活塞的化學表面處理方法
2023-07-28 06:50:21 1
專利名稱：活塞的化學表面處理方法
技術領域：
本發明涉及活塞的化學表面處理方法，經此處理後的活塞可以明顯地減小活塞環槽與活塞環之間的摩擦力以及活塞(尤其是活塞裙部)與汽缸壁之間的摩擦力，從而明顯地提高汽缸的密封度和延長汽缸套、活塞和活塞環的使用壽命。
為使氣體不洩漏，在活塞上開有活塞環槽，活塞環槽中有活塞環，該活塞環是一個帶有開口間隙的合金鑄鐵圓形環。當活塞上下往復運動時，活塞環始終緊貼汽缸，從而避免高溫高壓氣體從活塞環與汽缸壁之間通過，起到密封的作用。
現有活塞的設計存在如下缺陷為減少往復運動零件的質量，活塞一般用鋁合金製造。但鋁合金的膨脹係數要比合金鑄鐵(氣缸材料)大得多，為使活塞受熱後不與氣缸貼合過緊而造成損壞，活塞裙部形線往往設計成下大上小，帶有一定的不規則錐度，水平方向成橢圓形狀。活塞裙部的最大尺寸要比汽缸的直徑小，其配缸間隙在汽油機的情況下約是汽缸直徑的0.02-0.08％，在柴油機的情況下約是汽缸直徑的0.01-0.18％。此間隙造成1、活塞上下運動時，活塞的搖擺造成活塞裙部和頭部對汽缸的敲擊，從而增大內燃機的運轉噪音；2、活塞的搖擺加大活塞環在環槽中的移動，加速活塞環槽和活塞環的磨損，縮短使用壽命；3、活塞環槽一旦磨損，使活塞環在環槽內上下跳動而起泵吸作用，把潤滑油吸到汽缸上部參與燃燒，造成排氣汙染和潤滑油的過多消耗。
為了提高活塞、活塞環的耐磨性和抗咬合性能，現在一般採取活塞環表面磷化或氮化，與汽缸接觸部分進行多孔鍍鉻或噴鉬；活塞裙部鍍錫或噴石墨等技術措施。但這些措施並沒有改變活塞、活塞環與汽缸相對高速半乾滑動磨擦的實質，做不到活塞、活塞環在汽缸中無隙或微隙運動，因而始終不能從根本上克服上述缺陷。
本發明人考慮到，現有技術做不到活塞、活塞環在汽缸中無隙或微隙運動的主要原因是由於活塞環與汽缸壁之間、活塞與汽缸壁之間以及活塞環與活塞環槽之間的摩擦力不能明顯減小的緣故。本發明人根據潤滑理論得知，潤滑油的潤滑機理是在兩個相互摩擦的零件表面上形成一層油膜，從而使這兩個零件的摩擦由原來的金屬表面直接摩擦轉變成潤滑油膜之間的滑動摩擦。特別是目前在市場上作為商品銷售的潤滑油，其中含有各種添加劑，其中起潤滑作用的添加劑是一種鏈狀的烴類，在其一端具有一個極性基團，該極性基團能夠吸附在金屬的表面上而讓其沒有極性基團的尾端向上豎起，因此能在金屬的表面上形成一層較厚的油膜，從而保證金屬零件表面的潤滑作用。然而，即便是這種帶有極性基團的潤滑成分，它在光滑的金屬表面上的吸附也不是很牢固的，因此在兩個金屬零件相互摩擦時就會導致在金屬表面與潤滑成分之間的吸附作用被破壞。為了彌補這一缺陷，在現有技術的汽缸產品中，在汽缸壁上珩磨出一些儲油網紋，以圖不斷地向汽缸壁補充潤滑油。但是儲油網紋不能開得太多和太密，否則就會導致表面的凹凸不平。因此汽缸壁的絕大部分表面以及活塞的全部表面都是光滑的，從而不能在汽缸的行程中保證油膜的完整。
