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CN111850557B - 一种活塞制作方法及活塞 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机加工技术领域，公开了一种活塞制作方法及活塞。该活塞制作方法包括：采用磁控喷射方式，在活塞基体的顶面镀膜，形成金属层，金属层为氧化铝和氧化锆的复合金属层；采用微弧氧化方式，在金属层上进行电化学反应，形成陶瓷层，陶瓷层为孔洞状结构。该活塞制作方法，氧化铝和氧化锆的复合金属层在氧化锆的基础上增加了氧化铝，有效地降低金属层的热容，避免隔热存储大量的热导致燃烧室温度升高的情况，利于燃料的充分燃烧。同时，陶瓷层为疏松结构，其具有低热容的特性，进一步降低活塞基体的热容。另外，微观孔洞涂层中的空气导热系数极小，空气的导热性差，可阻碍高温燃气向活塞基体的热量传递，有效地降低活塞基体的热导率。

Description

一种活塞制作方法及活塞
技术领域
本发明涉及机加工技术领域，尤其涉及一种活塞制作方法及活塞。
背景技术
现有活塞的生产制造具有以下两种方式：
第一种，在钢活塞顶部涂覆YSZ、Mg-PSZ等热障陶瓷层，该陶瓷层的主体材料为氧化锆，利用氧化锆热导率低的特点来降低热量传递与损失。由于氧化锆密度大，热容较大，通常为2000kJ/(m3·K)以上，会导致氧化锆涂层在隔热时存储大量的热，从而使燃烧室温度升高，使进入燃烧室的氧原子数量降低，不利于燃料的充分燃烧。
第二种，制备具有金属-陶瓷复合涂层的钢活塞，首先通过电弧喷涂技术在钢活塞顶面制备一层致密的铝、镁及钛等金属层，然后对覆盖有金属层的钢活塞进行二次机械加工，最后使用硬质阳极氧化的电化学方法制备陶瓷隔热涂层。但电弧喷涂技术存在以下缺点：(1)电弧喷涂制备的金属层中孔洞率较大，且分布于整个金属层内，这将会导致金属层无法与钢活塞基体紧密结合，可能会发生涂层脱落等问题，同时还会导致涂层的热震性能下降；(2)电弧喷涂时会在钢活塞表面产生高温，可能会导致钢活塞基体的高温强度下降。另外，虽然在钢活塞表面制备了金属-陶瓷复合涂层，但该涂层不具备优良的低热导性与低热容性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种活塞制作方法及活塞，具有低热容、低热导率，降低了活塞顶部的吸热与传热能力，从而有助于提高发动机热效率。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种活塞制作方法，包括：
采用磁控喷射方式，在活塞基体的顶面镀膜，形成金属层，所述金属层为氧化铝和氧化锆的复合金属层；
采用微弧氧化方式，在所述金属层上进行电化学反应，形成陶瓷层，所述陶瓷层为孔洞状结构。
作为优选，所述磁控喷射方式包括以下步骤：
在真空室内填充惰性气体，并在真空室内分别设置铝靶和锆靶；
利用夹持组件夹紧活塞基体并控制活塞基体的顶面背离铝靶和锆靶设置，利用低压惰性气体辉光放电反应产生入射离子轰击铝靶的表面和锆靶的表面；
利用夹持组件夹紧活塞基体并控制活塞基体的顶面正对铝靶和锆靶设置，铝靶和锆靶发生溅射产生的铝原子和锆原子溅出并沉积至活塞基体的顶面上，形成薄膜结构的金属层。
作为优选，通过控制铝元素和锆元素的含量比，使所述金属层在进行电化学反应中形成具有氧化锆的陶瓷层。
作为优选，所述控制铝元素和锆元素的含量比是通过分别调整铝靶和锆靶的溅射角度并控制铝靶和锆靶同时溅射而实现。
作为优选，所述真空室在通入惰性气体之前的气压不大于5×10-4Pa，所述真空室在通入惰性气体之后的气压为0.1Pa～0.9Pa。
作为优选，所述微弧氧化方式包括：
利用夹具组件夹持活塞基体；
