专利名称：活塞顶面硬质阳极氧化方法
技术领域：
本发明活塞顶面硬质阳极氧化方法涉及发动机活塞顶面硬质阳极氧化工艺与装 置，也涉及其它铝合金零部件要求局部硬质阳极氧化的场所。
背景技术：
发动机工作时，活塞受到强烈地热负荷作用，活塞顶面常出现开裂等情况，导致过 早失效。在活塞顶面制备一层致密的铝氧化膜可以有效地提高活塞寿命，并增加燃气的燃 烧效率，与微弧氧化方法相比，采用硬质阳极氧化处理制备铝氧化膜，能耗低、工艺简单，成 本低。但目前的硬质阳极氧化处理方法制备的铝氧化膜较疏松，硬度和膜厚还不能更好地 满足要求。总所周知，阳极氧化膜由阻挡层和多孔层构成，但对于形成阻挡型与多孔型两类 阳极氧化膜形态的变化规律没有统一的解释，形成多孔阳极氧化铝膜的过程是一个涉及物 理、化学和电化学等诸多方面的复杂过程，同时也受到电解液类型、阳极氧化电压、反应温 度等影响。目前，临界电流密度模型、体膨胀应力模型和电场支持下的溶解模型等对多孔层 的形成机制进行了解释。但无论那种解释，归根结底，铝的阳极氧化总是放热反应，在成膜 过程中，当氧化膜的生长速度大于其溶解速度时氧化膜生长，氧化膜溶解速度越小，则生长 速度越快。这表明，无论是化学溶解还是电场助溶都与氧化膜含热量或温度有关，含热量 多，温度高将使氧化膜的溶解量大，难以得到厚膜，并且其间的微孔变大，排列无序，致密度 降低。由于氧化膜的导热能力远小于铝基体，现有的铝活塞硬质氧化方法均不能有效地将 阳极氧化反应热导出，实现制备更厚和而致密的氧化膜。
发明内容
本发明活塞顶面硬质阳极氧化方法目的是提供一种在活塞顶面制备高硬度、膜厚 而致密的氧化铝膜层的工艺方法。本发明活塞顶面硬质阳极氧化方法的特点在于，利用硬 质阳极氧化表面处理脉冲电源设备和复合冷却氧化装置对活塞顶面进行表面处理，在氧化 膜与铝活塞交界面处沿铝活塞基体方向形成较大的温度梯度，使氧化反应热垂直于交界面 沿铝活塞方向导出，再由循环冷却液带出，在活塞顶面得到致密而高硬度的氧化铝厚膜，复 合冷却氧化装置由氧化工作槽1和冷却槽7组成，在其氧化工作槽1的底部装有橡胶密封 圈4，橡胶密封圈端盖5，槽内装有阴极板2和阴极电缆6，将活塞3装入橡胶密封圈内，活 塞的顶部向上，被氧化的部分与氧化工作槽中的循环电解液接触，橡胶密封圈起着密封和 夹持作用，以分离活塞氧化部分和不氧化部分，循环电解液的温度控制在2 4°C，冷却槽7 内装有活塞弹性支撑阳极导电装置，由导电顶板8，弹簧9，电缆10，导电坐板11和外接电 缆12组成，以加强橡胶密封圈的密封作用和保证活塞在硬质阳极氧化过程中可靠导电，槽 内通有无腐蚀性的循环冷却液，其温度控制在-3-0°C，使活塞顶部氧化反应产生的热量向 不需氧化的铝活塞基体传递，再与循环冷却液换热，将氧化反应热带出。采用上述活塞顶面硬质阳极氧化方法进行活塞顶面硬质氧化处理的优点是(1)能满足氧化膜生长的散热条件，使氧化膜产生的热流向活塞基体传递，并被冷却液带走，氧化膜的溶解大量减少，成膜效率高，厚而致密，能达到120 150 μ m，硬度可达 450 560HV。(2)硬质氧化过程中产生的气泡由流动的电解液及时带出，而不需要气体搅拌或 其它搅拌系统，电解液的导电性能好，氧化电压较低，电流效率高，有效地降低了气泡对氧 化膜形成的不利影响，氧化膜不易烧蚀，稳定可靠，几乎无废品。(3)可根据活塞不同规格设计氧化工作槽装夹活塞，数量可多可少，易于实现批量 化高效率硬质阳极氧化生产。
图1是复合冷却氧化装置的主视示意图。图2是复合冷却氧化装置的俯视示意图。图3是活塞顶面氧化膜的扫描电子显微镜微观形貌(2000X)，氧化铝单胞垂直于 活塞顶面，成柱状生长，膜层致密。
