专利名称：一种表面处理内燃机活塞及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一内燃机活塞，更具体地涉及到内燃机活塞的表面处理。
背景技术：
内燃机活塞要求工作温度高，热冲击大，速度高摩擦频繁，普通活塞(单纯的铸铝或铝合金材质)难以满足工况恶劣的条件下工作，长期制约着发动机综合性能的提高。为此国内外科技人员实施了各种举措如“阳极化处理”、“等离子气相沉积陶瓷化处理”、“喷涂聚四氟乙烯处理”等，渴望能够解决以上难点，但结果只是单方面的解决难点，并未从总体上解决上述难点。
等离子体微弧氧化是一种直接在铝合金表面原位生长陶瓷层的新技术。它是近十几年在阳极氧化的基础上发展起来的，但两者在机理、工艺、以及的性质上都有许多区别。活塞顶部微弧氧化是将活塞顶部置于电解质水溶液中，利用电化学方法在该材料的表面微孔中产生火花放电的斑点，在热化学下、等离子体化学和电化学的共同作用下生成陶瓷膜的方法。活塞样品放入电解质水溶液中，通电后，表面立即生成很薄的一层氧化膜，当样品上施加的电压超过某一临界值时，这层绝缘膜上的某些薄弱环节被击穿，发生微弧放电现象，浸在溶液里的样品表面上可以看到无数个游动的弧点和火花。因为击穿总是在氧化膜相对薄弱的部位发生，当氧化物绝缘膜被击穿后，在该部位生成新的氧化膜，击穿点转移到其它相对薄弱的区域，最终形成的氧化膜是均匀的。这种氧化膜是由γ-Al2O3、α-Al2O3组成，可以获得较高的耐磨性、耐腐蚀性、耐热冲击性，提高发动机的寿命和效率。
微弧氧化装置主要有电源及调压控制系统、电解槽、搅拌系统冷却系统四部分组成。电源及调压控制系统提供了微弧氧化所需的高压电，电解槽通常由不锈钢制成，兼做阴极，内盛微弧氧化电解质水溶液；搅拌系统可以提高溶液中电解质的均匀性；循环系统可以保证电解液的相对稳定。
目前，俄罗斯在研究规模和水平上占优势，我国在引进吸收俄罗斯技术的基础上，现在开始以耐磨，耐高温冲击，耐腐蚀涂层的形式走向使用阶段，国内研究并成功应用于使用的单位并不多，主要有北京师范大学低能核物理研究所在这方面的研究工作较为系统，他们对铝合金微弧氧化陶瓷层的制备过程、能量交换、膜的形貌结构以及应用都进行了探讨。哈尔滨环亚微弧技术有限公司已有实验阶段转向小批试生产，并已建成一条半自动化生产线。截止目前该技术成功应用于活塞顶部的案例尚未报道。
二硫化钼(MoS2)涂层是一种优质的润滑剂，具有摩擦系数小(0.05左右)减磨性好等优点，活塞裙部喷涂二硫化钼它能改善磨合状况及减小拉缸故障，并可使缸套的耐磨性提高1-2倍，另外二硫化钼涂层的摩擦系数随负荷的提高而逐步降低，并且成膜性好。因此，活塞顶部微弧氧化陶瓷层，裙部喷涂MoS2的应用必将大大提高发动机的综合性能，使用前景广阔。
发明内容
本发明的目的是克服现有活塞技术存在的缺点，集成利用微弧氧化处理技术、MoS2喷涂技术处理活塞，以使活塞的耐高温冲击性、耐腐蚀性及耐磨性等综合性能得到大幅度提高。
本发明是通过如下方案实现的一种表面处理内燃机活塞，其基体由铝合金铸造而成，工作面包括顶部、裙部，其特征在于在活塞基体的顶部表面上有一陶瓷层，裙部有一MoS2喷涂层。
为满足活塞的综合性能要求，一般控制陶瓷层的厚度在0.08-0.15mm；MoS2喷涂层的厚度0.01-0.03mm。
一种表面处理表面处理内燃机活塞的制造方法，包括活塞顶部陶瓷层及活塞裙部MoS2喷涂层的制造方法，陶瓷层采用微弧氧化工艺，氧化液的PH值9-13，使用去离子水，并设置有恒电流、恒电压控制装置和氧化液热交换温控装置；MoS2喷涂层的制造工艺步骤包括以下步骤活塞表面清洗—预热—喷涂—一次烘烤—二次烘烤。
更具体地，陶瓷合金层微弧氧化工艺电压在600-800V，电流在10-25A/dm2，氧化液温度在20-60℃。随着氧化时间的延长陶瓷氧化膜层也随之不断形成及增加厚度，氧化时间越长，陶瓷膜层的致密度越高，但表面的粗糙度也随之增加，一般情况下，微弧氧化时间应根据使用技术要求膜层厚度来决定，一般都控制在20-50分钟范围内，即可获取微弧氧化铝合金表面生成生成的高硬度、高耐冲击、高耐腐蚀陶瓷膜层。
