铝合金缸体内表面陶瓷层及其工艺方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及在缸体内表面制备陶瓷层及其工艺方法，尤其涉及铝合金缸体内表面氧化A1203陶瓷层及其工艺方法。
【背景技术】
[0002]目前缸体采用铝合金，重量轻，散热性好，但其硬度低，如果不对其内表面进行处理，则不能进行正常使用。为使缸体内表面具有较高的耐磨性，一般使用铸铁缸套作为内衬，或者在缸体内表面电镀铬或电镀(N1-P)-SiC镀等涂层。前者加工工艺要求高，且会造成发动机重量增加，后者工艺复杂，成本高，且对环境有显著污染。另外，无论是内衬铸铁缸套还是电镀复合镀层，均不能使缸体内表面具有较好的绝热特性。中国专利CN200310118909.9报道了一种铝合金缸体内表面微弧氧化处理工艺，这种工艺可在气缸内壁上制备一层均匀厚度的微弧氧化陶瓷层，从而提高耐磨、耐蚀、耐温特性，但膜层较薄，一般为30μπι左右，更重要的是未考虑到陶瓷层的热膨胀系数与铝的热膨胀系数相差很大，温度变化时会造成较大的应力而导致氧化陶瓷层易起皮或剥落，同时由于氧化陶瓷层良好的绝热特性使缸体内燃气产生的热量难以通过缸体壁面导出，从而使活塞环和活塞的工作温度过高，出现尺寸过于膨胀而产生“卡缸”或“拉缸”现象。再之，若用这种工艺在缸体内表面制备较厚的陶瓷层，则需要更高的氧化电压，能耗高，对电源的要求也更高。因此，上述方法难以实用。
【发明内容】
[0003]为了克服现有技术的不足，本发明提供一种铝合金缸体内表面陶瓷层及其工艺方法，该陶瓷层由两层构成，底层为在缸体内表面下的螺纹状的螺旋层，深度为30?400μπι，在缸体内表面之上的陶瓷层为表层，厚度为0?ΙΟμπι，陶瓷层中螺纹状螺旋层的螺距为0.1mm?0.7mm，截面形状为圆弧形、矩形、三角形或梯形。根据微弧氧化陶瓷膜的生长特性，氧化陶瓷膜垂直于铝基体表面生长，在螺旋槽内外表面上氧化陶瓷膜会同时生长，而在螺旋槽内的两侧面和底面的氧化陶瓷膜也是同时生长的，并很快相遇而得到完整致密的陶瓷膜，陶瓷膜填满螺旋槽后再向槽外部生长，与槽外的氧化陶瓷膜成为一体继续向外生长，最终形成的陶瓷膜层由槽内层和槽外层组成，槽内陶瓷膜的数量、大小主要由缸体内表面预制的螺纹状的螺旋槽数量和尺寸大小决定，而槽外的氧化陶瓷膜的厚度则主要由微弧氧化工艺参数决定。因此，陶瓷膜的厚度得到大幅度的提高，且易控，陶瓷层与基体结合牢固、硬度和致密度高，不仅具有耐冲击、耐磨损和抗腐蚀的性能，还具有较好的导热性，从而防止活塞环和活塞出现尺寸过于膨胀而产生“卡缸”现象或“拉缸”现象。
[0004]本发明的技术方案是首先采用机械加工法在铝合金缸体内表面加工出螺纹状螺旋槽，螺纹状螺旋槽的螺距为0.1mm?0.7mm，截面形状为圆弧形、矩形、三角形或梯形，螺旋槽开口宽度不超过0.4_，深宽比为1:1?3。然后采用微弧氧化法在螺旋槽内外原位生长一层微弧氧化陶瓷膜。微弧氧化工艺采用脉冲氧化电源，铝合金缸体作为阳极，并将其外表面密封，不锈钢作为阴极，阳极和阴极的面积比为1:0.6?1，氧化液为低碱性的硅酸钠体系或磷酸钠体系或偏铝酸钠体系的电解溶液，按下列工艺步骤，在铝合金缸体内表面制备A1203陶瓷层:
