CN1554807A

CN1554807A - 铝合金铸件微弧氧化处理电解溶液

Info

Publication number: CN1554807A
Application number: CNA2003101222010A
Authority: CN
Inventors: 李均明; 蒋百灵; 孙俊图; 白力静; 时惠英
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2023-12-22
Also published as: CN1252321C

Abstract

铝合金铸件微弧氧化处理电解溶液，采用微弧氧化设备对铝合金缸体表面进行微弧氧化处理，由于采用磷酸钠、硅酸钠、氢氧化钾、钼酸钠配置的电解溶液，通过对置于电解溶液中的缸体加压，就会在铝合金缸体表面生成一层以氧化铝为主要成分的氧化铝陶瓷层。对所形成的氧化铝陶瓷层，铝原子来自于铝合金，陶瓷层形成和生长过程仅消耗电解溶液中的氧离子，并且整个处理过程无污染源产生，陶瓷层与基体的结合强度提高。将缸体置于碱性电解溶液中；通过电源对缸体加压，在缸体内表面原位生长一层致密的Al₂O₃陶瓷层。由于陶瓷层表面均匀分布着微米级的盲性微孔，在减摩条件下，表面易形成一层均匀的连续分布的油膜，提高了缸体内表面的耐磨性。

Description

铝合金铸件微弧氧化处理电解溶液

技术领域

本发明属于铝合金铸件硬化处理工艺技术，特别涉及一种适合铝合金缸体或铝合金活塞的微弧氧化处理的电解溶液。

技术背景

铝合金因其轻质及易成型等特性而成为汽(柴)油发动机的主耗材之一，但耐磨性、抗擦伤性能较差，限制了其在发动机缸体上作为摩擦副直接的应用，必须进行合适的内表面硬化处理或镶嵌耐磨缸套。

自60年代末至今，在GM、Mereedes、Audi和Porsche公司的某些车辆中，一直采用过共晶铝-硅合金来制造没有灰铸铁缸套的汽车发动机机体。采用严格规定的珩磨和侵蚀工艺，使合金中的颗粒状硅凸出于铝基体表面，从而使缸孔具有良好的耐磨性和抗拉性。

近年来，由于材料和工艺的发展，汽车制造商正探索在机体中采用金属基复合材料(MMC)缸套的可能性。复合材料将韧性的金属基体与具有良好耐磨性和低摩擦系数的硬质非金属纤维或颗粒(Sic、Al₂O₃、C等)相结合，可望具有优良的性能。一个成功的实例是本田公司的Prelude车上的2.2LDOHC I-4发动机。它采用挤压铸造法将氧化铝/碳纤维预制件铸入发动机机体中，即成为金属基复合材料缸套。

在需要一个硬质、耐磨或低摩擦系数表面的应用领域中，广泛采用电镀技术。然而，在汽车工业，除Mahle公司采用的Nikasil外，很少有使用缸套镀层的。Nikasil工艺是将一薄层内部分散着SiC颗粒的电解镍作为镀层。这一工艺一直在赛车发动机，如Corvette ZR1和Proche 911发动机中使用。

上述几种发动机缸体的制造工艺，虽然解决了减轻发动机的重量问题，并且对环境不会造成污染，由于这些工艺复杂，工艺费钱费时，所以一直未在大批量生产的车辆中获得应用。尤其在我国，目前还没有使用上述制造工艺的先例，对于大型车辆应用的仍然是处理成本相对较低的铝合金缸体内镶嵌缸套。而对于小型汽油机(如油锯、风力灭火机等一些二冲程发动机)缸体内表面，由于尚无合适的替代工艺，仍然采用严重污染环境的电镀硬铬，工艺配方及操作条件如下：

Cr₂O₃ 220～250g/L；Cr₂O₃·H₂SO₄ 100∶1；Cr³⁺1～6g/L；温度58±2℃；电流密度66A/dm²。铬离子(尤其六价铬离子)对环境及人体的危害已人人皆知。正是由于铬具有污染环境和危害人体健康，欧盟会员国已提出至2003年将全面禁止业界使用以铬系溶液处理金属表面。因此，开发处理成本可为产业界接受的无污染替代工艺势在必行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高活塞环与缸体间的耐磨性的铝合金铸件微弧氧化处理电解溶液。

