大，就可能形成过大的小凹坑，从而可能影响铝合金表面的整体平滑性。

另外，稀土金属都是活泼的金属，它们容易与空气中的氧发生反应而变成稀土氧化物。其中，二氧化铈是一种坚硬的颗粒状物，它可作为抛光磨料使用。而由金属铈粉末通过爆炸式氧化反应形成的二氧化铈具有一种多孔而坚硬的结构，所以它能吸附大量的润滑油并陷在铝合金表面的微观凹坑中自由滚动。而通过在水溶液中沉淀而生成的二氧化铈则不能具有这种多孔的结构，这就是本发明人之所以选择含铈稀土金属(优选铈金属)而不直接选择二氧化铈作为反应添加物的主要理由。本发明人将经过本方法处理的活塞切片置于500倍的显微镜下观察，可以看到在活塞表面上有一层厚约0.01mm的附着物.并且在2000倍的电子显微镜下能观察到这些附着物能以球状的形态滚动。而从上述几种添加成分的化学性质判断，这些滚动的球状颗粒只能是含铈的稀土氧化物(尤其是二氧化铈)。由于这些含铈稀土氧化物颗粒在活塞表面微观凹坑中的自由滚动，因此使活塞在汽缸内的往复运动摩擦的实质由现有技术中的滑动摩擦模式转变成本发明的滚动摩擦模式，从而在极大程度上减小了金属表面之间的摩擦力。由于同样的道理，活塞环在活塞环槽中的摩擦力也会有同样程度的减小。

当然，如果对活塞环也进行类似的微凹坑腐蚀处理，还可以降低活塞环与汽缸壁之间的摩擦力和进一步降低活塞环与活塞环槽之间的摩擦力。但由于活塞环的材质是合金铸铁而不是合金铝，所以它的微凹坑腐蚀处理配方不同于本发明的配方，故不属于本发明的范畴。本发明人将以另一个发明提出专利申请。

另外，操作温度如果低于220℃，则会导致微凹坑腐蚀的速度太慢，对生产率不利。相反，如果高于250℃，则会导致微凹坑腐蚀的速度过快，容易造成微凹坑过大甚至可能影响金属表面的整体平滑性。并且当温度超过250℃时，有可能导致机械油的部分炭化，从而影响微凹坑腐蚀的均匀性。因此将微凹坑腐蚀的操作温度限定为220℃-250℃，优选230℃-240℃。

另外，操作温度的保持时间如果少于10小时，则微观凹坑的形成不够充分。相反，如果多于24小时，则微观凹坑的形成可能过度。因此将操作温度的保持时间限定为10-24小时，优选13-16小时。

与本领域的同类现有技术相比，本发明的方法可以获得如下有益效果：

一、在汽缸总体设计方面的效果。

1、可以消除或明显减小活塞裙部与汽缸的配合间隙，汽油机可以做到无隙，柴油机可做到微隙，约是汽缸直径的0.05-0.07％，比常规设计减小一半以上。

2、可使用无网纹或浅网纹汽缸，从而可以降低汽缸的生产成本。

二、应用于内燃机时的有益效果。

1、汽缸压缩力提高，缩短了柴油机的着火落后期，改善了柴油机的动力性和经济性；

2、润滑油消耗减少，降低了内燃机尾气中的颗粒排放物；

3、汽缸整体寿命提高1-2倍；

4、冷起动性能改善；

5、怠速稳定性提高；

6、运转噪音降低；

7、不存在缸面油膜破坏现象，明显减少拉缸倾向；

8、润滑油不易老化，换油期延长一倍以上。

三、应用于活塞式空压机时的有益效果

1、吸气真空度加大，汽缸密封性加强，打气快；

2、压缩气体中含油量少；

3、汽缸、活塞的寿命延长1-2倍。

具体实施方式

下面通过具体实施例和应用例来具体地解释本发明，但本发明不受这些实例的限定。

实施例1

将一个汽油机的活塞放入一个金属容器中，向其中倒入32号机械油2330g，这时机械油液面淹没了活塞。在不导致溅油的条件下用电加热逐渐升温至235℃，用小勺子分几次于约15分钟内撒入由碳酸钠15g、亚硝酸钠15g、氯化钠10g、金属铈粉末30g组成的混合物，这时各种成分在全部固体添加剂与机械油混合物中所占的重量百分比例分别为：碳酸钠0.63％、亚硝酸钠0.63％、氯化钠0.42％、金属铈粉末1.3％、机械油97.02％。当添加剂加完后，在约235℃下保温14小时，然后断电以使其自然冷却，待油浴温度降低至40℃时将活塞取出，作为成品待用。