①将铝合金缸体去除油污，外表面密封后装入微弧氧化槽中，并与电源的阳极线连接，氧化液温度为10?30°C，并处于搅拌状态；
②启动脉冲氧化电源，脉冲频率50?200Hz，占空比50?70%，给定正脉冲电流密度为2?5A/dm2，负脉冲电流密度为0?lA/dm2，氧化2?5 min，给定正脉冲电流密度7?20A/dm2，负脉冲电流密度为0?9A/ dm2，正脉冲氧化电压达到350?610V，负脉冲氧化电压达到0?120V时，氧化30?90 min；
③取出氧化后的铝合金缸体，用清水洗净氧化液后烘干；
④将陶瓷层的表层磨削加工到规定尺寸。
[0005]本发明的优点是:
(1)成膜效率高，能耗低、易于控制。在铝合金缸体内表面采用机械加工预制出一定开口宽度和深度的螺纹状螺旋槽，再采用微弧氧化法获得氧化陶瓷层，使较大部分的氧化陶瓷膜在缸体内表面之下形成，并达到较大的深度，从而增大了陶瓷膜的厚度。而改变螺旋槽的尺寸大小，则可改变此层陶瓷膜的深度和宽度，但无需改变微弧氧化工艺数。陶瓷层的总厚度是螺旋槽内外陶瓷层的厚度之和，与传统微弧氧化工艺相比较，得到同样的氧化陶瓷膜厚度所需要的电流、电压、时间均大幅度减少；
(2)氧化陶瓷膜铝基体的结合增强，耐磨性和导热性好。缸体内表面下，氧化陶瓷膜按照螺旋槽的旋向、形状及尺寸进行分布，形成了陶瓷膜和铝基体交替分布的状态，不仅与铝基体为冶金结合，而且还存在有类似螺纹连接的方式，增大了连接的可靠性。当受到应力和热作用时，两者之间能相互“协调配合”，陶瓷膜不易起皮和剥落。另外，缸体内表面之上陶瓷膜较薄，热量可以通过膜层较薄处经过铝基体传导至缸体外表面。这样，不仅可以提高缸体内表面的耐磨性和缸内气体的热效率，又不使活塞环和活塞出现热膨胀而产生“卡缸”或“拉缸”现象。
【附图说明】
[0006]图1是铝合金缸体内表面螺纹状的螺旋槽局部截面结构示意图。陶瓷层为A1203陶瓷，由两层构成，底层为在缸体内表面下的螺纹状的螺旋层，螺距为0.1mm?0.7mm，截面形状为梯形，也可以为圆弧形、矩形、三角形，在缸体内表面之上的陶瓷层为表层。
[0007]图2是铝合金缸体内表面微弧氧化微观形貌图。铝合金缸体材料为ADC12的铝硅合金，底层陶瓷膜的深度大约为80μπι，开口宽度为160μπι左右，深宽比为1:1.45，陶瓷层表层厚度大约为55μηι，可以通过机械磨削加工使表层陶瓷层的厚度达到5-10μηι。
【具体实施方式】
[0008]本发明结合具体实施例进一步说明如下:
实施例1: 1P52QMI摩托车铝合金缸体内表面陶瓷层及其工艺方法:
①采用机械加工法在铝合金缸体内表面加工出螺纹状螺旋槽，螺旋槽的螺距为0.1_?0.7mm，截面形状为梯形，螺旋槽开口宽度0.16mm，深宽比为1:1.40; ②将铝合金缸体去除油污，外表面密封后装入微弧氧化槽中，氧化工艺采用脉冲氧化电源，铝合金缸体作为阳极，不锈钢作为阴极，阳极和阴极的面积比为1:0.8，氧化液温度为10?30°C，并处于搅拌状态，微弧氧化液为低碱性的硅酸钠体系的电解溶液；
③启动脉冲氧化电源，脉冲频率100Hz，占空比50?70%，给定正脉冲电流密度为3A/dm2，负脉冲电流密度为1A/ dm2，氧化5 min，给定正脉冲电流密度12A/ dm2，负脉冲电流密度为5A/ dm2，正脉冲氧化电压达到540V，负脉冲氧化电压达到90V时，氧化50 min；
