一种用于钢活塞的金属‑陶瓷复合涂层的制作方法

本发明属于热障涂层领域，特别涉及一种用于钢活塞的金属-陶瓷复合涂层。

背景技术：

在铝活塞的制造中，常使用硬质阳极氧化、微弧氧化等电化学方法在活塞顶面制备隔热涂层，但是这些技术无法在钢活塞上使用。

现有技术有热喷涂法、烧结法直接在钢或钢活塞上制备氧化锆、氧化铝等涂层的，其中以等离子喷涂制备氧化铱稳定氧化锆的方案较多，并且在航空航天、锅炉等行业应用较多。

现有技术必须借助等离子喷涂设备进行，设备、材料成本高昂。

现有技术是直接在钢活塞表面喷涂陶瓷涂层，这种方法制备的涂层厚度均匀性、表面粗糙度均较差，同时这些材料硬度极高，难以使用常规的方法加工，不能满足活塞等尺寸精度要求很高的零部件的要求。

中国专利cn201611197652.4公开了一种内燃机锻钢活塞顶部隔热涂层的制备工艺，在活塞机体表面电镀或等离子喷涂一层预处理铝涂层，在预处理铝涂层表面进行阳极氧化或微弧氧化。但由于电镀过程中加热炉温度达750℃～850℃，保温30-40min，使钢活塞基体的高温强度(蠕变极限和持久强度)明显下降，该温度和时间下活塞已经整体变红，会产生严重锈蚀、变形，对活塞的整体性能影响巨大，报废几率极大。同时，这种工艺耗费时间较长，生产效率较低。

该专利提及的电镀铝涂层厚度为200±50μm，这种厚度对车削加工的重复定位精度来说难度很大，极易因重复装夹带来的偏差导致将铝涂层完全车掉，同时，电镀过程的高温带来的剧烈锈蚀、变形，进一步加剧了装夹精度的偏差。

由于涂层总厚度较大，对活塞尺寸的影响不可忽略，该专利中也未提及相关的解决办法。

技术实现要素：

为了克服上述不足，本发明提供一种用于钢活塞的金属-陶瓷复合涂层。采用电弧喷涂技术替代电镀、热浸镀或等离子喷涂先在钢活塞顶面制备一层致密的铝、镁、钛等易于进行电化学氧化的材料，然后在此基础上使用硬质阳极氧化、微弧氧化等电化学方法制备隔热层，制备的钢活塞涂层尺寸精度高、隔热性能优异。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于钢活塞的金属-陶瓷复合涂层的制备方法，包括：

对钢活塞的待处理区进行机械加工，为后续涂层的制备预留尺寸；

采用电弧喷涂法在机械加工后的钢活塞表面形成一层金属过渡层；

对覆盖有金属过渡层的钢活塞进行二次机械加工；

采用电化学方法在经过二次机械加工的钢活塞的金属过渡层表面制备陶瓷隔热层。

本申请研究中发现：现有的等离子喷涂由于采用粉末原料，在喷涂铝涂层的过程中易因粉末温度过高导致铝粉末爆炸，不适用于铝过渡层的制备和大规模生产。为此，本发明对不同喷涂工艺下，钢活塞金属过渡层的形成规律和影响因素进行了系统分析，发现：采用电弧喷涂可以有效避免等离子喷涂过程中金属粉末易爆炸的问题，提高钢活塞耐腐蚀、高温强度性能，降低燃烧时热量向下的传导，又不至于使燃烧室整体温度过高，同时，金属过渡层与钢活塞的结合强度高，利于后续电化学法沉积陶瓷涂层。

优选的，所述电弧喷涂的条件为喷涂电压30-50v，电流200-300a，采用纯度99.999％的纯铝丝，丝径1.0mm，送丝速度10-20mm/s，压缩气压力0.6-0.8mpa，喷涂时间3-5min。

