专利名称：一种头部硬质阳极氧化内燃机活塞及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机活塞，具体为一种头部硬质阳极氧化的内燃机活塞及其制 造方法。
背景技术：
活塞是发动机的核心部件，随着发动机向低油耗、低噪音、低排放目标的发展，对 活塞的质量要求越来越高。内燃机活塞要求工作温度高、热冲击大、速度高、摩擦频繁，普 通活塞难以满足在工况恶劣的条件下工作，长期制约发动机综合性能的提高。为此国内外 科技人员实施了各种举措如“活塞整体阳极化处理”、“微弧氧化处理”、“头部热喷涂陶瓷 层”等，但考虑工艺复杂程度、成本控制、使用条件等因素，以上方法各自有不同的应用范围 局限。
发明内容
本发明的目的是克服内燃机活塞应对温度高、热冲击大、速度高、摩擦频繁中出现 的不足，而提供一种头部(第二环岸及以上)硬质阳极氧化的内燃机活塞，使活塞的综合性 能得到提高。本发明的目的是这样实现的一种头部硬质阳极氧化内燃机活塞，其基体材质为 Al-Si合金，其特征在于活塞头部外表面有8-60 μ m的阳极氧化膜层。阳极氧化膜层生成工艺采用直流电源阳极氧化，具体工艺流程为化学除油-热 水洗_冷水洗_出光-冷水洗_氧化_冷水洗；阳极氧化工艺条件包括电压、电流、氧化溶 液温度、氧化时间及氧化溶液成分配比。所述的阳极氧化的工艺条件为电压45-70V，氧化电流密度3_7A/dm2，氧化溶液温 度-5-0°C，氧化时间30-60分钟，所用的氧化溶液浓度为硫酸200-240g/L、草酸15_20g/ L、硫酸铝0. 2-0. 5g/L。所述的工装为内径与活塞环槽外径、活塞裙部外径相当的类圆筒状保护套。铝合金在特定的工作条件下，在外加电流的作用下，在阳极上形成氧化膜的过程， 称做阳极氧化。铝合金活塞经氧化反应后在其表面生成Al2O3氧化膜层，该膜层硬度很高， 维氏显微硬度可达250HV-500HV，故称硬质阳极氧化。该氧化膜层熔点高达2050°C，导热系 数小于0. 16W/m2*K，可使活塞头部燃烧室承受瞬时高温，并可起绝热作用。实践证明，用直 流电源进行阳极氧化可以得到优质氧化膜层。硬质阳极氧化装置主要有电源及调压控制系统、电解槽、搅拌系统、冷却系统四部 分组成。电源及调压控制系统提供了硬质阳极氧化所需的高压电，电解槽通常由铅版制成， 兼做阴极，内盛氧化溶液；搅拌系统可以提高溶液中电解质的均勻性；冷却系统可以保证 电解液所需的工作温度。具体为将活塞头部以外的区域用专用工装封闭起来，计算活塞头部表面积、在恒 温室中测量活塞头部厚度和裙部型线尺寸、清洗活塞表面，优选各项工艺参数，配置合适的
3氧化溶液成分和组分，设定电压至45-70V，电流密度在3-7A/d m2，启动氧化溶液冷却和搅 拌系统。将活塞放入氧化溶液中，通电后，表面立即生成很薄的一层高绝缘性能的氧化膜， 随着氧化膜的产生，氧化溶液对氧化膜的溶解作用也就开始了。由于氧化膜不均勻，氧化膜 薄的地方首先被溶解，形成了孔隙。氧化溶液通过孔隙到达活塞表面，使电化学反应继续进 行。因为溶解总是在氧化膜相对薄弱的部位发生，当氧化物绝缘膜被溶解后，在该部位生成 新的氧化膜，溶解点转移到其它相对薄弱的区域，氧化膜的生成伴随着氧化膜的溶解，当膜 的生成速度大于溶解速度，氧化膜层逐渐增厚，最终形成的氧化膜层是均勻的。这种氧化膜 层是由Al2O3组成，可以获得较高的耐磨性、耐腐蚀性、耐热冲击性，提高发动机的寿命和效 率。注意氧化电流密度、氧化溶液的成分、电压的控制、氧化时间的控制是提高活塞头 部氧化膜层厚度和质量的关键。通过优化氧化膜层的生长过程的电流密度与氧化时间的工 艺参数，最终获取最佳经济厚度8-60 μ m耐腐蚀、耐磨、耐高温冲击氧化膜层。本发明的有益效果是，活塞头部(第二环岸及以上)氧化膜层适当，耐磨性及耐高 温冲击性更好，制造方法中，活塞头部硬质阳极氧化工艺主要优点是工艺容易掌握和实现 参数自动控制，易于组织工业化大生产，设备占地面积小，处理能力强，生产效率高，在不降 低材质性能及不改变合金工件原几何尺寸、表面粗糙度的条件下，可大幅度提高活塞的耐 磨、耐腐蚀、抗高温冲击性能，满足恶劣工况条件下的需要。上述方法制造的活塞装机后，① 使用寿命明显提高；②尾气排放CO、HC含量明显下降。