优化的微弧氧化工艺电压在600-650V，电流在15-20A/dm2，氧化液温度在20-60℃，氧化时间25-35分钟。
MoS2喷涂层的制造工艺通过前处理、调整其配方和添加剂、喷涂温度、烘烤时间等来提高和增强二硫化钼层的质量。加工完毕的铝合金活塞，擦洗去油、尘等污物，用四氯乙烯或三氯乙烯的蒸气脱脂清洗后进行预热到120-140℃左右，将环槽、销孔等不需喷徐的部位保护好后置于喷徐机上，用喷枪将MoS2喷到活塞裙部上。喷涂厚度为0.01-0.03mm。Mos2喷涂液配方为在每100ML溶剂中含2-5g硼酸、8-12g氟硅酸铅[Pb[siF6]2和5-10g/Mos2。配方中硼酸与氟硅酸铅的加入能使MoS2粉末保持均匀悬浊掖状态，不仅使喷涂的厚度均一，而且能显著提高其结合强度。喷涂时，活塞温度保持在100-140℃左右，通过温度控制来决定膜层质量，温度过高，厚度易超过，温度过低，二硫化钼粘结不良，且厚度不均。喷涂后要进行烘烤，烘烤温度及时间控制决定了二硫化钼的粘接质量。一般烘烤分两次，一次烘烤温度130-140℃，持续时间25-30分钟，取出擦去表面过剩的粉末，然后进行二次烘烤，在125-135℃下持续25-35分钟，使MOS2粉末完全粘结。
上述方法制造的活塞耐冲击、耐腐蚀、耐磨性能大大提高，装机后和普通铝合金活塞相比①扭矩提高4Nm、功率提高2Kw以上；②耐久性提高，大修里程延长50％-100％；③机械效率提高2％以上；④尾气排放CO、HC含量明显下降。
本发明的活塞制造方法中，活塞顶部微弧氧化陶瓷层工艺和裙部喷涂二硫化钼工艺主要优点是工艺容易掌握和实现参数自动控制，易于组织工业化大生产，设备占地面积小，处理能力强，生产效率高，在不降低材质γ-Al2O3、α-Al2O3陶瓷膜值及不改变合金工件原几何尺寸、表面粗糙度的条件下，可大幅度提高活塞的耐磨、耐腐蚀、抗高温冲击性能，满足各种恶劣工况条件下的需要。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的活塞顶部微弧氧化处理装置结构示意图。
图3为本发明的活塞裙部MoS2喷涂装置示意图。
图中，1.活塞顶部，2.陶瓷合金层，3.裙部，4.MOS2喷涂层，5.活塞基体，71.高压电源，72.控制系统，73.去离子水冷却泵，74.殃及接线柱，75.电解槽，76.绝缘棒，77.搅拌系统，78.工装，79.活塞，710.电解液，81.电机，82、83、84、815.皮带轮，85.行程开关，86.螺母，87.喷枪架，.88.丝杠轴，89.电磁铁，810.喷枪，811.活塞812.止口盘，813.止口座，814.主轴具体实施方式
一种表面处理内燃机活塞，在活塞基体(5)的顶部表面上有一陶瓷层(2)，厚度为0.08-0.15mm，裙部(3)有一MoS2喷涂层，厚度为0.01-0.03mm。
上述表面处理内燃机活塞的制造方法，包括活塞顶部陶瓷层(2)及活塞裙部(3)MoS2喷涂层的制造方法，陶瓷合金层采用微弧氧化工艺，氧化液的PH值9-12，使用去离子水，并设置有恒电流、恒电压控制装置和氧化液热交换温控装置，电压在600-650V，电流在15-20A/dm2，氧化液温度在20-60℃，氧化时间30分钟；MoS2喷涂层的制造工艺步骤包括以下步骤活塞表面清洗--预热--喷涂--一次烘烤--二次烘烤。加工完毕的铝活塞基体(5)，擦洗去油、尘等污物，用四氯乙烯或三氯乙烯的蒸气脱脂清洗后进行预热(120-140℃左右)，将环槽、销孔等不需喷徐的部位保护好后置于喷徐机上，用喷枪将Mos2喷到活塞裙部(3)上。喷涂厚度为0.01-0.03mm。MoS2喷涂液配方为在每100ML溶剂中加2-5g硼酸、8-12g氟硅酸铅[Pb[siF6]2和5-10g/MoS2。配方中硼酸与氟硅酸铅的加入能使MoS2粉末保持均匀悬浊掖状态，不仅使喷涂的厚度均一，而且能显著提高其结合强度。喷涂时，活塞温度保持在100-140℃左右，通过温度控制来决定膜层质量，温度过高，厚度易超过，温度过低，二硫化钼粘结不良，且厚度不均。喷涂后要进行烘烤，烘烤温度及时间控制决定了二硫化钼的粘接质量。