根據這一認識，本發明人產生如下構思。也就是說，如果在發生相互摩擦的一對金屬零件的至少一方的表面上形成許多均勻密布的肉眼看不到的微現小凹坑，這些小凹坑既能起儲存潤滑油的作用，又能允許潤滑添加劑分子端部的極性基團鑽入微觀小凹坑中並牢固地吸附著，這樣便能保證在汽缸的全部行程中都具有完整的油膜。而且，由於這些小凹坑是十分細小的，它們不會影響金屬零件表面整體的平滑性，因此不會影響金屬零件的自由滑動，對於作為活塞材料的合金鋁來說，只要找到一種相對較弱的並且是微觀非均勻性的腐蝕劑，就有可能在合金鋁的表面上形成這種均勻密布的微小凹坑。另外，本發明人還產生一個如下的構思。也就是說，如果能有一些吸油性強而且堅硬的小顆粒存在於這些小凹坑中，由於這些小顆粒周圍都吸附有一層潤滑油，因此勢必能在上述微觀小凹坑中自由滾動，從而能夠起到一種滾動摩擦的作用，這樣就有可能進一步降低兩個金屬零件之間的摩擦力。據本發明人所知，本發明人的一述兩種構思尚未有過報導，因此這是具有新穎性的構思。本發明人根據上述構思進行了大量的試驗，終於找到了適合於對活塞的合金鋁材料進行化學表面微腐蝕處理的微觀非均勻性的弱腐蝕劑。並且本發明人還發現，含鈰的稀土氧化物粒子(一般的混合稀土皆含有鈰，其中的鈰含量接近50％)，特別是含鈰金屬粉末通過爆炸式氧化反應形成的氧化物粒子，具有一種既堅硬又包含許多微孔的結構，因此既能大量地吸油，又能在滾動過程中不破碎，從而起到一種自由滾動摩擦的作用，這樣就在極大程度上減輕了兩個金屬零件之間的摩擦力。由於上述兩個發現，從而完成了本發明。
本發明的技術方案是一種活塞的化學表面處理方法，用於減小活塞的表面摩擦力，該方法包含下述涉驟將活塞置於一個容器中，倒入機械油至將活塞完全淹沒，然後在不會導致濺油的條件下逐漸升溫至220-250℃，(優選230-240℃)，向其中均勻撒入由鹼金屬碳酸鹽(優選碳酸鈉)、鹼金屬亞硝酸鹽(優選亞硝酸鈉)、鹼金屬氯化物(優選氯化鈉)和含鈰稀土金屬粉末(優選金屬鈰粉末)組成的混合物，其中各成分和機械油的加入量應符合下列重量百分比成分 重量％鹼金屬碳酸鹽(優選碳酸鈉) 0.3-1.0％鹼金屬亞硝酸鹽(優選亞硝酸鈉) 0.3-1.0％鹼金屬氯化物(優選氯化鈉) 0.20-0.60％含鈰稀土金屬粉末(優選金屬鈰粉末) 1.0-1.6％機械油 餘量接著在上述溫度下保持10-24小時(優選13-16小時)，停止加熱以使油浴自然冷卻，待油溫冷卻至50℃後取出活塞，即為成品。
下面詳細地解釋本發明在本發明的方法中，對機械油的種類沒有特別限制，只要它在220-250℃的溫度下不明顯揮發即可，對升溫速度沒有特別限制，只是不能升溫太快，以免由於機械油中的水分或雜質的揮發而造成濺油。如果發現機械油減少，應及時補充至原來的刻度，以保證機械油能將工件全部淹沒並保持機械油與各成分的比例。由此可以看出，升溫時間隨油浴量的增加而延長，所以不能具體限定升溫時間。
鹼金屬碳酸鹽(例如碳酸鈉或鉀)、鹼金屬亞硝酸鹽(例如亞硝酸鈉或鉀)、鹼金屬氯化物(例如氯化鈉或鉀)都是具有弱腐蝕性的物質。但它們的分子是強極性的，而機械油的分子是非極性的，所以它們不能溶解於機械油中，不過它們能以細分散的狀態均勻地懸浮於機械油浴中，於是形成一種微觀非均勻性的弱腐蝕劑。這就是本發明人之所以選擇機械油而不是選擇水性介質作為微腐蝕載體介質的主要理由。由於這些腐蝕劑的協同作用而在活塞的鋁合金表面上形成許多均勻密布的微觀小凹坑。但是如果它們在機械油中的比例過小，就可能達不到微腐蝕的最低要求。相反，如果它們在機械油中的比例過大，就可能形成過大的小凹坑，從而可能影響鋁合金表面的整體平滑性。
