阅读说明：本技术 内燃机的耐高温轻质铝合金活塞及其制备方法 (High-temperature-resistant light aluminum alloy piston of internal combustion engine and preparation method thereof ) 是由 钟韬 黄传刚 苏怀林 张锦 于 2019-12-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种内燃机的耐高温轻质铝合金活塞及其制备方法,该耐高温轻质铝合金活塞的顶部设置有用于形成燃烧室一部分的凹槽,耐高温轻质铝合金活塞的顶面和凹槽采用高电压微弧氧化表面处理工艺进行表面处理,以形成厚度为70-160μm的陶瓷膜。本发明解决了钢质活塞密度较高所带来的运动惯量大、活塞销孔承压大、相关运动副摩擦磨损恶化等负面影响；同时也解决了阳极氧化铝合金活塞所生成的Al<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>氧化膜厚度不足耐热性不强的问题。(The invention discloses a high-temperature-resistant light aluminum alloy piston of an internal combustion engine and a preparation method thereof, wherein the top of the high-temperature-resistant light aluminum alloy piston is provided with a groove for forming a part of a combustion chamber, and the top surface and the groove of the high-temperature-resistant light aluminum alloy piston are subjected to surface treatment by adopting a high-voltage micro-arc oxidation surface treatment process to form a ceramic membrane with the thickness of 70-160 mu m. The invention solves the negative effects of large motion inertia, large piston pin hole pressure bearing, deterioration of friction and abrasion of related kinematic pairs and the like caused by high density of the steel piston; simultaneously solves the problem of Al generated by anodizing the aluminum alloy piston 2 O 3 The thickness of the oxide film is insufficient and the heat resistance is not strong.)

内燃机的耐高温轻质铝合金活塞及其制备方法

技术领域

本发明是关于发动机技术领域，特别是关于一种内燃机的耐高温轻质铝合金活塞及其制备方法。

背景技术

随着发动机排放法规的升级，内燃机燃烧室的温度和爆压越来越高，特别是以天然气为燃料的内燃机，铝合金活塞在以往的内燃机上应用最为广泛。采用阳极氧化表面处理工艺处理是铝合金活塞提升其顶部耐热性的方法之一，该工艺使铝合金活塞的燃烧室、顶部表面生成一层非晶Al₂O₃氧化层，以提高其耐热性。但此工艺生成的Al₂O₃氧化膜，膜厚比较小，低于50微米，导致此类活塞仍然时常发生熔顶、开裂等重大故障，从而严重影响了发动机的可靠性。

采用钢质活塞是解决上述问题的另外一个方法，虽然钢材耐高温性能优良，但其较高的密度也带来了运动惯量大、活塞销孔承压大、相关运动副摩擦磨损恶化、成本高等负面影响。

专利ZL201420452228.X采用微弧氧化工艺和封孔工艺处理活塞，但其最终生成的陶瓷膜最高只能达到150微米，耐高温性能仍较差。在此基础上通过改进优化，本发明解决了钢质活塞密度较高所带来的运动惯量大、活塞销孔承压大、相关运动副摩擦磨损恶化等负面影响；同时也解决了阳极氧化铝合金活塞所生成的Al₂O₃氧化膜厚度不足耐热性不强的问题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内燃机的耐高温轻质铝合金活塞，其解决了钢质活塞密度较高所带来的运动惯量大、活塞销孔承压大、相关运动副摩擦磨损恶化等负面影响；同时也解决了阳极氧化铝合金活塞所生成的Al₂O₃氧化膜厚度不足耐热性不强的问题。

本发明的另一目的在于提供一种用于内燃机的耐高温轻质铝合金活塞的制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种内燃机的耐高温轻质铝合金活塞，耐高温轻质铝合金活塞的顶部设置有用于形成燃烧室一部分的凹槽，耐高温轻质铝合金活塞的顶面和凹槽采用高电压微弧氧化表面处理工艺进行表面处理，以形成厚度为70-160μm的陶瓷膜。

在一个或多个实施方式中，其中，高电压微弧氧化表面处理工艺具体为：电解液的组成为：K₂SiO₃：6-9g/L，Na₂O₂：5-7g/L，NaF：0.2-1.5g/L，CH₃COONa：1.5-3.5g/L；溶液pH值为9-13；温度为18-45℃；电压调控方法为：电压迅速上升到280V并保持10-25s，然后将电压上升到480V并保持10-30min，当电流小于1A/dm²时完成氧化工序。

在一个或多个实施方式中，陶瓷膜采用封孔装置进行封孔工艺处理，其中，封孔液是浓度为5-15g/L的NaSiO₃和浓度为2-8g/L的NiF₂混合溶液。

在一个或多个实施方式中，封孔工艺具体为：封孔液静置在真空封孔罐中至少2小时后，在常温下对微弧氧化陶瓷膜采用浸泡的方式进行封孔，将耐高温轻质铝合金活塞放入真空封孔罐中，并浸没在封孔液中静置30分钟，即完成封孔处理。

在一个或多个实施方式中，以重量百分比计算，耐高温轻质铝合金活塞基体的化学成分配比为：14-18％Si、0.5-2％Cu、0.5-2％Mg、0-0.2％Mn、0.5-2％Ni、0-0.2％Fe、其余为铝Al。

