一种高硅压铸铝合金活塞局部微弧氧化处理方法与流程

1.本发明涉及表面处理技术领域，具体指一种高硅压铸铝合金活塞局部微弧氧化处理方法。


背景技术：

2.高转速和高燃烧压力会使得发动机活塞的机械负荷和热负荷大幅增加，高热负荷要求活塞具有较高的高温强度和快速冷却能力，活塞长期在循环热载荷的作用下工作，活塞顶部极易发生熔顶，环槽处由于磨损而降低了气密性，从而产生烧机油现象，导致发动机出现积碳、排放标准降低、油耗增加等问题；活塞顶部的热防护和高温腐蚀防护以及环槽部位的磨损防护已成为制约铝合金活塞发展的技术瓶颈。
3.专利申请号为cn201911213048.x(公布号为cn110747498a)的发明专利《内燃机的耐高温轻质铝合金活塞及其制备方法》采用微弧氧化表面处理工艺对活塞顶面和凹槽进行微弧氧化表面处理工艺，使得活塞顶面及顶部凹槽面陶瓷膜厚度高达70～160μm，是阳极氧化膜的3倍左右；该陶瓷膜隔热性优良，导热率低至25-28w/mk，仅为铝合金导热率1/6左右；该陶瓷膜抗烧蚀性优良，耐瞬时高温达2600℃；该陶瓷膜与铝硅合金活塞基体的结合强度高达50-70mpa，不易脱落。
4.微弧氧化表面处理工艺的原理为：铝合金放入电解液中，通电后，合金表面立即生成很薄一层非晶al2o3氧化膜。当铝合金上施加的电压超过某一临界值时，这层al2o3氧化上某些薄弱环节被击穿，发生电弧放电现象，金属样品的表面产生火花，从而使金属样品的表面发生化学氧化、电化学氧化、等离子体氧化等，将非晶al2o3变成晶态相——α-al2o3、γ-al2o3，就形成了陶瓷膜。
5.目前采用压铸al-si铝合金进行活塞生产，采用微弧氧化技术不仅可以解决活塞顶部的热防护问题，还能够解决环槽部位的磨损问题，是解决制约高功率密度铝合金活塞发展瓶颈技术的有效途径之一。
6.但是目前压铸al-si铝合金活塞的微弧氧化处理技术存在以下的局限性：
7.(1)目前较为简单的局部微弧氧化处理工装存在局部微弧氧化界面处烧蚀问题，虽然不严重但仍需进行后续机加工处理，增加生产成本；
8.(2)现有的微弧氧化处理技术都为单个或者2-3个处理方式，并且没有形成自动化生产流水线，这将会大大降低生产效率以及增加人工成本；
9.(3)活塞局部微弧氧化工装过于复杂化，如专利申请号为cn202011377945.7(公布号为cn112281196a)的发明专利《一种基于对铝合金活塞顶部进行微弧氧化用的装夹机构》的工装，一方面不能解决微弧氧化界面处烧蚀问题，另一方面实现不了批量流水线生产。
10.(4)活塞顶部进行微弧氧化主要目的为热防护和高温腐蚀防护，而普通的微弧氧化的技术不能达到此项要求；而目前耐热和高温防腐主要采用纳米颗粒弥散分布到微弧氧化膜层中去来进行，但是加入电解液中加入纳米颗粒以后累积成50微米以上的膜层较为困难，并且加之高硅铝合金微弧氧化成膜本身就困难，所以电解液中加入纳米颗粒的微弧氧
化技术并不能满足要求；
11.(5)压铸al-si铝合金活塞由于si的含量较高，所以在微弧氧化过程中成膜较为困难，因此微弧氧化膜层在超过50μm以后结合力较差。


技术实现要素：

12.本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术的现状，提供一种能够避免界面烧蚀现象的高硅压铸铝合金活塞局部微弧氧化处理方法。
13.本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种工装简单的高硅压铸铝合金活塞局部微弧氧化处理方法。
