嘗試性分析鋁活塞快速硬質(zhì)陽極氧化

劉大龍

摘 ?要：文章將硬質(zhì)陽極氧化工藝、方法、參數(shù)、設(shè)備要求、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為對象進(jìn)行分析。隨后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出該技術(shù)、該方法優(yōu)點(diǎn)眾多、突出，在鋁活塞中的應(yīng)用優(yōu)勢巨大。

關(guān)鍵詞：鋁活塞;快速硬質(zhì)陽極氧化;工藝

中圖分類號(hào)：TK42 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）22-0114-02

Abstract： In this paper， the hard anodizing process， methods， parameters， equipment requirements and quality standards are analyzed. Then， according to the experimental results， it is concluded that the technology， this method has many obvious advantages and has great advantages in the application of aluminum piston.

Keywords： aluminum piston; rapid hard anodizing; process

前言

柴油機(jī)啟動(dòng)容易、油耗低，燃燒室通常直接布置在活塞頂部，故燃燒室口時(shí)常發(fā)生裂紋。收口深盆燃燒室口部頻頻因熱疲勞因素發(fā)生裂紋，該問題會(huì)對活塞壽命造成負(fù)面影響。燃燒室雖然能夠降低柴油機(jī)粗暴程度，控制噪音，減少污染，不過如果忽視燃燒口裂紋問題，燃燒室將無法進(jìn)一步推廣和使用。熱裂紋成因源自于口部有著劇烈的燃?xì)饬鲃?dòng)，在熱量傳遞過程中，燃燒室口部溫度會(huì)不斷加劇，無法保障熱量擴(kuò)散效果。此時(shí)所形成的切向應(yīng)力在各種影響下變成拉應(yīng)力。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)反復(fù)加入與冷卻的過程中，口部就會(huì)出現(xiàn)熱疲勞裂紋。該問題的解決可以用鑲嵌陶瓷、奧氏體鑄鐵圈的方式。當(dāng)然這些方法因一些不可靠原因，包括成本原因，所以并沒得到廣泛使用。

1 硬質(zhì)陽極氧化優(yōu)點(diǎn)

硬質(zhì)氧化陽極對活塞頂部的使用能夠很好的處理與解決熱裂紋問題。相較其他方法，這種方法成本更低。因?yàn)樵摷夹g(shù)是在鋁基上出現(xiàn)的氧化膜，故不會(huì)出現(xiàn)結(jié)合不牢靠情況。

硬質(zhì)陽極氧化就是在鋁合金表面形成高密度Al2O3膜。這種膜有著很好的隔熱性，能夠在易開裂部位建立一個(gè)熱屏障，減少慢熱流入侵。所以活塞頂部在陽極氧化作用下，熱疲勞強(qiáng)度得到了很好的提高。從各種資料報(bào)道不難看出，共晶鋁硅合金液鍛造的鋁活塞頂部收口燃燒室如果沒有陽極氧化過程，那么在運(yùn)行九萬公里以后就會(huì)出現(xiàn)燃燒室口開裂問題。陽極氧化對照組的設(shè)備連續(xù)運(yùn)行1100小時(shí)也沒有開裂痕跡[1]。該現(xiàn)象表明，氧化組相較于未氧化組有著更強(qiáng)的耐熱沖擊能力。實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)也證明了，硬質(zhì)陽極氧化流程實(shí)際上就是在保障晶界不受外界的破壞與影響。對于細(xì)晶粒材料情況更加顯著。

如今很多柴油機(jī)活塞頂面都會(huì)做硬質(zhì)陽極氧化，為的就是減少活塞頂部與燃燒室口部開裂問題發(fā)生。陽極氧化膜厚度在0.1毫米，能夠減少活塞吸熱20%，此時(shí)活塞頂部溫度相較沒有經(jīng)過處理的對象溫度能夠降低30攝氏度至50攝氏度。

陽極氧化后，活塞頂部獲得了非常好的氧化膜隔熱，熱損失得到了很好的控制，燃燒室熱效率得到了體現(xiàn)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗減少了4%左右，很好的降低了排氣溫度。除此之外因活塞溫度得到了控制，膨脹問題得到了處理，配缸間隙、頂岸冷態(tài)間隙問題得到了減少。

