一種帶複合層的內燃機活塞的製作方法

2023-06-19 12:54:26

專利名稱：一種帶複合層的內燃機活塞的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種內燃機活塞，具體為一種帶複合層的內燃機活塞。
背景技術：
活塞是發動機的核心部件，隨著發動機向低油耗、低噪音、低排放目標的發展，對 活塞的質量要求越來越高。內燃機活塞要求工作溫度高、熱衝擊大、速度高、摩擦頻繁，普 通活塞難以滿足在工況惡劣的條件下工作，長期制約發動機綜合性能的提高。為此國內外 科技人員實施了各種舉措如「活塞整體陽極化處理」、「微弧氧化處理」、「頭部熱噴塗陶瓷 層」等，但考慮工藝複雜程度、成本控制、使用條件等因素，以上方法各自有不同的應用範圍 局限。
發明內容本實用新型的目的是克服內燃機活塞應對溫度高、熱衝擊大、速度高、摩擦頻繁中 出現的不足，將活塞頭部硬質陽極氧化、裙部外圓鍍錫技術應用於同一隻活塞，提供一種帶 複合層的內燃機活塞，使活塞的綜合性能得到提高。本實用新型的目的是這樣實現的一種帶複合層的內燃機活塞，其基體材質為 Al-Si合金，其特徵在於活塞頭部外表面有Al2O3氧化膜層，裙部外表面有一鍍錫層。所述氧化膜層為陽極氧化膜層，厚度為8-60 μ m ；鍍錫層厚度為1. 5-3um。一種帶複合層的內燃機活塞的製造方法，其特徵在於活塞頭部採用陽極氧化處 理，活塞裙部鍍錫。所述的陽極氧化具體工藝流程為化學除油_熱水洗_冷水洗_出光-冷水洗_工 裝局部保護活塞-氧化-冷水洗；陽極氧化工藝條件包括電壓、電流、氧化溶液溫度、氧化時 間及氧化溶液成分配比。所述的陽極氧化的工藝條件為電壓45-70V，氧化電流密度3_7A/dm2，氧化溶液溫 度-5-0°C，氧化時間30-60分鐘，所用的氧化溶液濃度為硫酸200-240g/L、草酸15_20g/ L、硫酸鋁0. 2-0. 5g/L所述的工裝為內徑與活塞環槽外徑、活塞頭部外徑相當的水桶狀保護件。所述活塞裙部鍍錫的工藝為化學鍍將頭部氧化處理的活塞進行鍍前處理，然 後將不需要鍍錫的活塞頭部、環槽等保護起來，放入60°C -80°C溫度下WK2Sn(OH)6或 Na2Sn (OH)6溶液中，保持2-3min，而後經過冷水洗、鈍化、冷水洗、熱水封閉，最後放入烤箱 進行烘乾。所述鍍前處理包括煤油洗-化學除油-熱水洗-冷水洗-出光-冷水洗。鋁合金在特定的工作條件下，在外加電流的作用下，在陽極上形成氧化膜的過程， 稱做陽極氧化。鋁合金活塞經氧化反應後在其表面生成Al2O3氧化膜層，該膜層硬度很高， 維氏顯微硬度可達250HV-500HV，故稱硬質陽極氧化。該氧化膜層熔點高達2050°C，導熱系 數小於0. 16W/m2*K，可使活塞頭部燃燒室承受瞬時高溫，並可起絕熱作用。實踐證明，用直
3流電源進行陽極氧化可以得到優質氧化膜層。陽極氧化裝置主要有電源及調壓控制系統、電解槽、攪拌系統、冷卻系統四部分組 成。電源及調壓控制系統提供了硬質陽極氧化所需的高壓電，電解槽通常由鉛版製成，兼做 陰極，內盛氧化溶液；攪拌系統可以提高溶液中電解質的均勻性；冷卻系統可以保證電解 液所需的工作溫度。