14.本发明所要解决的第三个技术问题是提供一种膜层结合力强的高硅压铸铝合金活塞局部微弧氧化处理方法。
15.本发明所要解决的第四个技术问题是提供一种能够实现热防护和高温腐蚀防护的高硅压铸铝合金活塞局部微弧氧化处理方法。
16.本发明所要解决的第五个技术问题是提供一种能够实现批量流水线生产的高硅压铸铝合金活塞局部微弧氧化处理方法。
17.本发明解决上述第一和第二个技术问题所采用的技术方案为：一种高硅压铸铝合金活塞局部微弧氧化处理方法，其特征在于包括有以下步骤：
18.(1)前处理：将活塞进行局部封装，将局部封装后的活塞安装到导电片上组成活塞装配组件；
19.所述局部封装的具体步骤如下：
20.采用密封胶对活塞的顶端面的相邻侧壁进行封装形成密封层；
21.在密封层的外周缠绕3～5层防水胶带形成防水层，该防水层的顶端高于活塞的顶端面，且防水层的内周壁与活塞的顶端面之间包围形成有用于存贮电解液的电解池；
22.最后在活塞和防水层的外周包裹上2～4层保鲜膜形成绝缘层；
23.(2)微弧氧化处理：将电解液注入电解池中，外接电源通电对活塞进行微弧氧化处理。
24.为了方便密封层的形成，步骤(1)中，所述密封层封装的具体步骤如下：将活塞的顶端面的相邻侧壁上涂刷0.5～1mm的密封胶后再在50～80℃的烘箱中烘干30min，反复进行4～5次，确保密封层的厚度不低于2mm。
25.为了进一步解决上述第三个技术问题，步骤(1)中，所述局部封装前将活塞进行清洗，所述清洗的具体步骤如下：
26.将活塞进行3～5min的超声波水洗，去除屑渣以及颗粒状异物；
27.采用浓度为50～70％的浓硝酸对活塞的顶端面进行3～5s的洗涤，让铝合金表面钝化；用去离子水洗涤后再采用浓度为4～10％的氢氟酸对活塞的顶端面进行10～15s的洗涤；用去离子水洗涤后再采用浓度为50～70％的浓硝酸对活塞的顶端面进行3～5s的洗涤；用去离子水洗涤后再采用浓度为4～10％的氢氟酸对活塞的顶端面进行10～15s的洗涤；反复3～6次，总累计时间达到40s以上；
28.用去离子水洗涤后再采用naoh与na2sio3混合溶液对活塞的顶端面进行碱蚀，其中naoh为0.5～2g/l，na2sio3为0.5～1g/l；
29.最后采用去离子水和酒精洗涤烘干。
30.为了保证导电片始终与电解液接触，步骤(1)中，所述的导电片基本呈l形，该导电片的底板与活塞之间通过安装组件进行连接，安装完成后，防水层的顶端紧贴于导电片的底板。
31.为了方便导电片与活塞的连接，步骤(1)中，所述活塞上开设有第一安装孔，所述导电片的底板上开设有第二安装孔，所述安装组件包括有螺栓、螺母和垫片，安装时，先将垫片穿设在螺栓上，然后将螺栓穿过第二安装孔依次与螺母和第一安装孔进行螺纹连接。
32.为了进一步解决上述第四个技术问题，步骤(2)中，分别采用第一电解液和第二电解液依次对活塞进行两次微弧氧化处理；
33.第一电解液的组成为：硅酸钠6～20g/l，铝酸钠1～3g/l；
34.第二电解液的组成为：硅酸钠6～20g/l，钨酸钠1.5～5g/l，三乙醇胺1～5g/l，柠檬酸钠1～5g/l。
35.为了节约成本和电源，对两个阶段的电解液与电参数进行了匹配，试验了一套同时适用于两个电解液的电参数，步骤(2)中，所述两次微弧氧化处理的电参数为：电流为3～10a/dm2，频率为300～800hz，占空比为5～30％，电解液温度保持在30～45℃，氧化时间为45～60min。
36.为了进一步解决上述第五个技术问题，步骤(2)中，采用微弧氧化处理装置进行微弧氧化处理；
