鋁合金缸體內(nèi)表面陶瓷層及其工藝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在缸體內(nèi)表面制備陶瓷層及其工藝方法，尤其涉及鋁合金缸體內(nèi)表面氧化A1203陶瓷層及其工藝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前缸體采用鋁合金，重量輕，散熱性好，但其硬度低，如果不對其內(nèi)表面進(jìn)行處理，則不能進(jìn)行正常使用。為使缸體內(nèi)表面具有較高的耐磨性，一般使用鑄鐵缸套作為內(nèi)襯，或者在缸體內(nèi)表面電鍍鉻或電鍍(N1-P)-SiC鍍等涂層。前者加工工藝要求高，且會造成發(fā)動機重量增加，后者工藝復(fù)雜，成本高，且對環(huán)境有顯著污染。另外，無論是內(nèi)襯鑄鐵缸套還是電鍍復(fù)合鍍層，均不能使缸體內(nèi)表面具有較好的絕熱特性。中國專利CN200310118909.9報道了一種鋁合金缸體內(nèi)表面微弧氧化處理工藝，這種工藝可在氣缸內(nèi)壁上制備一層均勻厚度的微弧氧化陶瓷層，從而提高耐磨、耐蝕、耐溫特性，但膜層較薄，一般為30μπι左右，更重要的是未考慮到陶瓷層的熱膨脹系數(shù)與鋁的熱膨脹系數(shù)相差很大，溫度變化時會造成較大的應(yīng)力而導(dǎo)致氧化陶瓷層易起皮或剝落，同時由于氧化陶瓷層良好的絕熱特性使缸體內(nèi)燃?xì)猱a(chǎn)生的熱量難以通過缸體壁面導(dǎo)出，從而使活塞環(huán)和活塞的工作溫度過高，出現(xiàn)尺寸過于膨脹而產(chǎn)生“卡缸”或“拉缸”現(xiàn)象。再之，若用這種工藝在缸體內(nèi)表面制備較厚的陶瓷層，則需要更高的氧化電壓，能耗高，對電源的要求也更高。因此，上述方法難以實用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種鋁合金缸體內(nèi)表面陶瓷層及其工藝方法，該陶瓷層由兩層構(gòu)成，底層為在缸體內(nèi)表面下的螺紋狀的螺旋層，深度為30?400μπι，在缸體內(nèi)表面之上的陶瓷層為表層，厚度為0?ΙΟμπι，陶瓷層中螺紋狀螺旋層的螺距為0.1mm?0.7mm，截面形狀為圓弧形、矩形、三角形或梯形。根據(jù)微弧氧化陶瓷膜的生長特性，氧化陶瓷膜垂直于鋁基體表面生長，在螺旋槽內(nèi)外表面上氧化陶瓷膜會同時生長，而在螺旋槽內(nèi)的兩側(cè)面和底面的氧化陶瓷膜也是同時生長的，并很快相遇而得到完整致密的陶瓷膜，陶瓷膜填滿螺旋槽后再向槽外部生長，與槽外的氧化陶瓷膜成為一體繼續(xù)向外生長，最終形成的陶瓷膜層由槽內(nèi)層和槽外層組成，槽內(nèi)陶瓷膜的數(shù)量、大小主要由缸體內(nèi)表面預(yù)制的螺紋狀的螺旋槽數(shù)量和尺寸大小決定，而槽外的氧化陶瓷膜的厚度則主要由微弧氧化工藝參數(shù)決定。因此，陶瓷膜的厚度得到大幅度的提高，且易控，陶瓷層與基體結(jié)合牢固、硬度和致密度高，不僅具有耐沖擊、耐磨損和抗腐蝕的性能，還具有較好的導(dǎo)熱性，從而防止活塞環(huán)和活塞出現(xiàn)尺寸過于膨脹而產(chǎn)生“卡缸”現(xiàn)象或“拉缸”現(xiàn)象。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是首先采用機械加工法在鋁合金缸體內(nèi)表面加工出螺紋狀螺旋槽，螺紋狀螺旋槽的螺距為0.1mm?0.7mm，截面形狀為圓弧形、矩形、三角形或梯形，螺旋槽開口寬度不超過0.4_，深寬比為1:1?3。然后采用微弧氧化法在螺旋槽內(nèi)外原位生長一層微弧氧化陶瓷膜。微弧氧化工藝采用脈沖氧化電源，鋁合金缸體作為陽極，并將其外表面密封，不銹鋼作為陰極，陽極和陰極的面積比為1:0.6?1，氧化液為低堿性的硅酸鈉體系或磷酸鈉體系或偏鋁酸鈉體系的電解溶液，按下列工藝步驟，在鋁合金缸體內(nèi)表面制備A1203陶瓷層:
①將鋁合金缸體去除油污，外表面密封后裝入微弧氧化槽中，并與電源的陽極線連接，氧化液溫度為10?30°C，并處于攪拌狀態(tài)；
②啟動脈沖氧化電源，脈沖頻率50?200Hz，占空比50?70%，給定正脈沖電流密度為2?5A/dm2，負(fù)脈沖電流密度為0?lA/dm2，氧化2?5 min，給定正脈沖電流密度7?20A/dm2，負(fù)脈沖電流密度為0?9A/ dm2，正脈沖氧化電壓達(dá)到350?610V，負(fù)脈沖氧化電壓達(dá)到0?120V時，氧化30?90 min；
③取出氧化后的鋁合金缸體，用清水洗凈氧化液后烘干；
④將陶瓷層的表層磨削加工到規(guī)定尺寸。
[0005]本發(fā)明的優(yōu)點是:
(1)成膜效率高，能耗低、易于控制。在鋁合金缸體內(nèi)表面采用機械加工預(yù)制出一定開口寬度和深度的螺紋狀螺旋槽，再采用微弧氧化法獲得氧化陶瓷層，使較大部分的氧化陶瓷膜在缸體內(nèi)表面之下形成，并達(dá)到較大的深度，從而增大了陶瓷膜的厚度。而改變螺旋槽的尺寸大小，則可改變此層陶瓷膜的深度和寬度，但無需改變微弧氧化工藝數(shù)。陶瓷層的總厚度是螺旋槽內(nèi)外陶瓷層的厚度之和，與傳統(tǒng)微弧氧化工藝相比較，得到同樣的氧化陶瓷膜厚度所需要的電流、電壓、時間均大幅度減少；
(2)氧化陶瓷膜鋁基體的結(jié)合增強，耐磨性和導(dǎo)熱性好。缸體內(nèi)表面下，氧化陶瓷膜按照螺旋槽的旋向、形狀及尺寸進(jìn)行分布，形成了陶瓷膜和鋁基體交替分布的狀態(tài)，不僅與鋁基體為冶金結(jié)合，而且還存在有類似螺紋連接的方式，增大了連接的可靠性。當(dāng)受到應(yīng)力和熱作用時，兩者之間能相互“協(xié)調(diào)配合”，陶瓷膜不易起皮和剝落。另外，缸體內(nèi)表面之上陶瓷膜較薄，熱量可以通過膜層較薄處經(jīng)過鋁基體傳導(dǎo)至缸體外表面。這樣，不僅可以提高缸體內(nèi)表面的耐磨性和缸內(nèi)氣體的熱效率，又不使活塞環(huán)和活塞出現(xiàn)熱膨脹而產(chǎn)生“卡缸”或“拉缸”現(xiàn)象。
【附圖說明】
[0006]圖1是鋁合金缸體內(nèi)表面螺紋狀的螺旋槽局部截面結(jié)構(gòu)示意圖。陶瓷層為A1203陶瓷，由兩層構(gòu)成，底層為在缸體內(nèi)表面下的螺紋狀的螺旋層，螺距為0.1mm?0.7mm，截面形狀為梯形，也可以為圓弧形、矩形、三角形，在缸體內(nèi)表面之上的陶瓷層為表層。
[0007]圖2是鋁合金缸體內(nèi)表面微弧氧化微觀形貌圖。鋁合金缸體材料為ADC12的鋁硅合金，底層陶瓷膜的深度大約為80μπι，開口寬度為160μπι左右，深寬比為1:1.45，陶瓷層表層厚度大約為55μηι，可以通過機械磨削加工使表層陶瓷層的厚度達(dá)到5-10μηι。
【具體實施方式】
[0008]本發(fā)明結(jié)合具體實施例進(jìn)一步說明如下:
實施例1: 1P52QMI摩托車鋁合金缸體內(nèi)表面陶瓷層及其工藝方法:
①采用機械加工法在鋁合金缸體內(nèi)表面加工出螺紋狀螺旋槽，螺旋槽的螺距為0.1_?0.7mm，截面形狀為梯形，螺旋槽開口寬度0.16mm，深寬比為1:1.40; ②將鋁合金缸體去除油污，外表面密封后裝入微弧氧化槽中，氧化工藝采用脈沖氧化電源，鋁合金缸體作為陽極，不銹鋼作為陰極，陽極和陰極的面積比為1:0.8，氧化液溫度為10?30°C，并處于攪拌狀態(tài)，微弧氧化液為低堿性的硅酸鈉體系的電解溶液；
③啟動脈沖氧化電源，脈沖頻率100Hz，占空比50?70%，給定正脈沖電流密度為3A/dm2，負(fù)脈沖電流密度為1A/ dm2，氧化5 min，給定正脈沖電流密度12A/ dm2，負(fù)脈沖電流密度為5A/ dm2，正脈沖氧化電壓達(dá)到540V，負(fù)脈沖氧化電壓達(dá)到90V時，氧化50 min；