更具體的為具體為將活塞頭部以外的區域用專用工裝封閉起來，計算活塞頭部 表面積、在恆溫室中測量活塞頭部厚度和裙部型線尺寸、清洗活塞表面，優選各項工藝參 數，配置合適的氧化溶液成分和組分，設定電壓至45-70V，電流密度在3-7A/dm2，啟動氧化 溶液冷卻和攪拌系統，控制氧化溶液溫度在-5-0°C範圍內變化，將活塞放入氧化溶液中，通 電後，表面立即生成很薄的一層高絕緣性能的氧化膜，隨著氧化膜的產生，氧化溶液對氧化 膜的溶解作用也就開始了。由於氧化膜不均勻，氧化膜薄的地方首先被溶解，形成了孔隙。 氧化溶液通過孔隙到達活塞表面，使電化學反應繼續進行。因為溶解總是在氧化膜相對薄 弱的部位發生，當氧化物絕緣膜被溶解後，在該部位生成新的氧化膜，溶解點轉移到其它相 對薄弱的區域，氧化膜的生成伴隨著氧化膜的溶解，當膜的生成速度大於溶解速度，氧化膜 層逐漸增厚，最終形成的氧化膜層是均勻的。這種氧化膜層是由Al2O3組成，可以獲得較高 的耐磨性、耐腐蝕性、耐熱衝擊性，提高發動機的壽命和效率。注意氧化電流密度、氧化溶液的成分、電壓的控制、氧化時間的控制是提高活塞頭 部氧化膜層厚度和質量的關鍵。通過優化氧化膜層的生長過程的電流密度與氧化時間的工 藝參數，最終獲取最佳經濟厚度8-60 μ m耐腐蝕、耐磨、耐高溫衝擊氧化膜層。活塞裙部鍍錫的工藝為將加工好的活塞進行鍍前處理，即煤油洗_化學除油-熱 水洗_冷水洗_出光-冷水洗，然後將不需要鍍錫的活塞頭部、環槽等保護起來，放入 600C _80°C溫度下的K2Sn (OH) 6或Na2Sn (OH) 6溶液中，保持2-3min，而後經過冷水洗、鈍化、 冷水洗、熱水封閉，最後放入烤箱進行烘乾。錫質地軟而且具有良好的親油性，故能有效地提高活塞與缸套的磨合性和潤滑 性。在活塞裙部表面用化學方法鍍覆1. 5-3um的錫層，多孔的錫層有軟金屬的良好潤滑特 性，能吸附較多潤滑劑，降低了活塞與氣缸音的摩擦力，防止活塞滯死、摩擦副卡死，改善活 塞和氣缸的飽和性能。本實用新型的有益效果是活塞頭部氧化膜層，耐高溫衝擊性更好，裙部錫層均 勻，耐磨性、潤滑性明顯提高，活塞的整體性能得到提高，更能適應發動機惡劣的環境。製造 方法中，活塞頭部硬質陽極氧化工藝和裙部鍍錫工藝主要優點是工藝容易掌握和實現參 數自動控制，易於組織工業化大生產，設備佔地面積小，處理能力強，生產效率高，在不降低 材質性能及不改變合金工件原幾何尺寸、表面粗糙度的條件下，可大幅度提高活塞的耐磨、 耐腐蝕、抗高溫衝擊性能，滿足各種惡劣工況條件下的需要。上述方法製造的活塞裝機後， ①機械效率提高2%以上。②尾氣排放CO、HC含量明顯下降。③耐久性提高，大修裡程延 長 50-100% ο

圖1為本實用新型活塞局剖放大示意圖；圖2為本實用新型活塞頭部陽極氧化示意圖；[0021]圖3為本實用新型活塞裙部鍍錫示意圖。圖中，a.活塞頭部，b.活塞裙部，1.氧化膜層，2.活塞基體，3.電解液槽，4.冷卻 管，5.氧化溶液，6.化學鍍槽，7.活塞，8.化學鍍液，9.鍍錫層。
具體實施方式
