表面处理技术报告

1、题目：发动机活塞的表面处理技术调研 学 院：机械工程 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2015年 12 月 10 日题目：发动机活塞的表面处理技术调研1、发动机活塞的应用背景及工艺技术概况 活塞是内燃机的关键零部件之一。活塞的设计水平和制造精度对发动机的排放、油耗、噪音等指标起到关键性的作用。世界发达工业国家的发动机活塞著名制造商,如德国MAHLE公司、KS公司、美国AE公司、日本ART公司等都拥有自己的专门研究开发机构,从活塞设计、试验到活塞性能指标的可靠性评价全部在活塞制造公司进行。20世纪80年代开始,世界上各大活塞制造公司就已普遍利用了先进的

2、CAD/CAE/CAM/CAPP等手段,同时先后开发应用着先进的试验评价系统,如发动机台架试验系统、活塞销孔疲劳试验系统、裙部变形实验系统等先进技术,综合研究进行设计开发,形成了非常完善的设计开发一体化体系。进入二十一世纪后在活塞制造技术上趋于更先进的自动化、精益化和柔性化,在适用于更为严厉的发动机欧III排放标准方面,针对活塞的改进设计也作了大量的工作,并凭借其自主设计开发能力在雄厚的资金后盾陆续为各大主机厂配套设计开发活塞新产品,形成了设计开发试验改进开发试验的良性循环之路。目前,我国发动机环保水平明显落后于西方发达国家,2001年实施的标准仅相当于欧I排放标准,2004年实施的相当于欧&

3、#210;排放标准,在2008年左右则准备实施欧Ó排放标准,落后了10年左右,2010年达到欧Ò标准,届时比欧美还晚6年。相对于活塞整体行业来讲,生产的活塞产品仅仅满足于现有发动机的环保要求,设计开发科技攻关的平均力度不大。 我国汽车发动机制造业及研究部门在活塞设计开发评价综合技术上处于比较薄弱的地位,不具备专门针对活塞这一关键零部件进行全面设计、开发、试验的手段,因此难以得到活塞新产品全面的性能参数数据,发动机厂家大多仍是引进或仿制国外过时的技术,而活塞制造业从整体上讲,在活塞的设计开发评价一体化综合研究能力上远远落后于西方发达活塞行业,不能在整机开发阶段为主机厂提供活塞

4、新产品的性能参数和试验数据,而且很多厂家的活塞制造技术及检测手段也落后于西方发达国家。绝大多数活塞生产企业包括比较著名的活塞合资企业,现在基本根据主机厂的产品图样加工,缺乏国际市场竞争能力。随着我国汽车工业的不断发展,国外大量的汽车生产企业以合资的形式进入中国市场,但其活塞专利权都控制在外方活塞制造商手中,或者由外方生产,国家用大量外汇购进,或者国内活塞生产企业用高额外汇购买其生产许可证进行生产。我国活塞整体行业目前设计开发的现状,严重制约着发动机更新换代的进程和整机性能指标的提高,成为我国内燃机行业继续向前发展的瓶颈。2、表面处理技术方案对比 2.1、表面喷涂 在活塞表面喷涂的有二硫化钼、石

5、墨、和聚四氟乙烯等。在活塞表面喷涂二硫化钼、是磨合聚四氟乙烯的目的主要是改善活塞裙部磨损，改善活塞与缸套的初期磨合性能。其中。二硫化钼为一种幼稚的固体润滑剂，其摩擦系数为0.05左右，将气喷涂到活塞表面后会大大改善磨合状况，减少拉缸事故的发生。除此之外，二硫化钼的摩擦系数随负荷与速度的增大而降低，而且具有很好的成膜性，非常适合对高强度高负荷的发动机进行表面处理。石墨的摩擦系数也很小，伟0.11左右。石墨具有很好的导热性与高温稳定性，能有效的防御因冷启动对活塞造成的磨损，能改善活塞初期磨损性能。石墨的附着性能与成膜性能不太好，在喷涂前应该保证其与活塞表面的结合能力。聚四氟乙烯具有具有良好的自润滑

6、性，摩擦系数也较小，具有突出的表面不粘性，并且化学性稳定及耐高温性都很好。然而喷涂也有许多局限之处，比如以下方面：1） 、喷涂层与基体的结合主要是物理机械结合，结合度不是很高，图涔耐冲击和重载性能较差。2） 、喷涂层含有不同程度空隙，对于耐腐蚀、抗氧化，绝缘等应用，一般不如整体材料好。3）、喷涂小件时，涂层材料的收得率低，浪费严重2.2电镀洛 电镀洛是最常见的一种提高材料表面性能的一种方法，在一定条件下沉积的电镀洛层具有很高的硬度和耐磨性，硬质罗镀层的硬度达到Hv9001200，是常用的硬度最好的镀层。表面轻度的提高，可提高零件的耐磨性，延长使用寿命。2.1.1 电解液参数物质浓度硫酸铬：19

7、29g/L络合剂:2050g/L硼酸：75100g/L导电盐：260340g/L光亮剂：1015ml/L润湿剂：25ml/L2.1.2 然而电镀洛也存在一下弊端：1）、镀洛电解液的主要成分不是金属洛盐，而是洛酸，这就造成电镀洛的阴极电流效率极低这个严重的缺点。也就是说，绝大部分电能都消耗在氢气是我析出了。同时，由于络酸根离子在阴极放电，也使得阴极过程相当复杂，即阴极上同时进行多个反应。此外镀洛电解液中还必须添加一定的局外离子镀洛过程才能实现。2）、镀洛过程中电流相当高，能耗较大。3）、镀洛电解液的分散能力极低，对于形状复杂的零件，必须采用象形阳极，防护阴极和辅助阳极，才能得到质量良好的镀层。4