优选的，所述金属过渡层为铝镀层、镁镀层、钛镀层或上述元素组成合金镀层。

优选的，所述金属过渡层的厚度为250±50μm。通过适当增加涂层厚度保证后续车削加工的定位精度。

优选的，所述二次机械加工为车削加工。

优选的，所述车削加工使用pcd车刀，多刀成型。

优选的，所述多次成型工艺为：前n-1刀为粗车：车床主轴转速为500-700r/min，进给量0.1-0.2mm/r，切削深度0.1mm；最后一刀为精车：车床主轴转速为700-1000r/min，进给量0.1-0.2mm/r，切削深度0.05mm。

优选的，所述电化学方法为硬质阳极氧化法或微弧氧化法。

优选的，所述硬质阳极氧化法的条件为：采用硫酸系电解液，硫酸浓度15-20％，电流10-20a/dm²、电压80-150v、时间5-30min、温度13-16℃、流量4000-6000l/h，厚度10-250μm。

本发明还提供了任一上述方法组合制备的钢活塞的金属-陶瓷复合涂层，所述陶瓷层的厚度范围为10-250μm。

本发明的有益效果

(1)本专利制备的金属-陶瓷复合涂层尺寸精度高，粗糙度好，接近机械加工精度，能够满足精密部件的尺寸要求，处理工艺对活塞基材性能无不利影响；

(2)本专利使用的设备较为简单，前期投入低，电弧喷涂的设备价格仅为等离子喷涂的1/10左右。

(3)本发明制备方法简单、效率高、实用性强，易于推广；

(4)本发明解决了钢活塞无法使用电化学法直接制备陶瓷层的问题；

(5)本发明解决了直接使用等离子喷涂制备陶瓷层后尺寸精度无法保证的问题；

(6)本发明可有效降低燃烧时的热量向下传导，又不至于使燃烧室整体温度过高；

(7)本发明有效的解决了钢活塞顶面易腐蚀、热开裂的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1金属-陶瓷复合涂层剖面示意图；

图2电弧喷涂纯铝示意图；

图3二次机械加工示意图；

图4硬质阳极氧化示意图；

其中，1活塞，2纯铝层，3陶瓷层，4电弧喷枪，5铝丝，6电源负极，7电源正极，8压缩气，9金属射流，10车刀，11阳极板，12密封工装，13电解液，14喷管。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

涂层的剖面结构如附图1所示。

方法的步骤为：

预留尺寸→2、电弧喷涂纯铝金属层→3、二次机械加工→4、硬质阳极氧化。

详细说明：(假设金属层为a，陶瓷层为b，则涂层总厚度a＝a+b/2)

1、预留尺寸：在制备涂层之前，需要为涂层厚预留尺寸，以防涂层厚度影响活塞尺寸，具体做法是在加工活塞时在欲处理区域额外多加工掉一层，加工量与涂层厚度a一致；

2、电弧喷涂纯铝金属层：采用电弧喷涂工艺在预定位置喷涂纯铝层，喷涂电压30-50v，电流200-300a，采用纯度99.999％的纯铝丝，丝径1.0mm，送丝速度10-20mm/s，压缩气压力0.6-0.8mpa，时间3-5min。喷涂厚度应≥a+0.15mm，喷涂区域应略大于预留区域，以方便后续的二次机械加工，如附图2所示；

3、二次机械加工：根据活塞结构，采用车削方法将喷涂区域加工至一定尺寸，使用pcd车刀(人工合成金刚石)，多刀成型，第n-1刀为粗车：车床主轴转速为500-700r/min，进给量0.1-0.2mm/r，切削深度0.1mm，第n次为精车：车床主轴转速为700-1000r/min，进给量0.1-0.2mm/r，切削深度0.05mm。此时纯铝金属层厚度为250±50μm，外观上以无喷涂面为准，如附图3所示；

4、硬质阳极氧化：采用硬质阳极氧化的方法制备陶瓷隔热层，采用硫酸系电解液，硫酸浓度15-20％，电流(10-20a/dm²)、电压(80-150v)、时间(5-30min)、温度(13-16℃)、流量(4000-6000l/h)，可以精确控制陶瓷层厚度，该厚度根据活塞工况选择，厚度范围为10-250μm，厚度越厚隔热效果越好，但相应的生产效率较低，如附图4所示。