④取出氧化后的鋁合金缸體，用清水洗凈氧化液后烘干；
⑤將陶瓷層的表層磨削加工到規(guī)定尺寸10μπι。
[0009]缸體內(nèi)表面底層陶瓷膜的深度大約為80μπι，開口寬度為160μπι左右，深寬比為1:1.45，陶瓷層表層厚度大約為55μπι，通過機械磨削加工后使表層陶瓷層的厚度為ΙΟμπι。
【主權(quán)項】
1.鋁合金缸體內(nèi)表面陶瓷層及其工藝方法，其特征在于所述的鋁合金缸體內(nèi)表面陶瓷層為A1203陶瓷，由兩層構(gòu)成，底層為在缸體內(nèi)表面下的螺紋狀的螺旋層，深度為30?400μπι，在缸體內(nèi)表面之上的陶瓷層為表層，厚度為0?ΙΟμπι。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金缸體內(nèi)表面陶瓷層及其工藝方法，其特征在于所述的鋁合金缸體內(nèi)表面陶瓷層中螺紋狀螺旋層的螺距為0.1?0.7_，截面形狀為圓弧形、矩形、三角形或梯形。3.—種制備權(quán)利要求1所述的鋁合金缸體內(nèi)表面陶瓷層的工藝方法，其特征在于首先采用機械加工法在鋁合金缸體內(nèi)表面加工出螺紋狀螺旋槽，然后采用微弧氧化法在螺旋槽內(nèi)外原位生長一層微弧氧化陶瓷膜。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種制備權(quán)利要求1所述的鋁合金缸體內(nèi)表面陶瓷層的工藝方法，其特征在于螺紋狀螺旋槽的螺距為0.1?0.7mm，截面形狀為圓弧形、矩形、三角形或梯形，螺旋槽開口寬度不超過0.4_，深寬比為1:1?3。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種制備權(quán)利要求1所述的鋁合金缸體內(nèi)表面陶瓷層的工藝方法，其特征在于微弧氧化工藝采用脈沖氧化電源，鋁合金缸體作為陽極，并將其外表面密封，不銹鋼作為陰極，陽極和陰極的面積比為1:0.6?1，氧化液為低堿性的硅酸鈉體系或磷酸鈉體系或偏鋁酸鈉體系的電解溶液，按下列工藝步驟，在鋁合金缸體內(nèi)表面制備A1203陶瓷層: ①將鋁合金缸體去除油污，外表面密封后裝入微弧氧化槽中，并與電源的陽極線連接，氧化液溫度為10?30°C，并處于攪拌狀態(tài)； ②啟動脈沖氧化電源，脈沖頻率50?200Hz，占空比50?70%，給定正脈沖電流密度為2?5A/ dm2，負(fù)脈沖電流密度為0?1A/ dm2，氧化2?5 min，給定正脈沖電流密度7?20A/dm2，負(fù)脈沖電流密度為0?9A/ dm2，正脈沖氧化電壓達(dá)到350?610V，負(fù)脈沖氧化電壓達(dá)到0?120V時，氧化30?90 min； ③取出氧化后的鋁合金缸體，用清水洗凈氧化液后烘干； ④將陶瓷層的表層磨削加工到規(guī)定尺寸。
【專利摘要】本發(fā)明為鋁合金缸體內(nèi)表面陶瓷層及其工藝方法。首先采用機械加工法在鋁合金缸體的內(nèi)表面預(yù)制出螺紋狀螺旋槽，然后采用微弧氧化法在螺旋槽的內(nèi)外表面原位生長一層Al2O3陶瓷膜，該陶瓷層由兩層構(gòu)成，底層為在缸體內(nèi)表面下的螺紋狀的螺旋層，深度為30～400μm，在缸體內(nèi)表面之上的陶瓷層為表層，厚度為0～10μm。陶瓷層與基體結(jié)合牢固、硬度和致密度高，不僅具有耐磨損、耐沖擊和抗腐蝕的性能，還具有較好的導(dǎo)熱性。陶瓷膜的制備簡單，易于控制，成本低，效率高。
【IPC分類】C25D11/04
【公開號】CN105463548
【申請?zhí)枴緾N201510732541
【發(fā)明人】魏曉偉, 魏稔峻, 徐磊, 王劍, 張建軍
【申請人】西華大學(xué)
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2015年11月3日