图1是本发明活塞的局剖放大示意图。图2是本发明活塞阳极氧化装置示意图。图3是本发明工装结构示意图。图中，a.活塞头部，b.活塞裙部，1.阳极氧化膜层，2.活塞基体，3.电解槽，4.冷 却管，5.氧化溶液，6.工装。
具体实施例一种头部硬质阳极氧化内燃机活塞，其基体材质为Al-Si合金，活塞头部a外表面 有8-60 μ m的阳极氧化膜层1。阳极氧化膜层1生成工艺采用直流电源阳极氧化，具体工艺流程为化学除油-热 水洗_冷水洗_出光-冷水洗_氧化_冷水洗；阳极氧化工艺条件包括电压、电流、氧化溶 液温度、氧化时间及氧化溶液成分配比。阳极氧化的工艺条件为电压45-70V，氧化电流密度3_7A/dm2，氧化溶液温 度-5-0°C，氧化时间30-60分钟，所用的氧化溶液浓度为硫酸200-240g/L、草酸15_20g/ L、硫酸铝0.2-0.5g/L。阳极氧化装置主要有电源及调压控制系统、电解槽3、搅拌系统、冷 却系统四部分组成。将活塞头部a以外的区域用专用工装封闭起来后放入氧化溶液5中， 通电后启动氧化溶液冷却和搅拌系统，在活塞表面立即生成很薄的一层高绝缘性能的氧化 膜，随着氧化膜的产生，氧化溶液对氧化膜的溶解作用也就开始了。由于氧化膜不均勻，氧 化膜薄的地方首先被溶解，形成了孔隙。氧化溶液通过孔隙到达活塞表面，使电化学反应继续进行。因为溶解总是在氧化膜相对薄弱的部位发生，当氧化物绝缘膜被溶解后，在该部位 生成新的氧化膜，溶解点转移到其它相对薄弱的区域，氧化膜的生成伴随着氧化膜的溶解， 当膜的生成速度大于溶解速度，氧化膜层逐渐增厚，最终形成的氧化膜层5是均勻的。
权利要求
一种头部硬质阳极氧化内燃机活塞，其基体材质为Al Si合金，其特征在于活塞头部外表面有8 60μm的阳极氧化膜层。
2.如权利要求1所述的一种头部硬质阳极氧化内燃机活塞制造方法，其特征在于所述 的阳极氧化膜层生成工艺采用直流电源阳极氧化，具体工艺流程为化学除油-热水洗-冷 水洗-出光-冷水洗_工装局部保护活塞_氧化_冷水洗；阳极氧化工艺条件包括电压、电 流、氧化溶液温度、氧化时间及氧化溶液成分配比。
3.如权利要求2所述的一种头部硬质阳极氧化内燃机活塞制造方法，其特征在于所 述的阳极氧化的工艺条件为电压45-70V，氧化电流密度3-7A/dm2，氧化溶液温度-5-0°C， 氧化时间30-60分钟，所用的氧化溶液浓度为硫酸200-240g/L、草酸15_20g/L，硫酸铝 0. 2-0. 5g/L。
4.如权利要求2所述的一种头部硬质阳极氧化内燃机活塞制造方法，其特征在于所述 的工装为内径与活塞环槽外径、活塞裙部外径相当的类圆筒状保护套。
全文摘要
一种头部硬质阳极氧化内燃机活塞，其基体材质为Al-Si合金，其特征在于活塞头部外表面有8-60μm的阳极氧化膜层。阳极氧化膜层生成工艺采用直流电源阳极氧化，即化学除油-热水洗-冷水洗-出光-冷水洗-氧化-冷水洗；阳极氧化的工艺条件为电压45-70V，氧化电流密度3-7A/dm2，氧化溶液温度-5-0℃，氧化时间30-60分钟，所用的氧化溶液浓度为硫酸200-240g/L、草酸15-20g/L，硫酸铝0.2-0.5g/L。其有益效果是，本发明方法工艺容易掌握和实现参数自动控制，本发明产品可大幅度提高活塞的耐磨、耐腐蚀、抗高温冲击性能。活塞装机后，①使用寿命提高；②尾气排放CO、HC含量下降。
文档编号F02F3/10GK101943079SQ20101027490
公开日2011年1月12日 申请日期2010年9月5日 优先权日2010年9月5日
发明者孔令东, 孔德芬, 张书民, 张鲁京, 甄介生, 颜君衡, 魏运财 申请人:曲阜金皇活塞股份有限公司