本发明还提供了一种用于内燃机的耐高温轻质铝合金活塞的制备方法，该制备方法包括：制备铝合金活塞基体；在活塞顶部开设有用于形成燃烧室一部分的凹槽；对活塞顶面和凹槽进行微弧氧化表面处理工艺，其中，工艺包括如下步骤：配置电解液，其中电解液的组成为：K₂SiO₃：6-9g/L，Na₂O₂：5-7g/L，NaF：0.2-1.5g/L，CH₃COONa：1.5-3.5g/L；溶液pH值为9-13；设置溶液pH值为9-13，设置温度为18-45℃；通过调控电压来完成氧化工序，具体操作为：使电压迅速上升到280V并保持10-25s，然后将电压上升到480V并保持10-30min，当电流小于1A/dm²时完成氧化工序，并形成厚度为70-160μm的陶瓷膜。

在一个或多个实施方式中，制备方法还包括：对陶瓷膜采用封孔装置进行封孔工艺处理，其中，封孔液是浓度为5-15g/L的NaSiO₃和浓度为2-8g/L的NiF₂混合溶液。

在一个或多个实施方式中，封孔工艺具体为：封孔液静置在真空封孔罐中至少2小时后，在常温下对微弧氧化陶瓷膜采用浸泡的方式进行封孔，将耐高温轻质铝合金活塞放入真空封孔罐中，并浸没在封孔液中静置30分钟，即完成封孔处理。

在一个或多个实施方式中，以重量百分比计算，铝合金活塞基体的化学成分配比为：14-18％Si、0.5-2％Cu、0.5-2％Mg、0-0.2％Mn、0.5-2％Ni、0-0.2％Fe，其余为铝Al。

与现有技术相比，根据本发明具有如下优点：本发明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。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的耐高温轻质铝合金活塞的结构示意图。

主要附图标记说明：

1-耐高温轻质铝合金活塞，2-凹槽，3-活塞顶面。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

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。

封孔工艺的原理为：微弧氧化过程中电弧的作用使表面形成的陶瓷膜发生熔化，在陶瓷膜表面形成气体的共同作用下形成大量微米级的微孔。这些微孔在陶瓷膜中大量存在，部分微孔与金属基体相连，使发动机燃烧室的气体容易通过微孔达到金属基体，会导致陶瓷膜龟裂、脱落，也会影响微弧陶瓷膜的隔热性能。因此必须对微弧陶瓷膜进行封孔处理，在常温下对微弧氧化膜采用浸泡的方式进行封孔，封孔液在微弧氧化膜表面的微孔中形成吸附结晶填充物而达到封孔的目的。

如图1所示，根据本发明优选实施方式的内燃机的耐高温轻质铝合金活塞1，耐高温轻质铝合金活塞1的顶部设置有用于形成燃烧室一部分的凹槽2，耐高温轻质铝合金活塞的活塞顶面3和凹槽2采用高电压微弧氧化表面处理工艺进行表面处理，以形成厚度为70-160μm的陶瓷膜。

在一个或多个实施方式中，其中，高电压微弧氧化表面处理工艺具体为：电解液的组成为：K₂SiO₃：6-9g/L，Na₂O₂：5-7g/L，NaF：0.2-1.5g/L，CH₃COONa：1.5-3.5g/L；溶液pH值为9-13；温度为18-45℃；电压调控方法为：电压迅速上升到280V并保持10-25s，然后将电压上升到480V并保持10-30min，当电流小于1A/dm²时完成氧化工序。

在一个或多个实施方式中，陶瓷膜采用封孔装置进行封孔工艺处理，其中，封孔液是浓度为5-15g/L的NaSiO₃和浓度为2-8g/L的NiF₂混合溶液。

在一个或多个实施方式中，封孔工艺具体为：封孔液静置在真空封孔罐中至少2小时后，在常温下对微弧氧化陶瓷膜采用浸泡的方式进行封孔，将耐高温轻质铝合金活塞放入真空封孔罐中，并浸没在封孔液中静置30分钟，即完成封孔处理。

在一个或多个实施方式中，以重量百分比计算，耐高温轻质铝合金活塞基体的化学成分配比为：14-18％Si、0.5-2％Cu、0.5-2％Mg、0-0.2％Mn、0.5-2％Ni、0-0.2％Fe、其余为铝Al。

本发明的轻质活塞密度是钢质活塞密度的1/3左右，活塞顶面及顶部凹槽面陶瓷膜厚度达到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。且经过化学成分优化之后，进一步提升了活塞顶面及顶部凹槽面生成陶瓷膜的效率和质量。

本发明还提供了一种用于内燃机的耐高温轻质铝合金活塞的制备方法，该制备方法包括：制备铝合金活塞基体；在活塞顶部开设有用于形成燃烧室一部分的凹槽；对活塞顶面和凹槽进行微弧氧化表面处理工艺，其中，工艺包括如下步骤：配置电解液，其中电解液的组成为：K₂SiO₃：6-9g/L，Na₂O₂：5-7g/L，NaF：0.2-1.5g/L，CH₃COONa：1.5-3.5g/L；溶液pH值为9-13；设置溶液pH值为9-13，设置温度为18-45℃；通过调控电压来完成氧化工序，具体操作为：使电压迅速上升到280V并保持10-25s，然后将电压上升到480V并保持10-30min，当电流小于1A/dm²时完成氧化工序，并形成厚度为70-160μm的陶瓷膜。

在一个或多个实施方式中，制备方法还包括：对陶瓷膜采用封孔装置进行封孔工艺处理，其中，封孔液是浓度为5-15g/L的NaSiO₃和浓度为2-8g/L的NiF₂混合溶液。

在一个或多个实施方式中，封孔工艺具体为：封孔液静置在真空封孔罐中至少2小时后，在常温下对微弧氧化陶瓷膜采用浸泡的方式进行封孔，将耐高温轻质铝合金活塞放入真空封孔罐中，并浸没在封孔液中静置30分钟，即完成封孔处理。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。