上述实施例中活塞顶部微弧氧化处理所使用的装置结构见附图2；活塞裙部MoS2喷涂所使用的装置见附图3。
计算活塞顶部表面积，在恒温室中测量活塞顶部厚度和裙部型线尺寸、清洗活塞表面，优选各项工艺参数，配制合适的氧化液成份和组分，将电压升至500V，最初电流在10-15A，启动电解液冷却和搅拌系统。此值随氧化膜层厚度，氧化时间的变化而变化，注意控制陶瓷膜层生成初始时间的最佳生成速度，为氧化膜转向内部生长创造条件，微弧氧化电流、电压的控制、氧化时间的控制是提高活塞顶部陶瓷层厚度的关键。微弧氧化电压控制在600-650范围内变化，氧化电流控制在10-15A/dm2范围内变化，氧化液温度控制在20-60℃范围内变化浸泡在氧化液中的零件表面在较高的电压施加下，使其表面初始生成一层膜层，当绝缘氧化层局部被击穿，产生微压等离子弧光放电，在等离子微弧放电产生的高密度能量作用下，活塞顶部表面与氧化面形成瞬时高温、高压微弧，氧化膜及界面层的的氧化液等物质被熔融形成γ-Al2O3、α-Al2O3陶瓷膜。氧化时间根据技术工艺参数要求，陶瓷层厚度确定氧化时间为30分钟。通过优化微弧氧化膜层的生长过程的电流效率与微弧氧化时间量的工艺参数，最终获取最佳经济厚度的耐腐蚀，耐高温冲击陶瓷层根据裙部技术要求，优选工艺参数和溶液配比，喷涂时活塞温度控制在125℃左右，温度过高，厚度易超过；温度过低，二硫化钼粘结不良，且厚度不均。喷涂后要进行烘烤，第一次在140℃左右烘烤30min左右、以提高二硫化钼的粘结强度；第一次烘烤后用软棉纱擦去过剩的二硫化钼粉末，再在130℃左右烘烤30min左右，使其完全粘结。
权利要求
1.一种表面处理内燃机活塞，其基体由铝合金铸造而成，工作面包括顶部、裙部，其特征在于在活塞基体的顶部表面上有一陶瓷层，裙部有一MoS2喷涂层。
2.如权利要求1所述的表面处理内燃机活塞，其特征在于陶瓷层的厚度0.08-0.15mm；MoS2喷涂层的厚度0.01-0.03mm。
3.一种表面处理内燃机活塞的制造方法，包括铝合金活塞体基体的铸造和表面加工处理，其特征在于活塞基体顶部表面上采用微弧氧化工艺附着上一层陶瓷层，上述陶瓷层氧化液使用去离子水，氧化液的PH值9-13，并设置有恒电流、恒电压控制装置和氧化液热交换温控装置；活塞基体的裙部表面上喷涂一层MoS2，MoS2喷涂层的制造工艺步骤包括活塞表面清洗--预热--喷涂--一次烘烤--二次烘烤。
4.如权利要求3所述的一种表面处理内燃机活塞的制造方法，其特征在于所述的陶瓷层微弧氧化工艺电压在600-800V，电流在10-25A/dm2，氧化液温度在20-60℃，氧化时间20-50分钟。
5.如权利要求3或4所述的一种表面处理内燃机活塞的制造方法，其特征在于所述的陶瓷层微弧氧化工艺电压600-650V，电流15-20A/dm2，氧化温度20-60℃，氧化时间25-35分钟。
6.如权利要求3所述的一种表面处理内燃机活塞的制造方法，其特征在于MoS2喷涂层的制造工艺活塞基体预洗后，用四氯乙烯或三氯乙烯的蒸气脱脂清洗，预热到120-140℃，将环槽、销孔等不需喷涂的部位保护好后置于喷涂机上，用喷枪将MoS2喷到活塞基体的裙部上，喷涂厚度为0.01-0.03mm，喷涂温度110-140℃；MoS2喷涂液配方为在每100ML溶剂中含2-5g硼酸、8-12g氟硅酸铅[Pb[SiF6]2和5-10g/MoS2；一次烘烤温度130-150℃，持续时间25-35分钟，取出擦去表面过剩的粉末，再二次烘烤，烘烤温度在125-135℃下持续25-35分钟。
全文摘要
本发明涉及一内燃机活塞，更具体地为一种表面处理内燃机活塞及其制造方法，活塞基体由铝合金铸造而成，工作面包括顶部、裙部，其特征在于在活塞基体的顶部表面上有一陶瓷层，裙部有一MoS
文档编号C25D11/04GK1851251SQ20061004394
公开日2006年10月25日 申请日期2006年5月15日 优先权日2006年5月15日
发明者张书民, 颜君衡, 孔令东, 张鲁京, 宋文启, 孔德芬, 魏运财 申请人:曲阜金皇活塞股份有限公司