具体实施例方式本发明结合具体实施例进一步说明如下实施例1 Φ 105mmZL109发动机活塞顶面硬质阳极氧化方法(1)采用硬质阳极氧化表面处理电源设备，将活塞3装入复合冷却氧化装置中对 活塞顶面进行硬质阳极氧化表面处理，复合冷却氧化装置由氧化工作槽1和冷却槽7组成。(2)复合冷却氧化装置中的氧化工作槽槽内装有阴极板2和联接硬质阳极氧化表 面处理电源设备的电缆6，槽底的孔中装有橡胶密封圈4，以矩阵方式排列，密封圈4夹持活 塞1和起作密封作用，分离活塞氧化部分和不氧化部分；冷却槽7内装有活塞弹性支撑阳极 导电装置，包括导电顶板8，弹簧9，电缆10，导电坐板11和外接电缆12，槽内通入无腐蚀性 的循环冷却液。(3)将活塞3脱脂去污清洗后装入氧化工作槽1的底部的橡胶密封圈4中，活塞 顶面向上，装入数量40只，活塞间的中心距150mm，矩阵排列。按照附图1将装有活塞的氧 化工作槽1置于冷却槽7上，活塞底部与活塞弹性支撑阳极导电装置中的导电顶板8紧密 接触，分别向氧化工作槽1和冷却槽7内通入18wt. %的硫酸电解液和无腐蚀中性的循环 冷却液，电解液和循环冷却液的温度分别控制在1 2°C和_3°C。接通硬质氧化脉冲电源， 氧化40 50分钟，在活塞顶面形成一层致密的氧化膜，用涡流测厚仪和显微硬度计分别测 试，膜厚为126 μ m,硬度为498HV。实施例2 ^90mmZL 108发动机活塞顶面硬质阳极氧化方法(1)采用硬质阳极氧化表面处理电源设备，将活塞3装入复合冷却氧化装置中对 活塞顶面进行硬质阳极氧化表面处理，复合冷却氧化装置由氧化工作槽1和冷却槽7组成。(2)复合冷却氧化装置中的氧化工作槽槽内装有阴极板2和联接硬质阳极氧化表 面处理电源设备的电缆6，槽底的孔中装有橡胶密封圈4，以矩阵方式排列，密封圈4夹持活 塞1和起作密封作用，分离活塞氧化部分和不氧化部分；冷却槽7内装有活塞弹性支撑阳极 导电装置，包括导电顶板8，弹簧9，电缆10，导电坐板11和外接电缆12，槽内通入无腐蚀性 的循环冷却液。
(3)将活塞3脱脂去污清洗后装入氧化工作槽1的底部的橡胶密封圈4中，活塞 顶面向上，装入数量60只，活塞间的中心距150mm，矩阵排列。按照附图1将装有活塞的氧 化工作槽置1于冷却槽7上，活塞底部与活塞弹性支撑阳极导电装置中的导电顶板8紧密 接触，分别向氧化工作槽1和冷却槽7内通入18wt. %的硫酸电解液和无腐蚀中性的循环 冷却液，电解液和循环冷却液的温度分别控制在1 2°C和_3°C。接通硬质氧化脉冲电源， 氧化40 50分钟，在活塞顶面形成一层致密的氧化膜，用涡流测厚仪和显微硬度计分别测 试，膜厚为145 μ m,硬度为482HV。
权利要求
本发明活塞顶面硬质阳极氧化方法其特征在于，采用硬质阳极氧化表面处理电源设备，将活塞装入复合冷却氧化装置中对活塞顶面进行硬质阳极氧化表面处理。
2.根据权利要求书1所述的活塞顶面硬质阳极氧化方法所采用的复合冷却氧化装置， 其特征在于所述的复合冷却氧化装置由氧化工作槽和冷却槽组成。
3.根据权利要求书2所述的复合冷却氧化装置，其特征在于所述的氧化工作槽，其槽 内装有阴极板和联接硬质阳极氧化表面处理电源设备的电缆，通有循环电解液，氧化工作 槽底的孔中装有橡胶密封圈，以矩阵方式排列，密封圈夹持活塞和起作密封作用，分离活塞 氧化部分和不氧化部分。
4.根据权利要求书2所述的复合冷却氧化装置，其特征在于所述的冷却槽，其内装有 活塞弹性支撑阳极导电装置，由导电顶板，弹簧，电缆，导电坐板和外接电缆组成，槽内通有 无腐蚀性的循环冷却液。
全文摘要
本发明提供了活塞顶面硬质阳极氧化方法，它是采用硬质阳极氧化表面处理工艺使活塞顶面生成致密的氧化膜，在硬质阳极氧化处理时利用硬质阳极氧化表面处理电源设备和复合冷却氧化装置对活塞顶面进行表面处理，使活塞顶部生成氧化膜时产生的热流向不需氧化的铝活塞基体部分传递，再与循环冷却液换热，有利于氧化膜的生成，经处理后，活塞顶面氧化膜厚度能达到120～150μm，硬度可达450～560HV，膜层组织致密，生产效率高，电解液用量少，能耗低，稳定可靠，几乎无废品。
文档编号F16J1/00GK101942687SQ201010291050
公开日2011年1月12日 申请日期2010年9月26日 优先权日2010年9月26日
发明者邓丽虹, 顾琳, 魏晓伟, 魏稔峻 申请人:西华大学