另外，稀土金屬都是活潑的金屬，它們容易與空氣中的氧發生反應而變成稀土氧化物。其中，二氧化鈰是一種堅硬的顆粒狀物，它可作為拋光磨料使用。而由金屬鈰粉末通過爆炸式氧化反應形成的二氧化鈰具有一種多孔而堅硬的結構，所以它能吸附大量的潤滑油並陷在鋁合金表面的微觀凹坑中自由滾動。而通過在水溶液中沉澱而生成的二氧化鈰則不能具有這種多孔的結構，這就是本發明人之所以選擇含鈰稀土金屬(優選鈰金屬)而不直接選擇二氧化鈰作為反應添加物的主要理由。本發明人將經過本方法處理的活塞切片置於500倍的顯微鏡下觀察，可以看到在活塞表面上有一層厚約0.01mm的附著物，並且在2000倍的電子顯微鏡下能觀察到這些附著物能以球狀的形態滾動。而從上述幾種添加成分的化學性質判斷，這些滾動的球狀顆粒只能是含鈰的稀土氧化物(尤其是二氧化鈰)。由於這些含鈰稀土氧化物顆粒在活塞表面微觀凹坑中的自由滾動，因此使活塞在汽缸內的往復運動摩擦的實質由現有技術中的滑動摩擦模式轉變成本發明的滾動摩擦模式，從而在極大程度上減小了金屬表面之間的摩擦力。由於同樣的道理，活塞環在活塞環槽中的摩擦力也會有同樣程度的減小。
當然，如果對活塞環也進行類似的微凹坑腐蝕處理，還可以降低活塞環與汽缸壁之間的摩擦力和進一步降低活塞環與活塞環槽之間的摩擦力。但由於活塞環的材質是合金鑄鐵而不是合金鋁，所以它的微凹坑腐蝕處理配方不同於本發明的配方，故不屬於本發明的範疇。本發明人將以另一個發明提出專利申請。
另外，操作溫度如果低於220℃，則會導致微凹坑腐蝕的速度太慢，對生產率不利。相反，如果高於250℃，則會導致微凹坑腐蝕的速度過快，容易造成微凹坑過大甚至可能影響金屬表面的整體平滑性。並且當溫度超過250℃時，有可能導致機械油的部分炭化，從而影響微凹坑腐蝕的均勻性。因此將微凹坑腐蝕的操作溫度限定為220℃-250℃，優選230℃-240℃。
另外，操作溫度的保持時間如果少於10小時，則微觀凹坑的形成不夠充分。相反，如果多於24小時，則微觀凹坑的形成可能過度。因此將操作溫度的保持時間限定為10-24小時，優選13-16小時。
與本領域的同類現有技術相比，本發明的方法可以獲得如下有益效果一、在汽缸總體設計方面的效果。
1、可以消除或明顯減小活塞裙部與汽缸的配合間隙，汽油機可以做到無隙，柴油機可做到微隙，約是汽缸直徑的0.05-0.07％，比常規設計減小一半以上。
2、可使用無網紋或淺網紋汽缸，從而可以降低汽缸的生產成本。
二、應用於內燃機時的有益效果。
1、汽缸壓縮力提高，縮短了柴油機的著火落後期，改善了柴油機的動力性和經濟性；2、潤滑油消耗減少，降低了內燃機尾氣中的顆粒排放物；3、汽缸整體壽命提高1-2倍；4、冷起動性能改善；5、怠速穩定性提高；6、運轉噪音降低；7、不存在缸面油膜破壞現象，明顯減少拉缸傾向；8、潤滑油不易老化，換油期延長一倍以上。
三、應用於活塞式空壓機時的有益效果1、吸氣真空度加大，汽缸密封性加強，打氣快；2、壓縮氣體中含油量少；3、汽缸、活塞的壽命延長1-2倍。
具體實施例方式
下面通過具體實施例和應用例來具體地解釋本發明，但本發明不受這些實例的限定。
實施例1
