CN111962123A - 一种铝合金耐磨件的表面处理方法、内燃机活塞及其应用 - Google Patents

一种铝合金耐磨件的表面处理方法、内燃机活塞及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝合金耐磨件的表面处理方法、内燃机活塞及其应用，属于铝合金的表面处理领域。铝合金耐磨件的表面处理方法，包括硬质氧化处理和硬氮化处理，首先于铝合金工件表面进行硬质氧化处理形成多孔氧化膜，再对其表面进行硬氮化处理形成渗氮层，得到铝合金耐磨件；内燃机活塞本体上由内到外依次包括多孔氧化膜和渗氮层；本发明的内燃机活塞可以在摩托车、汽车上应用，得到的铝合金工件的热膨胀系数小且耐磨性高，并且同时适用于高硅铝合金和低硅铝合金，特别是采用本发明方法得到的内燃机活塞，在摩托车或汽车中使用时，能使其更有动力且减少燃油，在高温、高寒、缺氧条件下仍能正常工作，汽车轻量化，降低成本的同时还节能环保。

Description

一种铝合金耐磨件的表面处理方法、内燃机活塞及其应用
技术领域
本发明属于铝合金的表面处理方法，更具体地说，涉及一种铝合金耐磨件的表面处理方法、内燃机活塞及其应用。
背景技术
随着汽车发动机性能不断提升，汽车内燃机的适用范围也在不断地扩大。由先前的经验可知，摩擦磨损作为影响汽车内燃机寿命的主要原因。一旦汽车内的零部件等部位发生了磨损等现象，将会造成很严重的影响，不仅影响到汽车内的内燃机的使用情况，进而还影响到汽车整体的安全性和稳定性。由于汽车内燃机零部件的磨损，严重地影响到内燃机工作效率、汽车可靠性和安全性。同时，在可影响内燃机的所有零件中，一旦活塞发生了磨损，后果将十分严重，因为活塞发生了磨损会使整个内燃机内的热量无法及时散出，这也会导致活塞的热强度降低，如果发生了这样的情况，受到最大影响的还是内燃机中的拉缸，可能会发生破裂的事故等，这将会使汽车内燃机和汽车本身的安全性和稳定性大大降低。活塞作为汽车的内燃机磨损中最为关键的零部件，当汽车在运行中，假如活塞一直在吸收的热量却无法及时地传出，就会使得活塞的热强度降低，更有甚者还可以使得拉缸和活塞热裂等出现故障，这也极大地影响到了汽车内燃机的性能和汽车使用寿命。近年以来，世界各国法律法规对于汽车碳排放的要求愈发严格，汽车轻量化是减少能源消耗和碳排放有效途径之一。在这一过程中，铝合金耐磨件被大量应用于汽车、摩托车离合器的活塞中，这就要求内燃机活塞省油、动力强劲并且持久，要实现这一目的，故内燃机活塞的耐磨性是首要解决的问题。
由于厂家活塞批次不一样，其硅铝成分含量也不同，质量好的活塞即硅含量高的产品，其可以做到活塞本身热膨胀系数小，后期与油缸配合的间隙也可以小些；质量差的活塞即硅含量低的产品，其热膨胀系数很大，与油缸配合的间隙会设置相应增大。为了降低成本，现有市场上卖的活塞耐磨性差且热膨胀系数大，要避免活塞受热变形膨胀导致活塞磨损大的问题，因此使用过程中要求活塞与油缸钢体之间配合间隙要大。但是与此同时，其间配合间隙大，一是会产生漏气情况，二是活塞与气体之间形成不必要的摩擦，三是会导致燃烧不充分，车辆动力不足，例如，进口车可达8.3马力，但是同样的配制国产化后，只能达到7.4马力，后者油耗更大，活塞质量为主要因素，现有内燃机活塞不能满足上述使用要求。发明人为了解决这一问题，试图测量活塞使用过程中的膨胀系数，但是活塞在使用过程中受热后，难以测量其热膨胀系数，只能通过其与油缸的间隙来判断活塞的膨胀情况。因此，解决活塞的耐磨性是发明人的研究方向。
经检索，中国专利申请号为95109616.8，申请公开日为1996年2月14日的专利申请文件公开了内燃机的活塞及其制造方法。该专利的内燃机活塞由高硅含量的铝合金构成，其特征是在活塞销座部分附近形成多孔阳极氧化保护膜，在该多孔保护膜上浸渗钼硫化物或氟系树脂组成的润滑剂。这种活塞的制造方法如下：将活塞表面进行阳极氧化处理而形成多孔氧化保护膜，在浸渗润滑剂后除去不要的氧化保护膜，或者遮蔽活塞销座部分附近以外的部分后形成氧化保护膜，然后浸渗润滑剂。因为活塞销座部分的热变形极小，所以即使在高空燃比的高温条件下也不妨碍活塞销的移动，不出现发动机故障等问题。但是，该专利的内燃机活塞材料要求为高硅铝合金，高硅铝合金本身热膨胀系数相对于低硅铝合金小，该方法不能满足对低硅铝合金耐磨性的增强，详见对比例1。