以上过程仅为其中一种制备方案，其它方法组合，包括电弧喷涂铝、镁、钛及其合金等金属过度层，与硬质阳极氧化、微弧氧化等电化学法制备陶瓷层的多种组合均可实现类似效果。

实施例1

方法的步骤为：

预留尺寸→2、电弧喷涂纯铝金属层→3、二次机械加工→4、硬质阳极氧化。

详细说明：(假设金属层为a，陶瓷层为b，则涂层总厚度a＝a+b/2)

1、预留尺寸：在制备涂层之前，需要为涂层厚预留尺寸，以防涂层厚度影响活塞尺寸，具体做法是在加工活塞时在欲处理区域额外多加工掉一层，加工量与涂层厚度a一致；

2、电弧喷涂纯铝金属层：采用电弧喷涂工艺在预定位置喷涂纯铝层，喷涂电压30-50v，电流200-300a，采用纯度99.999％的纯铝丝，丝径1.0mm，送丝速度10-20mm/s，压缩气压力0.6-0.8mpa，时间3-5min。喷涂厚度应≥a+0.15mm，喷涂区域应略大于预留区域，以方便后续的二次机械加工，如附图2所示；

3、二次机械加工：根据活塞结构，采用车削方法将喷涂区域加工至一定尺寸，使用pcd车刀(人工合成金刚石),两次成型，第一次粗车：车床主轴转速为500-700r/min，进给量0.1-0.2mm/r，切削深度0.1mm，第二次精车：车床主轴转速为700-1000r/min，进给量0.1-0.2mm/r，切削深度0.05mm。此时纯铝金属层厚度a为250±50μm，外观上以无喷涂面为准，如附图3所示；

4、硬质阳极氧化：采用硬质阳极氧化的方法制备陶瓷隔热层，采用硫酸系电解液，硫酸浓度15-20％，电流(10-20a/dm²)、电压(80-150v)、时间(5-30min)、温度(13-16℃)、流量(4000-6000l/h)，可以精确控制陶瓷层厚度，该厚度根据活塞工况选择，厚度范围为10-250μm，厚度越厚隔热效果越好，但相应的生产效率较低，如附图4所示。

实施例2

方法的步骤为：

预留尺寸→2、电弧喷涂纯镁金属层→3、二次机械加工→4、硬质阳极氧化。

详细说明：(假设金属层为a，陶瓷层为b，则涂层总厚度a＝a+b/2)

1、预留尺寸：在制备涂层之前，需要为涂层厚预留尺寸，以防涂层厚度影响活塞尺寸，具体做法是在加工活塞时在欲处理区域额外多加工掉一层，加工量与涂层厚度a一致；

2、电弧喷涂纯镁金属层：采用电弧喷涂工艺在预定位置喷涂纯镁层，喷涂电压30-50v，电流200-300a，采用纯度99.999％的纯镁丝，丝径1.0mm，送丝速度10-20mm/s，压缩气压力0.6-0.8mpa，时间3-5min。喷涂厚度应≥a+0.15mm，喷涂区域应略大于预留区域，以方便后续的二次机械加工，如附图2所示；

3、二次机械加工：根据活塞结构，采用车削方法将喷涂区域加工至一定尺寸，使用pcd车刀(人工合成金刚石)，两次成型，第一次粗车：车床主轴转速为500-700r/min，进给量0.1-0.2mm/r，切削深度0.1mm，第二次精车：车床主轴转速为700-1000r/min，进给量0.1-0.2mm/r，切削深度0.05mm。此时纯镁金属层厚度a为250±50μm，外观上以无喷涂面为准，如附图3所示；

4、硬质阳极氧化：采用硬质阳极氧化的方法制备陶瓷隔热层，采用硫酸系电解液，硫酸浓度15-20％，电流(10-20a/dm²)、电压(80-150v)、时间(5-30min)、温度(13-16℃)、流量(4000-6000l/h)，可以精确控制陶瓷层厚度，该厚度根据活塞工况选择，厚度范围为10-250μm，厚度越厚隔热效果越好，但相应的生产效率较低，如附图4所示。

