專利名稱：一種頭部硬質(zhì)陽極氧化內(nèi)燃機(jī)活塞及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機(jī)活塞，具體為一種頭部硬質(zhì)陽極氧化的內(nèi)燃機(jī)活塞及其制 造方法。
背景技術(shù)：
活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)向低油耗、低噪音、低排放目標(biāo)的發(fā)展，對(duì) 活塞的質(zhì)量要求越來越高。內(nèi)燃機(jī)活塞要求工作溫度高、熱沖擊大、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(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的提高。為此國內(nèi)外 科技人員實(shí)施了各種舉措如“活塞整體陽極化處理”、“微弧氧化處理”、“頭部熱噴涂陶瓷 層”等，但考慮工藝復(fù)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(yīng)用范圍 局限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服內(nèi)燃機(jī)活塞應(yīng)對(duì)溫度高、熱沖擊大、速度高、摩擦頻繁中出現(xiàn) 的不足，而提供一種頭部(第二環(huán)岸及以上)硬質(zhì)陽極氧化的內(nèi)燃機(jī)活塞，使活塞的綜合性 能得到提高。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種頭部硬質(zhì)陽極氧化內(nèi)燃機(jī)活塞，其基體材質(zhì)為 Al-Si合金，其特征在于活塞頭部外表面有8-60 μ m的陽極氧化膜層。陽極氧化膜層生成工藝采用直流電源陽極氧化，具體工藝流程為化學(xué)除油-熱 水洗_冷水洗_出光-冷水洗_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(shí)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(shí)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(nèi)徑與活塞環(huán)槽外徑、活塞裙部外徑相當(dāng)?shù)念悎A筒狀保護(hù)套。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(jīng)氧化反應(yīng)后在其表面生成Al2O3氧化膜層，該膜層硬度很高， 維氏顯微硬度可達(dá)250HV-500HV，故稱硬質(zhì)陽極氧化。該氧化膜層熔點(diǎn)高達(dá)2050°C，導(dǎo)熱系 數(shù)小于0. 16W/m2*K，可使活塞頭部燃燒室承受瞬時(shí)高溫，并可起絕熱作用。實(shí)踐證明，用直 流電源進(jìn)行陽極氧化可以得到優(yōu)質(zhì)氧化膜層。硬質(zhì)陽極氧化裝置主要有電源及調(diào)壓控制系統(tǒng)、電解槽、攪拌系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)四部 分組成。電源及調(diào)壓控制系統(tǒng)提供了硬質(zhì)陽極氧化所需的高壓電，電解槽通常由鉛版制成， 兼做陰極，內(nèi)盛氧化溶液；攪拌系統(tǒng)可以提高溶液中電解質(zhì)的均勻性；冷卻系統(tǒng)可以保證 電解液所需的工作溫度。具體為將活塞頭部以外的區(qū)域用專用工裝封閉起來，計(jì)算活塞頭部表面積、在恒 溫室中測(cè)量活塞頭部厚度和裙部型線尺寸、清洗活塞表面，優(yōu)選各項(xiàng)工藝參數(shù)，配置合適的
3氧化溶液成分和組分，設(shè)定電壓至45-70V，電流密度在3-7A/d m2，啟動(dòng)氧化溶液冷卻和攪 拌系統(tǒng)。將活塞放入氧化溶液中，通電后，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(chǎn)生，氧化溶液對(duì)氧化膜的溶解作用也就開始了。由于氧化膜不均勻，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(dá)活塞表面，使電化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn) 行。因?yàn)槿芙饪偸窃谘趸は鄬?duì)薄弱的部位發(fā)生，當(dāng)氧化物絕緣膜被溶解后，在該部位生成 新的氧化膜，溶解點(diǎn)轉(zhuǎn)移到其它相對(duì)薄弱的區(qū)域，氧化膜的生成伴隨著氧化膜的溶解，當(dāng)膜 的生成速度大于溶解速度，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、耐熱沖擊性，提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)間的控制是提高活塞頭 部氧化膜層厚度和質(zhì)量的關(guān)鍵。通過優(yōu)化氧化膜層的生長過程的電流密度與氧化時(shí)間的工 藝參數(shù)，最終獲取最佳經(jīng)濟(jì)厚度8-60 μ m耐腐蝕、耐磨、耐高溫沖擊氧化膜層。本發(fā)明的有益效果是，活塞頭部(第二環(huán)岸及以上)氧化膜層適當(dāng)，耐磨性及耐高 溫沖擊性更好，制造方法中，活塞頭部硬質(zhì)陽極氧化工藝主要優(yōu)點(diǎn)是工藝容易掌握和實(shí)現(xiàn) 參數(shù)自動(dòng)控制，易于組織工業(yè)化大生產(chǎn)，設(shè)備占地面積小，處理能力強(qiáng)，生產(chǎn)效率高，在不降 低材質(zhì)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、抗高溫沖擊性能，滿足惡劣工況條件下的需要。上述方法制造的活塞裝機(jī)后，① 使用壽命明顯提高；②尾氣排放CO、HC含量明顯下降。