④取出氧化后的铝合金缸体，用清水洗净氧化液后烘干；
⑤将陶瓷层的表层磨削加工到规定尺寸10μπι。
[0009]缸体内表面底层陶瓷膜的深度大约为80μπι，开口宽度为160μπι左右，深宽比为1:1.45，陶瓷层表层厚度大约为55μπι，通过机械磨削加工后使表层陶瓷层的厚度为ΙΟμπι。
【主权项】
1.铝合金缸体内表面陶瓷层及其工艺方法，其特征在于所述的铝合金缸体内表面陶瓷层为A1203陶瓷，由两层构成，底层为在缸体内表面下的螺纹状的螺旋层，深度为30?400μπι，在缸体内表面之上的陶瓷层为表层，厚度为0?ΙΟμπι。2.根据权利要求1所述的铝合金缸体内表面陶瓷层及其工艺方法，其特征在于所述的铝合金缸体内表面陶瓷层中螺纹状螺旋层的螺距为0.1?0.7_，截面形状为圆弧形、矩形、三角形或梯形。3.—种制备权利要求1所述的铝合金缸体内表面陶瓷层的工艺方法，其特征在于首先采用机械加工法在铝合金缸体内表面加工出螺纹状螺旋槽，然后采用微弧氧化法在螺旋槽内外原位生长一层微弧氧化陶瓷膜。4.根据权利要求3所述的一种制备权利要求1所述的铝合金缸体内表面陶瓷层的工艺方法，其特征在于螺纹状螺旋槽的螺距为0.1?0.7mm，截面形状为圆弧形、矩形、三角形或梯形，螺旋槽开口宽度不超过0.4_，深宽比为1:1?3。5.根据权利要求3所述的一种制备权利要求1所述的铝合金缸体内表面陶瓷层的工艺方法，其特征在于微弧氧化工艺采用脉冲氧化电源，铝合金缸体作为阳极，并将其外表面密封，不锈钢作为阴极，阳极和阴极的面积比为1:0.6?1，氧化液为低碱性的硅酸钠体系或磷酸钠体系或偏铝酸钠体系的电解溶液，按下列工艺步骤，在铝合金缸体内表面制备A1203陶瓷层: ①将铝合金缸体去除油污，外表面密封后装入微弧氧化槽中，并与电源的阳极线连接，氧化液温度为10?30°C，并处于搅拌状态； ②启动脉冲氧化电源，脉冲频率50?200Hz，占空比50?70%，给定正脉冲电流密度为2?5A/ dm2，负脉冲电流密度为0?1A/ dm2，氧化2?5 min，给定正脉冲电流密度7?20A/dm2，负脉冲电流密度为0?9A/ dm2，正脉冲氧化电压达到350?610V，负脉冲氧化电压达到0?120V时，氧化30?90 min； ③取出氧化后的铝合金缸体，用清水洗净氧化液后烘干； ④将陶瓷层的表层磨削加工到规定尺寸。
【专利摘要】本发明为铝合金缸体内表面陶瓷层及其工艺方法。首先采用机械加工法在铝合金缸体的内表面预制出螺纹状螺旋槽，然后采用微弧氧化法在螺旋槽的内外表面原位生长一层Al2O3陶瓷膜，该陶瓷层由两层构成，底层为在缸体内表面下的螺纹状的螺旋层，深度为30～400μm，在缸体内表面之上的陶瓷层为表层，厚度为0～10μm。陶瓷层与基体结合牢固、硬度和致密度高，不仅具有耐磨损、耐冲击和抗腐蚀的性能，还具有较好的导热性。陶瓷膜的制备简单，易于控制，成本低，效率高。
【IPC分类】C25D11/04
【公开号】CN105463548
【申请号】CN201510732541
【发明人】魏晓伟, 魏稔峻, 徐磊, 王剑, 张建军
【申请人】西华大学
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年11月3日