实施例3

方法的步骤为：

预留尺寸→2、电弧喷涂纯钛金属层→3、二次机械加工→4、硬质阳极氧化。

详细说明：(假设金属层为a，陶瓷层为b，则涂层总厚度a＝a+b/2)

1、预留尺寸：在制备涂层之前，需要为涂层厚预留尺寸，以防涂层厚度影响活塞尺寸，具体做法是在加工活塞时在欲处理区域额外多加工掉一层，加工量与涂层厚度a一致；

2、电弧喷涂纯钛金属层：采用电弧喷涂工艺在预定位置喷涂纯钛层，喷涂电压30-50v，电流200-300a，采用纯度99.999％的纯钛丝，丝径1.0mm，送丝速度10-20mm/s，压缩气压力0.6-0.8mpa，时间3-5min。喷涂厚度应≥a+0.15mm，喷涂区域应略大于预留区域，以方便后续的二次机械加工，如附图2所示；

3、二次机械加工：根据活塞结构，采用车削方法将喷涂区域加工至一定尺寸，使用pcd车刀(人工合成金刚石),两次成型，第一次粗车：车床主轴转速为500-700r/min，进给量0.1-0.2mm/r，切削深度0.1mm，第二次精车：车床主轴转速为700-1000r/min，进给量0.1-0.2mm/r，切削深度0.05mm。此时纯钛金属层厚度a为250±50μm，外观上以无喷涂面为准，如附图3所示；

4、硬质阳极氧化：采用硬质阳极氧化的方法制备陶瓷隔热层，采用硫酸系电解液，硫酸浓度15-20％，电流(10-20a/dm²)、电压(80-150v)、时间(5-30min)、温度(13-16℃)、流量(4000-6000l/h)，可以精确控制陶瓷层厚度，该厚度根据活塞工况选择，厚度范围为10-250μm，厚度越厚隔热效果越好，但相应的生产效率较低，如附图4所示。

实施例4

方法的步骤为：

预留尺寸→2、电弧喷涂铝镁合金金属层→3、二次机械加工→4、硬质阳极氧化。

详细说明：(假设金属层为a，陶瓷层为b，则涂层总厚度a＝a+b/2)

1、预留尺寸：在制备涂层之前，需要为涂层厚预留尺寸，以防涂层厚度影响活塞尺寸，具体做法是在加工活塞时在欲处理区域额外多加工掉一层，加工量与涂层厚度a一致；

2、电弧喷涂铝镁合金金属层：采用电弧喷涂工艺在预定位置喷涂铝镁合金层，喷涂电压30-50v，电流200-300a，采用铝镁合金丝5154(购自深州市惠泽铝线材有限公司)，丝径1.0mm，送丝速度10-20mm/s，压缩气压力0.6-0.8mpa，时间3-5min。喷涂厚度应≥a+0.15mm，喷涂区域应略大于预留区域，以方便后续的二次机械加工，如附图2所示；

3、二次机械加工：根据活塞结构，采用车削方法将喷涂区域加工至一定尺寸，使用pcd车刀(人工合成金刚石),两次成型，第一次粗车：车床主轴转速为500-700r/min，进给量0.1-0.2mm/r，切削深度0.1mm，第二次精车：车床主轴转速为700-1000r/min，进给量0.1-0.2mm/r，切削深度0.05mm。此时铝镁合金金属层厚度a为250±50μm，外观上以无喷涂面为准，如附图3所示；

4、硬质阳极氧化：采用硬质阳极氧化的方法制备陶瓷隔热层，采用硫酸系电解液，硫酸浓度15-20％，电流(10-20a/dm²)、电压(80-150v)、时间(5-30min)、温度(13-16℃)、流量(4000-6000l/h)，可以精确控制陶瓷层厚度，该厚度根据活塞工况选择，厚度范围为10-250μm，厚度越厚隔热效果越好，但相应的生产效率较低，如附图4所示。