将脉冲电源的正极电连接于活塞基体，脉冲电源的负极电连接于夹具组件，并将活塞基体顶面上的金属层放置于电解液内，使金属层与电解液反应并在金属层表面微弧放电，以在金属层的表面形成陶瓷层。
作为优选，所述电解液为硅酸盐电解液，电解液的浓度为10g/L～30g/L，电解液温度不高于35℃，脉冲电源的电流密度为0.2A/dm2～0.4A/dm2，脉冲电源的频率为50Hz～500Hz、正向电流占空比为40％～50％、脉冲电源的正负电流比为0.7～1.3。
作为优选，在进行磁控喷射之前，对活塞基体进行前处理。
作为优选，所述前处理包括以下步骤：
用砂纸打磨活塞基体的顶面，以抛光至镜面；
将活塞基体放置于超声清洗机中，利用清洗剂进行超声清洗；
利用去离子水对活塞基体进行超声清洗并用热空气吹干。
为达上述目的，本发明还提供了一种活塞，采用上述的活塞制作方法制作而成，所述活塞包括：
活塞基体；
金属层，其设置于所述活塞基体的顶面上；
陶瓷层，其设置于所述金属层的顶面上。
本发明的有益效果：
本发明提供的活塞制作方法，在活塞基体的顶面镀膜，形成金属层，金属层为氧化铝和氧化锆的复合金属层，与现有技术全部采用氧化锆相比，氧化铝和氧化锆的复合金属层在氧化锆的基础上增加了氧化铝，有效地降低金属层的热容，避免隔热存储大量的热导致燃烧室温度升高的情况，利于燃料的充分燃烧。同时，在金属层上进行电化学反应，形成陶瓷层，陶瓷层为孔洞状结构，使得陶瓷层为疏松结构，其具有低热容的特性，进一步降低活塞基体的热容。另外，采用电化学对金属层顶部进行处理，形成具有孔洞的陶瓷层，陶瓷层为微观孔洞涂层，微观孔洞涂层中的空气导热系数极小，空气的导热性差，可阻碍高温燃气向活塞基体的热量传递，有效地降低活塞基体的热导率。
本发明例提供的活塞，通过在活塞基体的顶面上设置金属层和陶瓷层，以在活塞基体的顶部增加具有低热容、低热导率复合热障陶瓷涂层，降低活塞基体顶部的吸热与传热能力，从而有助于提升发动机热效率。通过在金属层的顶面设置有陶瓷层，在陶瓷层内设置有多个孔洞，陶瓷层中的孔洞可以实现热量的吸收与释放，从而实现隔热。
附图说明
图1是本发明活塞的结构示意图。
图中：
1、活塞基体；2、金属层；3、陶瓷层；4、过渡层。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
现有活塞作为燃烧室的组成部分，在燃油燃烧时活塞顶部会吸收大量的热，这些热量需要通过活塞传递给气缸套，然后通过发动机的冷却介质将这些热量带走，从而使活塞冷却，这些散失的热量将会降低发动机的热效率。为了解决这个问题，如图1所示，本实施例提供了一种活塞，活塞包括活塞基体1、金属层2及陶瓷层3，活塞基体1为钢材制作而成，在活塞基体1的顶面上设置有金属层2，在金属层2的顶面设置有陶瓷层3。
本实施例提供的活塞，通过在活塞基体1的顶面上设置金属层2和陶瓷层3，以在活塞基体1的顶部增加具有低热容、低热导率复合热障陶瓷涂层，降低活塞基体1顶部的吸热与传热能力，从而有助于提升发动机热效率。通过在金属层2的顶面设置有陶瓷层3，在陶瓷层3内设置有多个孔洞，陶瓷层3中的孔洞可以实现热量的吸收与释放，从而实现隔热。
可以理解的是，在金属层2的基础上形成陶瓷层3的过程中，在致密的金属层2和陶瓷层3之间会形成一个致密的过渡层4。
本实施例还提供了一种活塞制作方法，用于制造上述活塞，该活塞制作方法包括：采用磁控喷射方式，在活塞基体1的顶面镀膜，形成金属层2，金属层2为氧化铝和氧化锆的复合金属层2；采用微弧氧化方式，在金属层2上进行电化学反应，形成陶瓷层3，陶瓷层3为孔洞状结构。