硬質(zhì)陽極氧化硬度為維氏350至600。假設(shè)活塞頂陽極氧化中，氧化膜被延展至第一環(huán)槽，此時(shí)第一環(huán)槽本身的耐磨能力甚至能夠達(dá)到鑲鑄鐵環(huán)者。據(jù)了解柴油機(jī)活塞環(huán)槽氧化處理后，每千小時(shí)的環(huán)槽磨損量只有0.009毫米。根據(jù)實(shí)驗(yàn)對比，沒有處理的活塞環(huán)槽每千小時(shí)磨損量為0.12至0.15毫米。

因?yàn)橛操|(zhì)陽極氧化層有著非常高的硬度，所以要盡可能避免和周圍的缸套摩擦，否則就會(huì)導(dǎo)致缸套表面被拉傷。此時(shí)會(huì)發(fā)生活塞拉缸現(xiàn)象。在硬質(zhì)陽極氧化層被延展至第一環(huán)槽以后，頂岸如果同樣氧化，就必須予以該問題足夠多的關(guān)注。一些設(shè)計(jì)單位所制造的活塞質(zhì)量不良，缸套與頂岸上端摩擦非常常見。此外還要關(guān)注的是，在表面經(jīng)氧化處理以后，活塞尺寸會(huì)發(fā)生變化，如圖1所示。

此時(shí)的變化量在膜厚度1半左右。加工環(huán)槽、頂岸等需要氧化的部位時(shí)候，應(yīng)當(dāng)根據(jù)公差要求、膜厚要求確認(rèn)氧化尺寸，以免尺寸超差問題發(fā)生。

2 硬質(zhì)陽極氧化要點(diǎn)

鋁合金使用對應(yīng)電解液的時(shí)候，特定環(huán)境下，外加電流會(huì)使得陽極出現(xiàn)氧化膜，這一現(xiàn)象就被稱為陽極氧化。在活塞合金經(jīng)過氧化以后，就會(huì)出現(xiàn)Al2O3氧化膜，這個(gè)膜有著非常高的硬度與維度。膜熔點(diǎn)甚至能夠達(dá)到2050攝氏度，其導(dǎo)熱系數(shù)只有不到0.16w/m2·k，能夠幫助活塞頂部的燃燒室承受更高的瞬時(shí)高溫，并且有著絕熱作用。根據(jù)實(shí)踐得出，直流電陽極氧化效果非常好，能夠輕松得到優(yōu)質(zhì)氧化膜。氧化膜絕緣性強(qiáng)，膜層厚度增加的過程中，電阻也會(huì)增加，進(jìn)而減少電流。所以應(yīng)當(dāng)選用合適的方案設(shè)計(jì)硅整流電源的供電方式，保障工藝要求得到滿足。

在硬質(zhì)陽極氧化中，膜生成中會(huì)發(fā)生氫氣排放、放熱反應(yīng)。放熱會(huì)導(dǎo)致氧化膜溶解速度加速，并且提高了電解溶液的上升速度。如果無法及時(shí)消除該問題，就會(huì)導(dǎo)致工件表面因燒灼問題發(fā)白。溶液溫度的參數(shù)制定、控制決定著最后的氧化效果。必須予以氫氣排除足夠的關(guān)注度，否則氣阻問題同樣會(huì)增加電阻，導(dǎo)致電壓上升，影響氧化過程，甚至是中斷氧化。所以必須設(shè)計(jì)先進(jìn)、合理的氧化裝備，其對最后的氧化效果影響十分突出。

3 硬質(zhì)陽極氧化在鋁活塞中的機(jī)理

一般來說陽極氧化大多使用直流電方式進(jìn)行，將陽極接上活塞，陰極接上電極。電解槽電解液主要是硫酸。在通過電解槽的過程中，陽極與鋁析出氧原子，生成Al2O3，釋放大量熱量。