37.所述的微弧氧化处理装置包括有
38.输送带，用于输送活塞装配组件，按照前进方向依次具有上料工位、第一微弧氧化工位、第一清洗工位、第二微弧氧化工位、第二清洗工位和下料工位，该输送带能够导电，用于与外接电源的正极电连接；
39.第一电解液供给管，用于向移动到第一微弧氧化工位的活塞装配组件的电解池中注入第一电解液；
40.第一清洗液供给管，用于给移动到第一清洗工位的活塞装配组件的电解池中注入清洗液；
41.第二电解液供给管，用于向移动到第二微弧氧化工位的活塞装配组件的电解池中注入第二电解液；
42.第二清洗液供给管，用于给移动到第二清洗工位的活塞装配组件的电解池中注入清洗液；
43.四个接液槽，分别位于第一微弧氧化工位、第一清洗工位、第二微弧氧化工位和第二清洗工位的正下方，用于接收自移动到对应工位的活塞装配组件溢出的液体；以及
44.隔板，位于活塞装配组件和接液槽之间，具有供液体穿过的通孔，顶面上铺设有与外接电源的负极电连接的第一导电丝和第二导电丝，该第一导电丝和第二导电丝分别位于第一微弧氧化工位和第二微弧氧化工位的正下方，能够与移动到对应工位的活塞装配组件的活塞底面电连接。
45.为了实现批量流水线生产，所述微弧氧化处理的具体步骤如下：
46.2.1、将活塞装配组件的导电片放置到输送带的上料工位；
47.2.2、输送带将活塞装配组件输送到第一微弧氧化工位，第一电解液供给管将第一
电解液注入电解池中，外接电源通电对活塞进行第一次微弧氧化处理；
48.2.3、输送带将活塞装配组件输送到第一清洗工位，第一清洗液供给管将清洗液注入电解池中进行冲洗；
49.2.4、输送带将活塞装配组件输送到第二微弧氧化工位，第二电解液供给管将第二电解液注入电解池中，外接电源通电对活塞进行第二次微弧氧化处理；
50.2.5、输送带将活塞装配组件输送到第二清洗工位，第二清洗液供给管将清洗液注入电解池中进行冲洗；
51.2.6、输送带将活塞装配组件输送到下料工位；
52.2.7、将移动到下料工位的活塞装配组件取下。
53.为了进一步提高热防护和高温腐蚀防护效果，还包括有以下步骤：
54.(3)后处理：
55.3.1、将活塞装配组件拆卸后清洗得到微弧氧化处理后的活塞，在60～80℃烘箱中烘烤0.5～1h；
56.3.2、将水基组分与耐高温纳米粉末按照比例进行混合成耐热涂料，充分搅拌均匀后对活塞的微弧氧化层进行喷涂，并在常温下放置24～48h，然后在100～120℃下固化1～2h，200～220℃下固化0.5～1h，300～320℃下固化0.5～1h后进行室温冷却。
57.与现有技术相比，本发明的优点在于：
58.(1)通过密封层、防水层和绝缘层对活塞的顶端面的相邻侧壁进行依次封装，将防水层的顶端设计为高于活塞的顶端面，以使防水层的内周壁与活塞的顶端面之间包围形成有用于存贮电解液的电解池，然后将局部封装后的活塞安装到导电片上组成活塞装配组件，一方面能够避免活塞的顶端面的相邻侧壁发生界面烧蚀现象，另一方面工装简单，且方便与流水线配合实现流水线批量生产；
59.(2)通过本方案的清洗方式对局部封装前的活塞进行清洗，相对于其他清洗方式可以保证后续微弧氧化处理时放电更容易，而普通清洗方式在加载电源之后，高硅压铸铝合金活塞需5～10分钟后电火花才会较为明显；
60.(3)通过分两阶段进行微弧氧化处理，第一次微弧氧化处理采用的电解液只有两种组分，成本低，氧化迅速，用于产生基础膜层，第二次微弧氧化处理采用的电解液有四种组分，成本高，用于产生耐高温耐腐蚀膜层，两次微弧氧化处理产生的复合膜层成本低且性能高；