再如，中国专利申请号为201680015171.9，申请公开日为2017年12月01日的专利申请文件公开了内燃机的活塞和内燃机的活塞的表面处理方法。该专利能够降低裙部外周面的流体润滑摩擦系数。内燃机的活塞在相对于缸体的内壁进行滑动的裙部的外周面上具有至少一层电沉积膜。但是该专利依旧不能低硅铝合金对耐磨性的要求。
又如，中国专利申请号为200680032167.X，申请公开日为2008年8月27日的专利申请文件公开了内燃机用活塞环制造方法以及此方法制造的活塞环。该专利制造方法，包含以下步骤：加工一条金属带，使其包含至少一个斜面，而至少成为待生产的活塞环环侧面的一部分；由此金属带加工出活塞环，活塞环外表面由一个内环面，一个外环面，以及一个上侧面和一个下侧面构成。对活塞环进行表面硬化处理。此外，该发明提供一种内燃机用活塞环，其外表面由一个内环面和一个外环面，以及一个上侧面和一个下侧面构成，其外表面由一个均匀厚度硬化层覆盖。但是，该专利是针对活塞环的硬化处理，其并非铝合金，而是钢材，在钢材上进行渗氮等表面硬化处理是钢材领域常见处理方法，但是铝合金材料的熔点低，一般不会针对铝合金进行渗氮处理，因此根据该专利不能容易想到于铝合金的内燃机活塞表面进行表面硬化的渗氮处理，甚至是不可行的方案，
在众多文献记载中，发明人并没有寻求到如何对低硅铝合金的耐磨件进行耐磨性的增强，特别是针对内燃机活塞的表面处理，因此，在不挑内燃机活塞本身材料质量好或坏的情况下，找寻一种铝合金耐磨件表面处理方法，满足各种质量铝合金件的使用要求，得到的耐磨件，例如内燃机活塞具有更佳的磨损性能，是目前亟需的。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有铝合金耐磨件耐磨性不好的问题，本发明提供一种铝合金耐磨件的表面处理方法，通过优化耐磨件表面处理方法，使得得到的铝合金耐磨件的耐磨性能更佳。特别是基于本发明的表面处理方法得到一种内燃机活塞，使其在高温、高寒、缺氧等特殊条件下依旧能正常工作，使其更有动力且减少燃油量。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种铝合金耐磨件的表面处理方法，包括硬质氧化处理和硬氮化处理，首先于铝合金工件表面进行硬质氧化处理形成多孔氧化膜，再对其表面进行硬氮化处理形成渗氮层，得到铝合金耐磨件，其中，所述铝合金工件为含硅铝合金，包括高硅铝合金和低硅铝合金。
进一步地，所述硬质氧化处理为阳极氧化处理，主要目的是提高铝及铝合金的各种性能，包括耐蚀性、耐磨性、耐候性、绝缘性及吸附性等，工艺步骤为：将铝合金工件作为阳极全部浸入含硫酸草酸、丙二醇、磺基水杨酸或其它的无机酸或有机酸或其混合物的溶液组成的电解液中，电解后于铝合金工件表面形成多孔氧化膜，其中多孔氧化膜的厚度小于或等于10μm。
进一步地，当铝合金工件为内燃机活塞时，工艺步骤为：将活塞作为阳极全部浸入含硫酸草酸、丙二醇、磺基水杨酸或其它的无机酸或有机酸或其混合物的溶液组成的电解液中，电解后于活塞表面形成多孔氧化膜，其中多孔氧化膜的厚度小于或等于10μm。
进一步地，所述硬质氧化处理中的电解时间为10～60min，电流密度至少为2.5A/dm。
进一步地，所述硬氮化处理的工艺步骤包括但不限于：将硬质氧化处理后的铝合金工件置于525～560℃的氮化炉中，保温5～7h，炉冷至室温，重复5～7次。
进一步地，所述的硬氮化处理后还涂覆DLC涂层。
进一步地，于硬氮化处理后或DLC涂层上还喷涂固体润滑剂，并烘干成膜。
进一步地，所述固体润滑剂为二硫化钼。
一种采用上述表面处理方法得到的内燃机活塞，内燃机活塞本体上由内到外依次包括多孔氧化膜和渗氮层。
进一步地，所述渗氮层上还设置有DLC涂层。
进一步地，所述渗氮层或DLC涂层上还喷涂有固体润滑剂层。
进一步地，所述固体润滑剂层为二氧化钼润滑膜。