现有技术活塞顶部涂覆的热障陶瓷层3材料为氧化锆，氧化锆的热容比较大，本实施例提供的活塞制作方法，在活塞基体1的顶面镀膜，形成金属层2，金属层2为氧化铝和氧化锆的复合金属层2，与现有技术全部采用氧化锆相比，氧化铝和氧化锆的复合金属层2在氧化锆的基础上增加了氧化铝，有效地降低金属层2的热容，避免隔热存储大量的热导致燃烧室温度升高的情况，利于燃料的充分燃烧。同时，在金属层2上进行电化学反应，形成陶瓷层3，陶瓷层3为孔洞状结构，使得陶瓷层3为疏松结构，其具有低热容的特性，进一步降低活塞基体1的热容。另外，采用电化学对金属层2顶部进行处理，形成具有孔洞的陶瓷层3，陶瓷层3为微观孔洞涂层，微观孔洞涂层中的空气导热系数极小，空气的导热性差，可阻碍高温燃气向活塞基体1的热量传递，有效地降低活塞基体1的热导率。
采用磁控喷射方式和微弧氧化方式，在活塞基体1的顶部制备了金属层2和陶瓷层3的复合热障涂层，可以降低活塞基体1的吸热能力，从而减少通过活塞基体1向气缸套的热量传导，提升发动机热效率。
为了保证金属层2的镀膜效果，在进行磁控喷射之前，对活塞基体1进行前处理，以使活塞基体1的顶面平整光滑，以增加镀膜的附着力。
具体地，前处理包括以下步骤：用砂纸打磨活塞基体1的顶面，以抛光至镜面；将活塞基体1放置于超声清洗机中，利用清洗剂进行超声清洗；利用去离子水对活塞基体1进行超声清洗并用热空气吹干。
可选地，利用不同细度型号的砂纸依次打磨活塞基体1的顶面，在将活塞基体1放置于超声清洗机之后，清洗剂具体为丙酮或金属清洗剂溶液，对活塞基体1进行超声清洗大约30min，在清洗结束之后，使用去离子水超声清洗大约10min，用热空气吹干。
为了解决金属层2在镀层过程中产生的高温对活塞基体1和金属层2致密度的不利影响，采用磁控喷射方式在活塞基体1的顶面进行镀膜。磁控喷射方式为在真空中利用荷能粒子轰击靶表面，使被轰击出的粒子沉积在基片上的技术，采用磁控喷射的方法温度低，不会对活塞基体1的高温强度产生影响，而且其原子沉积的特性使得金属层2致密性更高。
具体地，磁控喷射方式包括以下步骤：在真空室内填充惰性气体，并在真空室内分别设置铝靶和锆靶；利用夹持组件夹紧活塞基体1并控制活塞基体1的顶面背离铝靶和锆靶设置，利用低压惰性气体辉光放电反应产生入射离子轰击铝靶的表面和锆靶的表面；利用夹持组件夹紧活塞基体1并控制活塞基体1的顶面正对铝靶和锆靶设置，铝靶和锆靶发生溅射产生的铝原子和锆原子溅出并沉积至活塞基体1的顶面上，形成薄膜结构的金属层2。
其中，夹持组件包括夹具和能够相对于真空室转动的转动轴，将经过预处理的活塞基体1夹持到夹具上，并将其整体装配至转动轴上，然后活塞基体1的顶面背对铝靶和锆靶，铝靶和锆靶上下分布并呈一定角度设置。
利用机械泵抽取真空室内的空气，在机械泵抽取气压至一定的限值之后，开启分子泵，分子泵在此基础上继续抽取空气，使真空室在通入惰性气体之前的气压不大于5×10-4Pa，真空室为磁控喷射提供真空环境，并向真空室内通入惰性气体，惰性气体优选为氩气。真空室在通入惰性气体之后的气压为0.1Pa～0.9Pa。优选地，真空室在通入惰性气体之后的气压为0.5Pa。
由镀膜材料制成的铝靶和锆靶作为阴极，由活塞基体1作为阳极。将铝靶和锆靶电流升高至4A，在射频电压作用下产生辉光放电，辉光放电产生的入射离子具体为氩离子。氩离子轰击铝靶的表面和锆靶的表面大约20min，用于铝靶和锆靶的表面清洗。在清洗完成后，设置活塞基体1偏压为80V，控制转动轴将活塞基体1的顶面正对铝靶和锆靶，开始溅射镀膜，直到金属厚度达到100μm。
被溅射铝原子和锆原子是通过交换动能后飞溅出来的，使得溅射出来的铝原子和锆原子能量高，有利于提高沉积时铝原子和锆原子的扩散能力，提高沉积组织的致密程度，使制出的金属层2薄膜与活塞基体1具有强的附着力。与现有技术采用电弧喷涂的方式相比，采用磁控喷射方式进行镀膜的方式镀膜质量高，金属层2和活塞基体1能够紧密结合，避免金属层2脱落的情况，热震性能好。另外，磁控溅射可以精准控制金属层2的厚度和均匀性，使得在磁控溅射后金属层2可以直接进行微弧氧化处理，不需要对金属层2进行二次加工，节省了生产工序，降低了生产成本。