铝合金铸件微弧氧化处理电解溶液，其改进之处在于：所说的电解溶液按重量与总体积比是：包括磷酸钠10g/L-20g/L，硅酸钠5g/L-10g/L，氢氧化钾1g/L-4g/L，钼酸钠10g/L-15g/L。电解溶液的pH值范围：8～12。将待处理的铝合金缸体或铝合金活塞置于电解溶液中，将置于溶液当中的不锈钢管作为阴极，铝合金缸体外壁或铝合金活塞作为阳极，电源采用直流脉冲电源。即将不锈钢管接电源的负极，铝合金缸体外壁或铝合金活塞接电源的正极，通以脉冲直流电场，通过电源对铝合金缸体或铝合金活塞施加电压，电压值在550V-650V，时间是30～60min，在铝合金铸件上生成一层以氧化铝为主要成份的氧化铝陶瓷层。

包括磷酸钠12g/L-18g/L，硅酸钠7g/L-9g/L，氢氧化钾2g/L-3g/L，钼酸钠12g/L-14g/L。

由于采用了所述的电解溶液，通过对置于电解溶液中的铝合金缸体或铝合金活塞加压，就会在铝合金铸件表面生成一层以氧化铝为主要成份的氧化铝陶瓷层。对所形成的氧化铝陶瓷层，铝原子来自于铝合金，陶瓷层形成和生长过程仅消耗电解溶液中的氧离子，并且整个处理过程无污染源产生，陶瓷层与基体的结合强度提高。

本发明具有以下优点：

(1)处理工序少，工艺简单，成本低；

(2)由于在氧化反应中的弧光放电，弧区反应温度高，有利于生成具有高硬度的α-Al₂O₃，生成陶瓷层硬度可达1000HV以上，同时由于陶瓷层本身的导热性较低，减少了铝合金铸件内部的热量丧失，提高了热效率；

(3)由于铝合金铸件微弧氧化陶瓷层的表面分布着均匀的纳米级盲性微孔，在减摩条件下，润滑油由于毛细作用进入微孔，从而使铝合金铸件的表面吸附着一层均匀的连续分布的油膜，降低了活塞环与缸体间的摩擦系数，提高了耐磨性；

(4)微弧氧化陶瓷层与铝合金基体以冶金形式结合，陶瓷层与基体的结合强度高。

附图说明

图1是本发明铝合金缸体表面微弧氧化结构图；

图2是本发明铝合金活塞微弧氧化结构图。

具体实施方式

铝合金铸件微弧氧化处理电解溶液，包括将待处理的铝合金缸体1或铝合金活塞5置于电解溶液中，将置于电解溶液中的不锈钢管2作为阴极，缸体1外壁或铝合金活塞5作为阳极，其具体处理工艺按以下步骤进行：

1)配制电解溶液：

电解溶液按重量与总体积比：包括磷酸钠10g/L-20g/L，硅酸钠5g/L-10g/L，氢氧化钾1g/L-4g/L，钼酸钠10g/L-15g/L，同时还可以包括碳酸钠5g/L-8g/L，钨酸钠2g/L-5g/L；

包括磷酸钠12g/L-18g/L，硅酸钠7g/L-9g/L，氢氧化钾2g/L-3g/L，钼酸钠12g/L-14g/L，同时还可以包括碳酸钠6g/L-8g/L，钨酸钠3g/L-5g/L。

碱性电解溶液为磷酸系电解溶液，电解溶液pH值范围：8～12；

2)将铝合金缸体1或铝合金活塞5置于配制好的电解溶液中；

3)将不锈钢管2接电源3的负极，铝合金缸体1或铝合金活塞5外壁接电源3的正极；通过电源3对铝合金铸件施加电压；加压550V-650V，时间30～60min就会在铝合金铸件表面原位生长一层致密的Al₂O₃陶瓷层。电源3采用直流脉冲电源。

本发明的实施例一：电解溶液为磷酸系电解溶液，按重量与总体积比，取磷酸钠15g/L，硅酸钠8g/L，氢氧化钾3g/L，钼酸钠13g/L，碳酸钠7g/L，钨酸钠3g/L配制碱性电解溶液。将配制好的电解溶液pH值范围调在8-12之间，将铝合金缸体1或铝合金活塞5置于电解溶液中。再将不锈钢管2接电源3的负极，铝合金缸体1的外壁或铝合金活塞5接电源3的正极；通过电源3对铝合金缸体1或铝合金活塞5施加电压，加压600V，时间45min，就会在铝合金铸件表面原位生长一层致密的Al₂O₃陶瓷层。