61.(4)通过输送带、第一电解液供给管、第一清洗液供给管、第二电解液供给管、第二清洗液供给管、接液槽和隔板组成微弧氧化处理装置，实现批量流水线生产，生产效率高。
附图说明
62.图1为本发明实施例中开孔后的活塞的俯视图；
63.图2为本发明实施例中局部封装后的活塞的纵向剖视图；
64.图3为本发明实施例中导电片的立体结构示意图；
65.图4为本发明实施例中活塞装配组件的纵向剖视图；
66.图5为本发明实施例中微弧氧化处理装置的结构示意图。
具体实施方式
67.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
68.如图1至图5所示，本发明的高硅压铸铝合金活塞局部微弧氧化处理方法包括有以下步骤：
69.(1)前处理：
70.1.1、在活塞10上开设第一安装孔101，开孔后的活塞10如图1所示，第一安装孔101的大小根据活塞10的大小设计，直径为m6～m8，深度为5mm～10mm，间距为60～100mm，活塞10端面圆心到两个第一安装孔101的圆心连线的垂直距离为0～3mm；
71.1.2、将活塞10进行清洗：
72.将活塞10进行3～5min的超声波水洗，去除屑渣以及颗粒状异物；
73.采用浓度为50～70％的浓硝酸对活塞10的顶端面102进行3～5s的洗涤，让铝合金表面钝化；用去离子水洗涤后再采用浓度为4～10％的氢氟酸对活塞10的顶端面102进行10～15s的洗涤；用去离子水洗涤后再采用浓度为50～70％的浓硝酸对活塞10的顶端面102进行3～5s的洗涤；用去离子水洗涤后再采用浓度为4～10％的氢氟酸对活塞10的顶端面102进行10～15s的洗涤；反复3～6次，总累计时间达到40s以上；
74.用去离子水洗涤后再采用naoh与na2sio3混合溶液对活塞10的顶端面102进行碱蚀，其中naoh为0.5～2g/l，na2sio3为0.5～1g/l；
75.最后采用去离子水和酒精洗涤烘干；
76.1.3、将活塞10进行局部封装：
77.采用密封胶对活塞10的顶端面102的相邻侧壁103进行封装形成密封层20，该密封层20为可剥落涂层，密封层20封装的具体步骤如下：将活塞10的顶端面102的相邻侧壁103上涂刷0.5～1mm的密封胶(耐盐雾耐高温)后再在50～80℃的烘箱中烘干30min，反复进行4～5次，确保密封层20的厚度不低于2mm；
78.在密封层20的外周缠绕3～5层防水胶带形成防水层30，该防水层30的顶端高于活塞10的顶端面102，且防水层30的内周壁与活塞10的顶端面102之间包围形成有用于存贮电解液的电解池301；
79.最后在活塞10和防水层30的外周包裹上2～4层保鲜膜形成绝缘层40，局部封装后的活塞10如图2所示；
80.1.4、将局部封装后的活塞10安装到导电片50上组成活塞装配组件60；
81.如图3和图4所示，导电片50基本呈l形，导电片50的底板上开设有第二安装孔501，导电片50的底板与活塞10之间通过安装组件进行连接，安装完成后，防水层30的顶端紧贴于导电片50的底板；
82.本实施例中，安装组件包括有螺栓502、螺母503和垫片504，安装时，先将垫片504穿设在螺栓502上，然后将螺栓502穿过第二安装孔501依次与螺母503和第一安装孔101进行螺纹连接；
83.(2)微弧氧化处理：
84.如图5所示，采用的微弧氧化处理装置包括有输送带1、第一电解液供给管2、第一清洗液供给管3、第二电解液供给管4、第二清洗液供给管5、接液槽6和隔板7；