一種帶複合層的內燃機活塞，其基體材質為Al-Si合金，活塞頭部a外表面有厚度 為8-60 μ m Al2O3氧化膜層1，活塞裙部b外表面有一厚度為1. 5_3um鍍錫層9。一種帶複合層的內燃機活塞的製造方法，活塞頭部a採用陽極氧化處理，活塞裙 部b採用化學鍍錫。所述的陽極氧化具體工藝流程為化學除油_熱水洗_冷水洗_出光-冷水洗_工 裝局部保護活塞_氧化_冷水洗；陽極氧化的工藝條件為電壓45-70V，氧化電流密度 3-7A/dm2，氧化溶液5的溫度-5-0°C，氧化時間30-60分鐘，所用的氧化溶液5的濃度為硫 酸:200-240g/L、草酸:15-20g/L、硫酸鋁0. 2-0. 5g/L。所述活塞裙部b鍍錫的工藝為化學鍍將頭部氧化處理的活塞進行鍍前處理，即 煤油洗_化學除油_熱水洗_冷水洗_出光-冷水洗，然後將不需要鍍錫的活塞頭部a、環 槽等保護起來，放入60°C -80°C溫度下的K2Sn(OH)6或Na2Sn (OH)6溶液中，保持2-3min，而 後經過冷水洗、鈍化、冷水洗、熱水封閉，最後放入烤箱進行烘乾。更具體的為先將活塞頭部a以外的區域用專用工裝封閉起來，計算活塞頭部a表 面積、在恆溫室中測量活塞頭部a厚度和活塞裙部型線尺寸、清洗活塞表面，優選各項工藝 參數，配置合適的氧化溶液成分和組分，設定電壓至45-70V，電流密度在3-7A/dm2，啟動氧 化溶液5冷卻和攪拌系統，控制氧化溶液5溫度在-5-0°C範圍內變化，將活塞放入氧化溶 液5中，通電後，表面立即生成很薄的一層高絕緣性能的氧化膜，隨著氧化膜的產生，氧化 溶液5對氧化膜的溶解作用也就開始了。由於氧化膜不均勻，氧化膜薄的地方首先被溶解， 形成了孔隙，氧化溶液5通過孔隙到達活塞表面，使電化學反應繼續進行。因為溶解總是在 氧化膜相對薄弱的部位發生，當氧化物絕緣膜被溶解後，在該部位生成新的氧化膜，溶解點 轉移到其它相對薄弱的區域，氧化膜的生成伴隨著氧化膜的溶解，當膜的生成速度大於溶 解速度，氧化膜層1逐漸增厚，最終形成的氧化膜層1是均勻的，最後，活塞裙部b鍍錫將 頭部氧化處理的活塞進行鍍前處理，即煤油洗_化學除油_熱水洗_冷水洗_出光-冷水 洗，然後將不需要鍍錫的活塞頭部a、環槽等保護起來，放入60°C -80°C溫度下的K2Sn(OH)6 或Na2Sn(OH)6溶液中，保持2-3min，而後經過冷水洗、鈍化、冷水洗、熱水封閉，最後放入烤 箱進行烘乾即可。
權利要求一種帶複合層的內燃機活塞，其基體材質為Al Si合金，其特徵在於活塞頭部外表面有Al2O3氧化膜層，裙部外表面有一鍍錫層。
2.如權利要求1所述的一種帶複合層的內燃機活塞，其特徵在於所述氧化膜層為陽極 氧化膜層，厚度為8-60 u m ；鍍錫層厚度為1. 5-3um。
專利摘要一種帶複合層的內燃機活塞，其基體材質為Al-Si合金，活塞頭部外表面有A12O3氧化膜層，裙部外表面有一鍍錫層。其製造方法是活塞頭部採用陽極氧化處理，活塞裙部鍍錫。陽極氧化工藝流程為化學除油-熱水洗-冷水洗-出光-冷水洗-工裝局部保護活塞-氧化-冷水洗。活塞裙部鍍錫的工藝為將頭部氧化處理的活塞進行鍍前處理，然後將不需要鍍錫的活塞頭部、環槽等保護起來，放入一定溫度下的化學鍍液中，保持2-3min，而後經過冷水洗、鈍化、冷水洗、熱水封閉，最後放入烤箱進行烘乾。有益效果是本產品耐磨、耐腐蝕、抗高溫衝擊性能更好，潤滑性提高；活塞裝機後，機械效率提高、尾氣排放CO、HC含量下降、耐久性提高。
文檔編號F02F3/12GK201763459SQ201020520550
公開日2011年3月16日 申請日期2010年9月5日 優先權日2010年9月5日
發明者孔令東, 孔德芬, 張書民, 張魯京, 甄介生, 顏君衡, 魏運財 申請人:曲阜金皇活塞股份有限公司