为使活塞基体1顶部涂层具有低热导率的特性，可选地，在陶瓷层3中均匀的掺杂适量氧化锆。在陶瓷涂层中添加氧化锆的传统方法是在微弧氧化时在电解液中添加氟锆酸钾来实现，氟锆酸钾在高温下溶解后，其浓度上升会显著增大电解液的电导率，导致反应过程的火花烧蚀现象严重，使得采用该方法制备的陶瓷层3中锆元素添加含量极其有限。同时，使用电解液添加锆元素时，会导致锆元素无法在涂层内均匀分布。
为了解决上述问题，在进行磁控溅射时，通过控制铝元素和锆元素的含量比，使金属层2在进行电化学反应中形成具有氧化锆的陶瓷层3，在解决了喷涂方法导致的涂层致密度较低问题的同时，也解决了微弧氧化后陶瓷层3中氧化锆添加量较小的问题。另外，经磁控溅射后，完成制备的金属层2为氧化铝和氧化锆的复合金属层2，该复合金属层2中锆元素均匀分布在活塞基体1的顶面上，经过微弧氧化处理后形成的氧化锆会均匀分布在整个陶瓷层3中，避免了电解液添加时锆元素无法均匀分布的问题。
优选地，对于控制铝元素和锆元素的含量比，通过分别调整铝靶和锆靶的溅射角度并控制铝靶和锆靶同时溅射而实现。磁控溅射可以通过铝靶和锆靶同时溅射，并调整溅射角度来精准控制金属层2的成分和含量，可调整性更强，从而实现对陶瓷层3中氧化锆含量的控制。采用磁控溅射预制复合金属层2的方式，以向陶瓷层3中添加微量锆元素，提高了陶瓷层3中锆元素的含量，解决通过电解液添加时添加元素在陶瓷层3中分布不均匀的现象，使陶瓷层3的整体性质更加稳定。
进一步地，采用微弧氧化方式具体包括以下步骤：利用夹具组件夹持活塞基体1；将脉冲电源的正极电连接于活塞基体1，脉冲电源的负极电连接于夹具组件，并将活塞基体1顶面上的金属层2放置于电解液内，使金属层2与电解液反应并在金属层2表面微弧放电，以在金属层2的表面形成陶瓷层3。
具体地，在金属层2制备完成之后，取出活塞基体1，并将活塞基体1装配于特制的夹具组件上，然后将活塞基体1与脉冲电源正极连接，夹具组件与电源负极连接。
电解液具体为硅酸盐电解液，电解液的浓度为10g/L～30g/L，电解液温度不高于35℃，脉冲电源的电流密度为0.2A/dm2～0.4A/dm2，脉冲电源的频率为50Hz～500Hz、正向电流占空比为40％～50％、脉冲电源的正负电流比为0.7～1.3。优选地，配置40L硅酸盐电解液放置于反应循环槽中，硅酸钠浓度为15g/L，其中包括络合剂、稳定剂等。启动水冷循环装置保证微弧氧化过程中电解液温度不高于35℃，并设置微弧氧化电参数，例如：脉冲电源的电流密度为0.3A/dm2，脉冲电源的正负电流比为1.2，脉冲电源的频率为400Hz，正占空比为40％,负占空比为40％等。
在电参数设置完成后，启动脉冲电源进行微弧氧化处理90min。在微弧氧化处理结束后，关闭脉冲电源，待活塞基体1冷却后关闭水冷循环装置，从夹具组件中取出活塞基体1，使用热空气对其进行干燥处理。
通过脉冲电源在活塞基体1上施加电压，使活塞基体1表面的金属层2与电解质溶液相互作用，在金属层2表面形成微弧放电，在高温、电场等因素的作用下，金属层2表面形成陶瓷层3，达到表面强化的目的。通过弧光放电，熔融的陶瓷相从金属层2内部喷发而出，在接触到电解液后迅速冷却，此时放电通道和极速凝固组织都会造成孔洞的存在。
采用微弧氧化方式，以获得既保持优良的抗冷热交变能力，又具备低热容性质的陶瓷层3，使得陶瓷层3的孔隙率为15％～25％。其中陶瓷层3的热物理性能可以按照需求，通过在既定范围内改变电参数和电解液参数进行工艺调整。