85.其中，输送带1用于输送活塞装配组件60，按照前进方向依次具有上料工位、第一
微弧氧化工位、第一清洗工位、第二微弧氧化工位、第二清洗工位和下料工位，该输送带1自上料工位向下料工位迂回运转，且能够导电，用于与外接电源的正极电连接；
86.第一电解液供给管2位于第一微弧氧化工位的正上方，用于向移动到第一微弧氧化工位的活塞装配组件60的电解池301中注入第一电解液；
87.第一清洗液供给管3位于第一清洗工位的正上方，用于给移动到第一清洗工位的活塞装配组件60的电解池301中注入清洗液；
88.第二电解液供给管4位于第二微弧氧化工位的正上方，用于向移动到第二微弧氧化工位的活塞装配组件60的电解池301中注入第二电解液；
89.第二清洗液供给管5位于第二清洗工位的正上方，用于给移动到第二清洗工位的活塞装配组件60的电解池301中注入清洗液；
90.接液槽6的数量为四个，分别位于第一微弧氧化工位、第一清洗工位、第二微弧氧化工位和第二清洗工位的正下方，用于接收自移动到对应工位的活塞装配组件60溢出的液体，接液槽6的下部连接有排液管61；
91.隔板7铺设在接液槽6的顶部开口处，具有供液体穿过的通孔71，隔板7的顶面上铺设有与外接电源的负极电连接的第一导电丝72和第二导电丝73，该第一导电丝72和第二导电丝73分别位于第一微弧氧化工位和第二微弧氧化工位的正下方，能够与移动到对应工位的活塞装配组件60的活塞10底面电连接；
92.第一电解液的组成为：硅酸钠6～20g/l，铝酸钠1～3g/l；
93.第二电解液的组成为：硅酸钠6～20g/l，钨酸钠1.5～5g/l，三乙醇胺1～5g/l，柠檬酸钠1～5g/l；
94.上述微弧氧化处理的具体步骤如下：
95.2.1、将活塞装配组件60的导电片50放置到输送带1的上料工位使其与输送带1导电连接；本实施例中，四个活塞装配组件60作为一批进行处理，并间隔放置在上料工位上；
96.2.2、输送带1将活塞装配组件60输送到第一微弧氧化工位，第一电解液供给管2将第一电解液注入电解池301中，外接电源通电对活塞10进行第一次微弧氧化处理；
97.2.3、输送带1将活塞装配组件60输送到第一清洗工位，第一清洗液供给管3将清洗液注入电解池301中进行冲洗；
98.2.4、输送带1将活塞装配组件60输送到第二微弧氧化工位，第二电解液供给管4将第二电解液注入电解池301中，外接电源通电对活塞10进行第二次微弧氧化处理；
99.2.5、输送带1将活塞装配组件60输送到第二清洗工位，第二清洗液供给管5将清洗液注入电解池301中进行冲洗；
100.2.6、输送带1将活塞装配组件60输送到下料工位；
101.2.7、将移动到下料工位的活塞装配组件60取下；
102.其中，第一次微弧氧化处理和第二次微弧氧化处理的电参数为：电流为3～10a/dm2，频率为300～800hz，占空比为5～30％，电解液温度保持在30～45℃，氧化时间为45～60min；
103.最终得到的维护氧化层的厚度为50～200微米；
104.(3)后处理：
105.3.1、将活塞装配组件60拆卸后清洗得到微弧氧化处理后的活塞10，在60～80℃烘
箱中烘烤0.5～1h；
106.3.2、将水基组分与耐高温纳米粉末按照比例进行混合成耐热涂料，充分搅拌均匀后对活塞10的微弧氧化层进行喷涂，喷涂厚度为50～200微米，并在常温下放置24～48h，然后在100～120℃下固化1～2h，200～220℃下固化0.5～1h，300～320℃下固化0.5～1h后进行室温冷却。