实施例5

方法的步骤为：

预留尺寸→2、电弧喷涂钛镁合金金属层→3、二次机械加工→4、硬质阳极氧化。

详细说明：(假设金属层为a，陶瓷层为b，则涂层总厚度a＝a+b/2)

1、预留尺寸：在制备涂层之前，需要为涂层厚预留尺寸，以防涂层厚度影响活塞尺寸，具体做法是在加工活塞时在欲处理区域额外多加工掉一层，加工量与涂层厚度a一致；

2、电弧喷涂钛镁合金金属层：采用电弧喷涂工艺在预定位置喷涂钛镁合金层，喷涂电压30-50v，电流200-300a，采用钛镁合金(专利cn201310371214.5制备的钛镁合金材料)，丝径1.0mm，送丝速度10-20mm/s，压缩气压力0.6-0.8mpa，时间3-5min。喷涂厚度应≥a+0.15mm，喷涂区域应略大于预留区域，以方便后续的二次机械加工，如附图2所示；

3、二次机械加工：根据活塞结构，采用车削方法将喷涂区域加工至一定尺寸，使用pcd车刀(人工合成金刚石),两次成型，第一次粗车：车床主轴转速为500-700r/min，进给量0.1-0.2mm/r，切削深度0.1mm，第二次精车：车床主轴转速为700-1000r/min，进给量0.1-0.2mm/r，切削深度0.05mm。此时钛镁合金金属层厚度a为250±50μm，外观上以无喷涂面为准，如附图3所示；

4、硬质阳极氧化：采用硬质阳极氧化的方法制备陶瓷隔热层，采用硫酸系电解液，硫酸浓度15-20％，电流(10-20a/dm²)、电压(80-150v)、时间(5-30min)、温度(13-16℃)、流量(4000-6000l/h)，可以精确控制陶瓷层厚度，该厚度根据活塞工况选择，厚度范围为10-250μm，厚度越厚隔热效果越好，但相应的生产效率较低，如附图4所示。

实施例6

方法的步骤为：

预留尺寸→2、电弧喷涂铝钛合金金属层→3、二次机械加工→4、硬质阳极氧化。

详细说明：(假设金属层为a，陶瓷层为b，则涂层总厚度a＝a+b/2)

1、预留尺寸：在制备涂层之前，需要为涂层厚预留尺寸，以防涂层厚度影响活塞尺寸，具体做法是在加工活塞时在欲处理区域额外多加工掉一层，加工量与涂层厚度a一致；

2、电弧喷涂铝钛合金金属层：采用电弧喷涂工艺在预定位置喷涂铝钛合金层，喷涂电压30-50v，电流200-300a，采用铝钛合金alti10(ti的质量分数为9-11％)，丝径1.0mm，送丝速度10-20mm/s，压缩气压力0.6-0.8mpa，时间3-5min。喷涂厚度应≥a+0.15mm，喷涂区域应略大于预留区域，以方便后续的二次机械加工，如附图2所示；

3、二次机械加工：根据活塞结构，采用车削方法将喷涂区域加工至一定尺寸，使用pcd车刀(人工合成金刚石),两次成型，第一次粗车：车床主轴转速为500-700r/min，进给量0.1-0.2mm/r，切削深度0.1mm，第二次精车：车床主轴转速为700-1000r/min，进给量0.1-0.2mm/r，切削深度0.05mm。此时铝钛合金金属层厚度a为250±50μm，外观上以无喷涂面为准，如附图3所示；

4、硬质阳极氧化：采用硬质阳极氧化的方法制备陶瓷隔热层，采用硫酸系电解液，硫酸浓度15-20％，电流(10-20a/dm²)、电压(80-150v)、时间(5-30min)、温度(13-16℃)、流量(4000-6000l/h)，可以精确控制陶瓷层厚度，该厚度根据活塞工况选择，厚度范围为10-250μm，厚度越厚隔热效果越好，但相应的生产效率较低，如附图4所示。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。