在涂层制备结束后，使用激光导热仪测试涂层热导率，使用DSC测试涂层的体积热容。在钢活塞顶部增加该涂层后，在以上参数下制备的活塞基体1顶部的热导率低于0.5W/(m·K)，热导率具体为0.42W/(m·K)，而传统的氧化锆陶瓷热障涂层的热导率约为2.0W/(m·K)，因此该活塞顶部的涂层可以有效减少热量损失，提高柴油机能量利用率。在提供更好的隔热效果的同时，该工艺制备的陶瓷涂层还具备低于1000kJ/(m3·K)的体积热容，在以上参数下制备的活塞基体1顶部热容具体为911KJ/(m3·K)，从而不会使燃烧室产生温度过高现象，保证燃烧过程中有充足的氧原子数量，提高了燃烧效率。
于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
此外，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种活塞制作方法，其特征在于，包括：
采用磁控喷射方式，在活塞基体(1)的顶面镀膜，形成金属层(2)，所述金属层(2)为氧化铝和氧化锆的复合金属层(2)；
采用微弧氧化方式，在所述金属层(2)上进行电化学反应，形成陶瓷层(3)，所述陶瓷层(3)为孔洞状结构；所述磁控喷射方式包括以下步骤：
在真空室内填充惰性气体，并在真空室内分别设置铝靶和锆靶；
利用夹持组件夹紧活塞基体(1)并控制活塞基体(1)的顶面背离铝靶和锆靶设置，利用低压惰性气体辉光放电反应产生入射离子轰击铝靶的表面和锆靶的表面；
利用夹持组件夹紧活塞基体(1)并控制活塞基体(1)的顶面正对铝靶和锆靶设置，铝靶和锆靶溅射产生的铝原子和锆原子溅出并沉积至活塞基体(1)的顶面上，形成薄膜结构的金属层(2)；通过控制铝元素和锆元素的含量比，使所述金属层(2)在进行电化学反应中形成具有氧化锆的陶瓷层(3)。
2.根据权利要求1所述的活塞制作方法，其特征在于，所述控制铝元素和锆元素的含量比是通过分别调整铝靶和锆靶的溅射角度并控制铝靶和锆靶同时溅射而实现。
3.根据权利要求1所述的活塞制作方法，其特征在于，所述真空室在通入惰性气体之前的气压不大于5×10-4Pa，所述真空室在通入惰性气体之后的气压为0.1Pa～0.9Pa。
4.根据权利要求1所述的活塞制作方法，其特征在于，所述微弧氧化方式包括：
利用夹具组件夹持活塞基体(1)；
将脉冲电源的正极电连接于活塞基体(1)，脉冲电源的负极电连接于夹具组件，并将活塞基体(1)顶面上的金属层(2)放置于电解液内，使金属层(2)与电解液反应并在金属层(2)表面微弧放电，以在金属层(2)的表面形成陶瓷层(3)。
5.根据权利要求4所述的活塞制作方法，其特征在于，所述电解液为硅酸盐电解液，电解液的浓度为10g/L～30g/L，电解液温度不高于35℃，脉冲电源的电流密度为0.2A/dm2～0.4A/dm2，脉冲电源的频率为50Hz～500Hz、正向电流占空比为40％～50％、脉冲电源的正负电流比为0.7～1.3。
6.根据权利要求1所述的活塞制作方法，其特征在于，在进行磁控喷射之前，对活塞基体(1)进行前处理。
7.根据权利要求6所述的活塞制作方法，其特征在于，所述前处理包括以下步骤：
用砂纸打磨活塞基体(1)的顶面，以抛光至镜面；
将活塞基体(1)放置于超声清洗机中，利用清洗剂进行超声清洗；
利用去离子水对活塞基体(1)进行超声清洗并用热空气吹干。
8.一种活塞，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的活塞制作方法制作而成，所述活塞包括：
活塞基体(1)；
金属层(2)，其设置于所述活塞基体(1)的顶面上；
陶瓷层(3)，其设置于所述金属层(2)的顶面上。
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