本发明的实施例二：电解溶液为磷酸系电解溶液，按重量与总体积比，取磷酸钠12g/L，硅酸钠6g/L，氢氧化钾2g/L，钼酸钠12g/L配制，碳酸钠6g/L，钨酸钠3g/L配制碱性电解溶液。将配制好的电解溶液pH值范围调在8-12之间，将铝合金缸体1或铝合金活塞5置于电解溶液中。再将不锈钢管2接电源3的负极，铝合金缸体1外壁或铝合金活塞5接电源3的正极；通过电源3对铝合金缸体1或铝合金活塞5施加电压，加压550V，时间40min，就会在铝合金铸件表面原位生长一层致密的Al₂O₃陶瓷层。

本发明的实施例三：电解溶液为磷酸系电解溶液，按重量与总体积比，取磷酸钠19g/L，硅酸钠9g/L，氢氧化钾4g/L，钼酸钠14g/L配制，碳酸钠8g/L，钨酸钠4g/L配制碱性电解溶液。将配制好的电解溶液的pH值范围调在8-12之间，将铝合金缸体1或铝合金活塞5置于电解溶液中。再将不锈钢管2接电源3的负极，铝合金缸体1外壁或铝合金活塞5接电源3的正极；通过电源3对铝合金缸体1或铝合金活塞5施加电压，加压650V，时间60min，就会在铝合金铸件表面原位生长一层致密的Al₂O₃陶瓷层。

本发明在直流脉冲电场作用下，使铝合金铸件表面原位氧化成满足不同性能要求的氧化铝陶瓷层。在微弧氧化过程中，单脉宽Δt时间内传递给待处理样品表面的能量递增和递减速度[d(IV)/dt]是影响氧化铝陶瓷层致密性和硬度的控制因素，同时又由于Δt和总能耗成正比关系，因此，在电压V满足击穿要求的前提下，通过对IGBT、IEGT、IGCT等一系列智能模块的控制，随着微弧氧化过程的进行，电源系统驱使Δt由ms向μs量级转化，并对脉数分配模式按设定顺序进行自动调整。

本发明通过微弧氧化技术在铝合金铸件表面原位生长一层氧化铝陶瓷层，

(1)陶瓷层生长过程是在放电微区原位生长而成，陶瓷层与基体的结合强度高，在活塞高速往复运动及高温高压条件下，陶瓷层不易从缸体上剥落。

(2)所生成的氧化铝陶瓷层具有μm级的盲型微孔，其形成连续油膜作用的能力将优于电镀硬铬层中的微裂纹，加上氧化铝陶瓷层的高硬度，其减磨条件下的擦损性能远远优于电镀硬铬。

Claims

1、铝合金铸件微弧氧化处理电解溶液，其特征在于：电解溶液是磷酸系电解溶液，按重量与总体积比：包括磷酸钠10g/L-20g/L，硅酸钠5g/L-10g/L，氢氧化钾1g/L-4g/L，钼酸钠10g/L-15g/L。

2、根据权利要求1所述的铝合金铸件微弧氧化处理电解溶液，其特征在于：所说的电解溶液按重量与总体积比：包括磷酸钠12g/L-18g/L，硅酸钠7g/L-9g/L，氢氧化钾2g/L-3g/L，钼酸钠12g/L-14g/L。

3、根据权利要求1或2所述的铝合金铸件微弧氧化处理电解溶液，其特征在于：所说的电解溶液按重量与总体积比，取磷酸钠15g/L，硅酸钠8g/L，氢氧化钾3g/L，钼酸钠13g/L配制成电解溶液。

4、根据权利要求1或2所述的铝合金铸件微弧氧化处理电解溶液，其特征在于：所说的电解溶液按重量与总体积比，取磷酸钠12g/L，硅酸钠6g/L，氢氧化钾2g/L，钼酸钠12g/L配制成电解溶液。

5、根据权利要求1或2所述的铝合金铸件微弧氧化处理电解溶液，其特征在于：按所说的电解溶液重量与总体积比，取磷酸钠19g/L，硅酸钠9g/L，氢氧化钾4g/L，钼酸钠14g/L配制成电解溶液。

6、根据权利要求1所述的铝合金铸件微弧氧化处理电解溶液，其特征在于：电解溶液的pH值范围：8～12。