8、）、镀洛层内存在微裂纹，不可避免的会产生穿透性裂纹，导致腐蚀介质从表面渗透至界面而腐蚀基体，造成镀层表面出现锈斑甚至脱落。5）、电镀洛镀层硬度一般为Hv600800，而且硬罗镀层的硬度在温度升高时会因其内应力的释放而迅速降低，因此难以适应现在机械高温，高速下的工作要求。6）、最主要的是电镀洛层是电镀硬洛工艺会导致严重的环境问题。导致环境问题的不是洛本身，而是镀洛过程。洛本身是不活泼元素，可以安全地使用于常用品乃至人工关节等。但是镀洛工艺使用的洛酸溶液，能产生含Cr的酸雾和废水，对环境的污染排放很严重。2.3、微弧氧化 微弧氧化技术是在阳极氧化技术的基础上发展起来的，他突破了阳极氧化技术所在的法

9、拉第区域，进入了电压更高的火花放电区域，这相对阳极氧化技术十一个至的改变，是一个革命性的突破。微弧氧化技术是一个过程及其复杂的反应，期房应主要包括电化学反应和等离子体化学反应。在阳极式样上的电压未达到微弧氧化所需要的击穿电压之前，在式样上发生的都是普通的电化学反应，再次过程中，式样表面生成一层非晶体的维护氧化膜，为后面的击穿提供条件，当电压就上升，就达到阳极试样微弧氧化所需的击穿电压膜层上最薄弱的部位首先被击穿。氧化膜表面出现微弧放电现象，形成等离子体。所谓等离子体，就是有部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，常被视为除固，液，气之外的第四状态。微弧放电形成

10、的等离子体瞬间温度极高，不仅使微弧区的基体发生熔融，也是周围液体气化产生极高的压力。在这种高温高压情况下，晶体表面氧化膜晶态发生转变，同时电解液中的阳离子和其它离子也通过放电通道进入到微弧区，和和熔融的基体发生等离子化学反应。反应产物沉淀形成均匀的氧化膜。2.3.1电解液参数物质质量浓度KOH23g/LNa2Sio48g/LNa2Wo42g/LH2O21mL/LEDTA2Na2g/L 3、工艺流程控制及装置3.1微弧氧化的工艺流程3.1.1零件的表面处理流程表面除油抛光用无水乙醇和丙酮清晰蒸馏水清晰干燥3.1.2微弧氧化电解液组分选取 微弧氧化的电解液一般有酸性电解液和碱性电解液。早期的电解液

11、一般是采用酸性电解液，但是成膜效果一般却对环境造成的危害很大，一般不采用。与碱性电解液相比，碱性电解液对环境基本没有危害而且在阳极生成的金属离子可以很容易的转变为带负电的胶体粒子被重新利用。故选用碱性电解液。3.1.3电解液PH值的调整电解液PH值得大小直接关系到电解液的导电性。良好的导电性是微弧氧化顺利进行的必要前提。在碱性环境下：电解液PH值过低，电解液的导电性就会比较弱，正个微弧氧化过程电流通路中的电阻就会很大，电流减小微弧氧化进行就会受阻；电解液的PH值过高，电解液的导电性就会很高吗，容易导致微弧氧化过程反应激烈，出现烧灼现象，而且会增加能耗，电解液的温度也不容易控制。可以选择电解液中

12、就具有的KOH.3.2微弧氧化设备 微弧氧化设备主要包括微弧氧化电源、电解槽和一些附属设备，其中包括用于搅拌电解液的搅拌器，用于冷却电解液的循环水泵和冷却水柜，用于记录能耗的电能表等。 用于微弧氧化实验的试样用专用的夹具固定在电解槽的顶部横杆上，并与微弧氧化电源正极相连。电解槽的槽壁采用不锈钢板做成，在实验过程中电解槽的壁与微弧氧化电源的负极相连，使之通过电解液与正极微弧氧化试样形成通路。位于微弧氧化电源与电源插座之间的电能表用来记录能耗，电解槽中搅拌器的功能：是电解液混合更加均匀；二、将微弧氧化过程中散发出来的热尽快的扩散到整个电解液，以避免局部过热影响微弧氧化成膜效果。3.3、活塞表面膜层

13、厚度检测方案 厚度的检测采用涡流测厚法。其测厚原理是利用载有高频电流的探头线圈在被测镀层表面产生高频磁场作用，由此而引起金属的内部的物流，此涡流产生的磁场有作用反作用于探头线圈，使其阻抗发生变化。随着厚度的变化，由于探头线圈与基体金属之间的距离相应变化，探头线圈的阻抗就发生变化，所以测出探头线圈的阻抗值，就可以间接反映出镀层的厚度。采用TT260覆层测厚仪，其主要指标为：使用环境温度：040OC电源：镍铬电池4x1.25v外形尺寸：270x86x47mm重量：650g测量范围：01250m检测方法是在实践的两面各检测5个点，求得这10个值得平均值和标准方差之和即为膜厚度。5、总结 这次的微弧氧化的调研，查阅了大量的资料，收获还是挺多的，不仅仅是了解了微弧氧化这一门技术，也了解到了其他的一些技术比如热喷涂，激光表面处理技术，电镀铬技术等等。也知道在发展一门技术的同时不仅仅是要获得目标要求的成果还要考虑到成本，能耗，以及最重要的环保问题，在电