將一個汽油機的活塞放入一個金屬容器中，向其中倒入32號機械油2330g，這時機械油液面淹沒了活塞。在不導致濺油的條件下用電加熱逐漸升溫至235℃，用小勺子分幾次於約15分鐘內撒入由碳酸鈉15g、亞硝酸鈉15g、氯化鈉10g、金屬鈰粉末30g組成的混合物，這時各種成分在全部固體添加劑與機械油混合物中所佔的重量百分比例分別為碳酸鈉0.63％、亞硝酸鈉0.63％、氯化鈉0.42％、金屬鈰粉末1.3％、機械油97.％。當添加劑加完後，在約235℃下保溫14小時，然後斷電以使其自然冷卻，待油浴溫度降低至40℃時將活塞取出，作為成品待用。
實施例2本實施例各種工藝條件基本上與實施例1相同，所不同之處只是用含鈰的混合稀土金屬粉末(共中鈰含量約為50重量％)代替實施例1中的金屬鈰粉末。
實施例3本實施例的各種工藝條件基本上與實施例1相同，所不同之處只是將處理對象由原來的汽油機活塞改變為柴油機活塞。
實施例4本實施例的各種工藝條件基本上與實施例1相同，所不同之處只是將處理對象由原來的汽油機活塞變為空壓機活塞。
實施例5本實施例的各種工藝條件基本上與實施例2相同，所不同之處只是將處理對象由原來的汽油機活塞改變為柴油機活塞。
實施例6本實施例的各種工藝條件基本上與實施例2相同，所不同之處只是將處理對象由原來的汽油機活塞改變為空壓機活塞。
下面通過應用例來說明本發明方法的有益效果。
應用例1 單獨處理汽油機活塞時的效果把在實施例1中獲得的經處理的汽油機活塞應用於一汽發動機廠出產的CA6102汽油機中以對公交車的汽油發動機進行改造。該汽油機的原設計為缸徑×行程＝101.6mm×114.3mm。活塞環開口間隙設計第一道氣環0.5-0.7mm，第二道氣環0.4-0.6mm，第三道氣環0.4-0.6mm，第四道油環0.3-0.5mm。配缸間隙0.02-0.06mm。改造後第一道環開口間隙0.13mm，第二和第三道環為0.10mm，第四道環為0.07mm。原機鏜缸鑲缸套珩磨，使配缸間隙達到-0.02mm(過盈，即活塞裙部尺寸比汽缸內徑大)-0(無隙)。試驗證明，發動機吸氣真空度明顯加大，車輛動力和經濟性明顯改善。
應用例2 單獨處理柴油機活塞時的效果把在實施例3中獲得的經處理的柴油機活塞應用於上海柴油機廠出產的D6114柴油機中以對公交車的柴油發動機進行改造。該柴油機的原設計為缸徑×行程＝114mm×135mm。活塞環開口間隙設計；第一道氣環0.4-0.6mm，第二道氣環0.4-0.6mm，第三道油環0.3-0.5mm；配缸間隙0.17-0.23mm。改造後第一道環開口0.15mm，第二道環0.20mm，第三道環0.07mm。如採用淺網紋小直徑缸套，可使其配缸間隙降到0.09mm。經2.5萬公裡行駛，該輛公交車動力性能良好，燃油消耗較改造前同期平均下降8.0％。潤滑油消耗明顯減少，換油期延長約1倍，自由加速煙度小於2度(國家標準為5度)，汽缸壓縮力提高20％。拆機檢查結果極為良好，汽缸套幾乎無磨損，活塞環磨損量很小，又裝回重新使用。
應用例3 同時處理汽油機活塞和活塞環時的效果把在實施例1中獲得的經處理的汽油機活塞與按照類似的微凹坑腐蝕處理方法獲得的活塞環配合應用於一汽發動機廠出產的CA6102汽油機中以對公交車的汽油發動機進行改造。所獲結果比應用例1的結果還要好。例如，在改造後，第一道環的開口間隙可降至0.10mm，第四道環的開口間隙可降至0.05mm。這兩個開口間隙不但要比改造前的開口間隙小得多(只相當於原開口間隙的10％-20％)。而且也明顯地小於單用本發明的活塞與常規活塞環配合時所能達到的最小間隙。在進行公交車行駛試驗時，所有結果比應用1的結果還要好。