一种上述内燃机活塞在制造摩托车、汽车上的应用。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的表面处理方法得到的铝合金工件的热膨胀系数小且耐磨性高，压缩比高，振动性小，并且同时适用于高硅铝合金和低硅铝合金，使高硅铝合金在本身性能(热膨胀系数、耐磨性等)好的情况下还能进一步得到提升，当然特别是用于低硅铝合金工件上尤其明显，使现有使用寿命不高、耐磨性差的工件可以达到优质铝合金材料的性能，降低成本，特别是采用本发明方法得到的内燃机活塞，在摩托车或汽车中使用时，能使其更有动力且减少燃油，在高温、高寒、缺氧条件下仍能正常工作，汽车轻量化，降低成本的同时还节能环保；
(2)本发明的内燃机活塞硬质氧化处理后，一方面其表面形成多孔氧化膜，起到保护活塞的作用，另一方面膨胀系数也减小了，在高温下变形量小；同时铝合金不同于钢材，其熔点小，直接高温氮化处理时会变形甚至熔化，而且不能保证工件的尺寸，因此本发明在硬氮化处理前先进行硬质氧化处理形成多孔的氧化膜，多孔氧化膜保护铝合金不变形，并且氧化膜的孔洞保证渗氮的成功；综上所述，本发明先通过硬氧处理使其达到耐高温、热膨胀小、表面硬度高、耐磨等优良性能，再进行硬氮处理，除去表面不耐磨部分，加强活塞外侧两壁的耐磨损性能，进一步达到所需的各项指标；
(3)本发明的内燃机活塞可以减小与油缸之间的配合间隙，现有活塞热膨胀系数大且耐磨性差，必须设有大间隙，使用时易报废；而小的配合间隙将直接导致车辆动力问题，一是会减少产生漏气情况，二是减少活塞与气体之间形成不必要的摩擦，三是燃烧较充分，车辆动力强劲，油耗也较少。
附图说明
图1为实施例1中表面处理后活塞的照片1；
图2为实施例1中表面处理后活塞的照片2；
图3为实施例1中表面处理后活塞用砂纸打磨部分位置的照片；
图4为未经本发明处理的活塞打磨后的照片；
图5为实施例2表面处理后活塞的照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
以下实施例针对质量为0.1kg的摩托车内燃机活塞进行表面处理，其他铝合金耐磨件的处理方法与活塞相同。
实施例1
本实施例采用0.1kg的低硅铝合金摩托车内燃机活塞进行表面处理，具体步骤为：
(1)本实施例的硬质氧化处理(阳极氧化处理)是委托深圳市某铝制品有限公司进行加工处理的，其工艺步骤为：将活塞置于300g/L的高浓度硫酸中，以活塞为阳极，铅板为阴极电解30min后形成薄于10μm的多孔氧化膜，其中，电流密度至少为2.5A/dm；
(2)接下来进行硬氮化处理，本实施例的硬氮化处理是委托南京市江宁区某热处理厂进行加工处理的，其工艺步骤为：将硬质氧化处理后的铝合金工件置于525℃的氮化炉中，保温5h，炉冷至室温，重复5次，整个工艺进行了3天，得到的活塞如图1和图2所示。
将本实施例得到的活塞用砂纸打磨，20～30s后其表面的膜物质才能打磨掉，这里表面的膜物质是高温工艺下形成的膜，是热加工不可避免形成的膜，可能使灰尘粘附，使用过程中去除或不去除这层膜物质都可，去除后的活塞如图3所示，活塞光亮且光滑，摩擦阻力小，继续磨损试验后，几乎不会磨损，表明本发明处理方法得到的活塞耐磨性好。
同时，对市场上未处理过的活塞用砂纸打磨，轻轻一擦便会产生明显划痕，耐磨性差，如图4所示。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上涂覆DLC涂层，俗称类金刚石涂层，本实施例涂覆DLC涂层是委托宁波某纳米涂层有限公司进行加工处理的，DLC是一种由碳元素构成、在性质上和钻石类似，同时又具有石墨原子组成结构的物质，DLC涂层是一种非晶态薄膜，具有高硬度和高弹性模量，低摩擦因数，耐磨损以及良好的真空摩擦学特性。具体整个表面处理方法如下：
(1)本实施例的硬质氧化处理(阳极氧化处理)是委托深圳市某铝制品有限公司进行加工处理的，其工艺步骤为：将活塞置于385g/L的硫酸加上15g/L草酸作为电解液中，以活塞为阳极，铅板为阴极电解30min后形成薄于10μm的多孔氧化膜，其中，电流密度至少为2.5A/dm；