实施例2

本实施例各种工艺条件基本上与实施例1相同，所不同之处只是用含铈的混合稀土金属粉末(共中铈含量约为50重量％)代替实施例1中的金属铈粉末。

实施例3

本实施例的各种工艺条件基本上与实施例1相同，所不同之处只是将处理对象由原来的汽油机活塞改变为柴油机活塞。

实施例4

本实施例的各种工艺条件基本上与实施例1相同，所不同之处只是将处理对象由原来的汽油机活塞变为空压机活塞。

实施例5

本实施例的各种工艺条件基本上与实施例2相同，所不同之处只是将处理对象由原来的汽油机活塞改变为柴油机活塞。

实施例6

本实施例的各种工艺条件基本上与实施例2相同，所不同之处只是将处理对象由原来的汽油机活塞改变为空压机活塞。

下面通过应用例来说明本发明方法的有益效果。

应用例1  单独处理汽油机活塞时的效果

把在实施例1中获得的经处理的汽油机活塞应用于一汽发动机/出产的CA6102汽油机中以对公交车的汽油发动机进行改造。该汽油机的原设计为：缸径×行程＝101.6mm×114.3mm。活塞环开口间隙设计：第一道气环0.5-0.7mm，第二道气环0.4-0.6mm，第三道气环0.4-0.6mm，第四道油环0.3-0.5mm。配缸间隙0.02-0.06mm。改造后第一道环开口间隙0.13mm，第二和第三道环为0.10mm，第四道环为0.07mm。原机镗缸镶缸套珩磨，使配缸间隙达到-0.02mm(过盈，即活塞裙部尺寸比汽缸内径大)-0(无隙)。试验证明，发动机吸气真空度明显加大，车辆动力和经济性明显改善。

应用例2  单独处理柴油机活塞时的效果

把在实施例3中获得的经处理的柴油机活塞应用于上海柴油机厂出产的D6114柴油机中以对公交车的柴油发动机进行改造。该柴油机的原设计为：缸径×行程＝114mm×135mm，活塞环开口间隙设计；第一道气环0.4-0.6mm，第二道气环0.4-0.6mm，第三道油环0.3-0.5mm；配缸间隙0.17-0.23mm.改造后第一道环开口0.15mm，第二道环0.20mm，第三道环0.07mm。如采用浅网纹小直径缸套，可使其配缸间隙降到0.09mm。经2.5万公里行驶，该辆公交车动力性能良好，燃油消耗较改造前同期平均下降8.0％。润滑油消耗明显减少，换油期延长约1倍，自由加速烟度小于2度(国家标准为5度)，汽缸压缩力提高20％。拆机检查结果极为良好，汽缸套几乎无磨损，活塞环磨损量很小，又装回重新使用。

应用例3  同时处理汽油机活塞和活塞环时的效果

把在实施例1中获得的经处理的汽油机活塞与按照类似的微凹坑腐蚀处理方法获得的活塞环配合应用于一汽发动机厂出产的CA6102汽油机中以对公交车的汽油发动机进行改造。所获结果比应用例1的结果还要好。例如，在改造后，第一道环的开口间隙可降至0.10mm，第四道环的开口间隙可降至0.05mm。这两个开口间隙不但要比改造前的开口间隙小得多(只相当于原开口间隙的10％-20％)。而且也明显地小于单用本发明的活塞与常规活塞环配合时所能达到的最小间隙。在进行公交车行驶试验时，所有结果比应用1的结果还要好。

应用例4同时处理柴油机活塞和活塞环时的效果

把在实施例3中获得的经处理的柴油机活塞与按照类似的微凹坑腐蚀处理方法获得的活塞环配合应用于上海柴油机厂出产的D6114柴油机中以对公交车的柴油发动机进行改造。所获结果比应用例2的结果还要好。例如，在改造后，第二道环的开口间隙可降低至0.18mm。如采用浅网纹小直径缸套，可使其配缸间隙降到0.07mm。这两个间隙不但要比改造前的开口间隙小得多，而且也明显地小于单用本发明的活塞与常规活塞环配合时所能达到的最小间隙。在进行公交车行驶试验时，所有结果比应用例2的结果还要好。

由以上的实施例和应用例可以看出，本发明适用于对包括汽油机、柴油机等各种发动机和空压机在内的各种汽缸活塞的改造，可明显地提高活塞和汽缸的工作效率和延长活塞和整个汽缸的寿命。并且既节约用油，又能减少汽车或空压机类排气的污染。因此在工业上具有很好的前景。

Claims (7)

1、一种活塞的化学表面处理方法，其特征在于该方法包含下述步骤：将活塞置于一个容器中，倒入机械油至将活塞完全淹没，然后在不会导致溅油的条件下逐渐升温至220-250℃，向其中均匀撒入由碱金属碳酸盐、碱金属亚硝酸盐、碱金属氯化物和含铈稀土金属粉末组成的混合物，其中各成分和机械油的加入量应符合下列重量百分比：

成分                         重量％

碱金属碳酸盐                 0.3-1.0％

碱金属亚硝酸盐               0.3-1.0％

碱金属氯化物                 0.20-0.60％

含铈稀土金属粉末             1.0-1.6％

机械油                       余量

接着在上述操作温度下保持10-24小时，停止加热以使油浴自然冷却，待油温冷却至50℃以下后取出活塞，即为成品。

2、如权利要求1所述的活塞的化学表面处理方法，其特征在于其中所说的含铈稀土金属粉末是金属铈的粉末。

3、如权利要求1所述的活塞的化学表面处理方法，其特征在于其中所说的碱金属碳酸盐是碳酸钠。

4、如权利要求1所述的活塞的化学表面处理方法，其特征在于其中所说的碱金属亚硝酸盐是亚硝酸钠。

5、如权利要求1所述的活塞的化学表面处理方法，其特征在于其中所说的碱金属氯化物是氯化钠。

6、如权利要求1所述的活塞的化学表面处理方法，其特征在于其中所说的操作温度为230-240℃。

7、如权利要求1或6所述的活塞的化学表面处理方法，其特征在于其中所说的操作温度的保持时间为13-16小时。