圖1是本發(fā)明活塞的局剖放大示意圖。圖2是本發(fā)明活塞陽極氧化裝置示意圖。圖3是本發(fā)明工裝結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，a.活塞頭部，b.活塞裙部，1.陽極氧化膜層，2.活塞基體，3.電解槽，4.冷 卻管，5.氧化溶液，6.工裝。
具體實(shí)施例一種頭部硬質(zhì)陽極氧化內(nèi)燃機(jī)活塞，其基體材質(zhì)為Al-Si合金，活塞頭部a外表面 有8-60 μ m的陽極氧化膜層1。陽極氧化膜層1生成工藝采用直流電源陽極氧化，具體工藝流程為化學(xué)除油-熱 水洗_冷水洗_出光-冷水洗_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(shí)間及氧化溶液成分配比。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(shí)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。陽極氧化裝置主要有電源及調(diào)壓控制系統(tǒng)、電解槽3、攪拌系統(tǒng)、冷 卻系統(tǒng)四部分組成。將活塞頭部a以外的區(qū)域用專用工裝封閉起來后放入氧化溶液5中， 通電后啟動(dòng)氧化溶液冷卻和攪拌系統(tǒng)，在活塞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(chǎn)生，氧化溶液對(duì)氧化膜的溶解作用也就開始了。由于氧化膜不均勻，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(dá)活塞表面，使電化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。因?yàn)槿芙饪偸窃谘趸は鄬?duì)薄弱的部位發(fā)生，當(dāng)氧化物絕緣膜被溶解后，在該部位 生成新的氧化膜，溶解點(diǎn)轉(zhuǎn)移到其它相對(duì)薄弱的區(qū)域，氧化膜的生成伴隨著氧化膜的溶解， 當(dāng)膜的生成速度大于溶解速度，氧化膜層逐漸增厚，最終形成的氧化膜層5是均勻的。
權(quán)利要求
一種頭部硬質(zhì)陽極氧化內(nèi)燃機(jī)活塞，其基體材質(zhì)為Al Si合金，其特征在于活塞頭部外表面有8 60μm的陽極氧化膜層。
2.如權(quán)利要求1所述的一種頭部硬質(zhì)陽極氧化內(nèi)燃機(jī)活塞制造方法，其特征在于所述 的陽極氧化膜層生成工藝采用直流電源陽極氧化，具體工藝流程為化學(xué)除油-熱水洗-冷 水洗-出光-冷水洗_工裝局部保護(hù)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(shí)間及氧化溶液成分配比。
3.如權(quán)利要求2所述的一種頭部硬質(zhì)陽極氧化內(nèi)燃機(jī)活塞制造方法，其特征在于所 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(shí)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。
4.如權(quán)利要求2所述的一種頭部硬質(zhì)陽極氧化內(nèi)燃機(jī)活塞制造方法，其特征在于所述 的工裝為內(nèi)徑與活塞環(huán)槽外徑、活塞裙部外徑相當(dāng)?shù)念悎A筒狀保護(hù)套。
全文摘要
一種頭部硬質(zhì)陽極氧化內(nèi)燃機(jī)活塞，其基體材質(zhì)為Al-Si合金，其特征在于活塞頭部外表面有8-60μm的陽極氧化膜層。陽極氧化膜層生成工藝采用直流電源陽極氧化，即化學(xué)除油-熱水洗-冷水洗-出光-冷水洗-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，氧化溶液溫度-5-0℃，氧化時(shí)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。其有益效果是，本發(fā)明方法工藝容易掌握和實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)控制，本發(fā)明產(chǎn)品可大幅度提高活塞的耐磨、耐腐蝕、抗高溫沖擊性能?；钊b機(jī)后，①使用壽命提高；②尾氣排放CO、HC含量下降。
文檔編號(hào)F02F3/10GK101943079SQ20101027490
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月5日
發(fā)明者孔令東, 孔德芬, 張書民, 張魯京, 甄介生, 顏君衡, 魏運(yùn)財(cái) 申請(qǐng)人:曲阜金皇活塞股份有限公司