(2)接下来进行硬氮化处理，本实施例的硬氮化处理是委托南京市江宁区某热处理厂进行加工处理的，其工艺步骤为：将硬质氧化处理后的铝合金工件置于525℃的氮化炉中，保温7h，炉冷至室温，重复7次，整个工艺进行了5天，得到的本实施例的内燃机活塞如图5所示；
(3)最后采用PVD处理方法涂覆DLC涂层，具体制备步骤包括：
a、将步骤(2)的活塞去除表面膜物质，再进行超声波清洁处理；
b、将清洁后的活塞在真空干燥箱内进行真空干燥；
c、将活塞夹到PVD真空镀膜机的工件保持架上，并推入PVD真空镀膜机的腔体内；
d、密封上述PVD真空镀膜机的腔体，并抽真空；
e、当真空压力达到5.0*10-3Pa时，加热到200-300℃；
f、当真空压力达到1.0*10-3Pa以下时，开始制备调制结构，沉积软质层，并在软质层上沉积硬质层：通入N2至0.05Pa，采用磁控溅射法沉积软质层，开启磁控溅射靶源，在基底材料上施加300-1000V的偏压,将电流调整到10-15A，沉积时间设为5-10min，沉积厚度为0.05-0.10μm的软质层，关闭磁控溅射靶源；通入烃类含碳气体，开启离子源电源，在基底材料上施加300-1000V的偏压,电流调节到1-5A，沉积时间设为0-30min，沉积厚度为0.10-0.80μm的硬质层，关闭离子源电源。
S7、重复步骤S6，以达到厚度23μm的DLC涂层。
将本实施例得到的活塞用砂纸打磨，20～30s后其表面的膜物质才能打磨掉，这里表面的膜物质是高温工艺下形成的膜，是热加工不可避免形成的膜，可能使灰尘粘附，使用过程中去除或不去除这层膜物质都可，去除后的活塞光亮且光滑，摩擦阻力小，继续磨损试验后，相比实施例磨损性能更优，几乎不会磨损，表明本发明处理方法得到的活塞耐磨性好。
在本发明其他实施方式中，为了进一步加强活塞的耐磨性，于实施例1和实施例2处理好的活塞表面(去除其表面由于工艺加工而形成膜物质)，喷涂薄薄的一层二氧化钼喷剂(干式润滑剂)(佳丹公司出品，型号为JD-9508)，喷涂后烘干，得到的活塞表面具有二氧化钼润滑膜，既能耐低温，又能在超高温1087℃环境下发挥优越的润滑作用，二氧化钼润滑膜附着力强不易脱落，持久耐磨，进一步增强活塞的耐磨性。
对比例1
发明人在实施例1基础上，为证明实施例1硬氮化处理可行，仅对实施例1的活塞做了硬质氧化处理，结果表明：活塞裙部明显不耐磨。
对比例2
发明人在实施例1基础上，单独对活塞做硬氮化处理，仅对实施例1的活塞做了硬氮化处理，结果表明：进入氮化炉氮化出炉后，活塞严重变形，不能使用。

Claims (10)

1.一种铝合金耐磨件的表面处理方法，其特征在于：包括硬质氧化处理和硬氮化处理，首先于铝合金工件表面进行硬质氧化处理形成多孔氧化膜，再对其表面进行硬氮化处理形成渗氮层，得到铝合金耐磨件。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金耐磨件的表面处理方法，其特征在于：所述硬氮化处理的工艺步骤为：将硬质氧化处理后的铝合金工件置于525～560℃的氮化炉中，保温5～7h，炉冷至室温，重复5～10次。
3.根据权利要求2所述的一种铝合金耐磨件的表面处理方法，其特征在于：所述的硬氮化处理后还涂覆DLC涂层。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种铝合金耐磨件的表面处理方法，其特征在于：于硬氮化处理后或DLC涂层上还喷涂固体润滑剂，并烘干成膜。
5.根据权利要求4所述的一种铝合金耐磨件的表面处理方法，其特征在于：所述固体润滑剂为二硫化钼。
6.一种采用权利要求1或2的表面处理方法得到的内燃机活塞，其特征在于：内燃机活塞本体上由内到外依次包括多孔氧化膜和渗氮层。
7.根据权利要求6所述的一种内燃机活塞，其特征在于：所述渗氮层上还设置有DLC涂层。
8.根据权利要求6或7所述的一种内燃机活塞，其特征在于：所述渗氮层或DLC涂层上还喷涂有固体润滑剂层。
9.根据权利要求8所述的一种内燃机活塞，其特征在于：所述固体润滑剂层为二氧化钼润滑膜。
10.一种权利要求9所述内燃机活塞在制造摩托车、汽车上的应用。
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