應用例4 同時處理柴油機活塞和活塞環時的效果把在實施例3中獲得的經處理的柴油機活塞與按照類似的微凹坑腐蝕處理方法獲得的活塞環配合應用於上海柴油機廠出產的D6114柴油機中以對公交車的柴油發動機進行改造。所獲結果比應用例2的結果還要好。例如，在改造後，第二道環的開口間隙可降低至0.18mm。如採用淺網紋小直徑缸套，可使其配缸間隙降到0.07mm。這兩個間隙不但要比改造前的開口間隙小得多，而且也明顯地小於單用本發明的活塞與常規活塞環配合時所能達到的最小間隙。在進行公交車行駛試驗時，所有結果比應用例2的結果還要好。
由以上的實施例和應用例可以看出，本發明適用於對包括汽油機、柴油機等各種發動機和空壓機在內的各種汽缸活塞的改造，可明顯地提高活塞和汽缸的工作效率和延長活塞和整個汽缸的壽命。並且既節約用油，又能減少汽車或空壓機類排氣的汙染。因此在工業上具有很好的前景。
權利要求
1.一種活塞的化學表面處理方法，用於減小活塞的表面摩擦力，其特徵在於該方法包含下述步驟將活塞置於一個容器中，倒入機械油至將活塞完全淹沒，然後在不會導致濺油的條件下逐漸升溫至220-250℃，向其中均勻撒入由鹼金屬碳酸鹽、鹼金屬亞硝酸鹽、鹼金屬氯化物和含鈰稀土金屬粉末組成的混合物，其中各成分和機械油的加入量應符合下列重量百分比成分重量％鹼金屬碳酸鹽0.3-1.0％鹼金屬亞硝酸鹽 0.3-1.0％鹼金屬氯化物0.20-0.60％含鈰稀土金屬粉末1.0-1.6％機械油 餘量接著在上述溫度下保持10-24小時，停止加熱以使油浴自然冷卻，待油溫冷卻至50℃以下後取出活塞，即為成品。
2.如權利要求1所述的活塞的化學表面處理方法，其特徵在於其中所說的含鈰稀土金屬粉末是金屬鈰的粉末。
3.如權利要求1所述的活塞的化學表面處理方法，其特徵在於其中所說的鹼金屬碳酸鹽是碳酸鈉。
4.如權利要求1所述的活塞的化學表面處理方法，其特徵在於其中所說的鹼金屬亞硝酸鹽是亞硝酸鈉。
5.如權利要求1所述的活塞的化學表面處理方法，其特徵在於其中所說的鹼金屬氯化物是氯化鈉。
6.如權利要求1所述的活塞的化學表面處理方法，其特徵在於其中所說的操作溫度為230-240℃。
7.如權利要求1或6所述的活塞的化學表面處理方法，其特徵在於其中所說的操作溫度的保持時間為13-16小時。
全文摘要
活塞的化學表面處理方法,用於減小活塞的表面摩擦力,該方法包括:將活塞置於一個容器中,倒入機械油至將該活塞淹沒,升溫至220－250℃,向其中加入(以機械油和全部添加劑的重量為100%)鹼金屬碳酸鹽0.3－1.0%、鹼金屬亞硝酸鹽0.3－1.0%、鹼金屬氯化物0.20－0.60%、含鈰稀土金屬粉末1.0－1.6%,接著在上述溫度下保持10－24小時,停止加熱以使油浴自然冷卻,待油溫冷卻至50℃後取出活塞,即為成品。本發明適用於對汽油機、柴油機等各種發動機的活塞和汽缸的改造,可明顯地提高汽缸的工作效率和延長整個汽缸的壽命。並且既節約用油,又能減少汽車或空壓機類排氣的汙染。在工業上具有很好的前景。
文檔編號F02F3/10GK1386904SQ0211862
公開日2002年12月25日 申請日期2002年4月26日 優先權日2002年4月26日
發明者梁家祥 申請人:藍天環保技術(集團)有限公司