該過程中所生成的Al2O3能夠溶解在硫酸電解液。

在氧化膜生成速度比溶解速度大的時(shí)候，才會(huì)出現(xiàn)氧化膜，膜有一定厚度。早期氧化階段膜一般很薄，不過這時(shí)候的氧化膜有著較高的密度，被稱之為阻擋層。在化學(xué)溶解開始后，膜出現(xiàn)大量微孔。利用電子顯微鏡可以看出，硫酸陽極氧化孔數(shù)在8*1010/厘米2，孔徑在0.015微米[2]。因?yàn)槲⒖妆旧黼娮璨淮?，使用微孔方法增?qiáng)電流以后，電化學(xué)反應(yīng)會(huì)大量集中于微孔的底部，無法導(dǎo)出熱量，孔底溫度會(huì)持續(xù)性升高，加快孔底化學(xué)的溶解速度。在膜孔地面不斷推進(jìn)至基體金屬以后，出現(xiàn)深孔。

為保障活塞氧化膜厚度足夠，就必須降低Al2O3的溶解速度。此時(shí)需要導(dǎo)出微孔熱量，做好電解液溫度的控制。電解槽一般都要配備制冷裝置與攪拌裝置。目的是為了讓電解液能夠冷卻與流動(dòng)。

鋁合金硬質(zhì)陽極氧化工藝方案有很多種，通常這些方案都會(huì)被作為裝飾性使用。鋁合金含硅量與含銅量需要控制在7.5%與3%[3]。不過從實(shí)際數(shù)據(jù)看來，當(dāng)前國內(nèi)很多柴油機(jī)活塞含銅量雖然在3%以內(nèi)，不過含硅量卻往往超標(biāo)許多，大多為11%至13%。硅成分本身導(dǎo)電率不高，會(huì)影響到硅活塞氧化膜形成效率，其帶給鋁活塞的影響十分顯著。

4 硬質(zhì)氧化

國內(nèi)活塞產(chǎn)業(yè)是在上個(gè)世紀(jì)八十年代開始應(yīng)用陽極氧化技術(shù)的， 國外則早在上個(gè)世紀(jì)五十年代就已經(jīng)在使用該技術(shù)。先行氧化工藝為使用單位溶液展開電解液配置，溶液溫度一般在273K一下。會(huì)對非氧化部位做整體密封或涂絕緣漆的方式保護(hù)。電壓在40至90V區(qū)間，氧化時(shí)間為1至1.5小時(shí)。

本次所有的方法適合國產(chǎn)柴油機(jī)這種11%至13%含硅量的情況。

本次工藝對象電解槽外壁是普通鋼板，內(nèi)襯為鉛板，為的是防止硫酸腐蝕。鉛板側(cè)盤卷繞鉛管，中通自制冰機(jī)冰冷鹽水。所用電解液為10%硫酸，隨后加入30克每升硫酸鈉[4]。作為本工藝最主要的添加劑，硫酸鈉不可或缺。氧化中應(yīng)保持電解液溫度始終處于0攝氏度。為了導(dǎo)出氧化出現(xiàn)的熱量，不斷向槽內(nèi)吹進(jìn)無油壓縮氣體，用于攪拌電解液。本次工藝電流密度在3.6至5.4A/dm2。使用交流電為電解槽提供電力。這種做法的優(yōu)點(diǎn)和好處在于，兩個(gè)電極都能夠掛裝工件，極大的提升了生產(chǎn)效率。并且因?yàn)閮蓚€(gè)電極都有掛工件，所以能夠交替產(chǎn)生氫氣，保障了氫氣排出效率，降低了氧氣極化情況。根據(jù)檢測，交流電的使用工件并沒有出現(xiàn)氧氣析出，保障了成膜效率。

在氧氣膜漸漸變厚以后，此時(shí)的活塞氧化表面電阻會(huì)不斷增加。為了保障與控制電流密度，就需要調(diào)高電壓。

5 結(jié)束語

根據(jù)實(shí)踐表明，該硬質(zhì)陽極氧化在鋁活塞中的運(yùn)用有著非常多的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為時(shí)間短、能夠半自動(dòng)化生產(chǎn)、管理調(diào)整便利、膜層質(zhì)量穩(wěn)定、操作非常簡便。

參考文獻(xiàn)：

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