表面處理技術(shù)報告

1、題目：發(fā)動機活塞的表面處理技術(shù)調(diào)研 學 院：機械工程 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 2015年 12 月 10 日題目：發(fā)動機活塞的表面處理技術(shù)調(diào)研1、發(fā)動機活塞的應(yīng)用背景及工藝技術(shù)概況 活塞是內(nèi)燃機的關(guān)鍵零部件之一。活塞的設(shè)計水平和制造精度對發(fā)動機的排放、油耗、噪音等指標起到關(guān)鍵性的作用。世界發(fā)達工業(yè)國家的發(fā)動機活塞著名制造商,如德國MAHLE公司、KS公司、美國AE公司、日本ART公司等都擁有自己的專門研究開發(fā)機構(gòu),從活塞設(shè)計、試驗到活塞性能指標的可靠性評價全部在活塞制造公司進行。20世紀80年代開始,世界上各大活塞制造公司就已普遍利用了先進的

2、CAD/CAE/CAM/CAPP等手段,同時先后開發(fā)應(yīng)用著先進的試驗評價系統(tǒng),如發(fā)動機臺架試驗系統(tǒng)、活塞銷孔疲勞試驗系統(tǒng)、裙部變形實驗系統(tǒng)等先進技術(shù),綜合研究進行設(shè)計開發(fā),形成了非常完善的設(shè)計開發(fā)一體化體系。進入二十一世紀后在活塞制造技術(shù)上趨于更先進的自動化、精益化和柔性化,在適用于更為嚴厲的發(fā)動機歐III排放標準方面,針對活塞的改進設(shè)計也作了大量的工作,并憑借其自主設(shè)計開發(fā)能力在雄厚的資金后盾陸續(xù)為各大主機廠配套設(shè)計開發(fā)活塞新產(chǎn)品,形成了設(shè)計開發(fā)試驗改進開發(fā)試驗的良性循環(huán)之路。目前,我國發(fā)動機環(huán)保水平明顯落后于西方發(fā)達國家,2001年實施的標準僅相當于歐I排放標準,2004年實施的相當于歐&

3、#210;排放標準,在2008年左右則準備實施歐Ó排放標準,落后了10年左右,2010年達到歐Ò標準,屆時比歐美還晚6年。相對于活塞整體行業(yè)來講,生產(chǎn)的活塞產(chǎn)品僅僅滿足于現(xiàn)有發(fā)動機的環(huán)保要求,設(shè)計開發(fā)科技攻關(guān)的平均力度不大。 我國汽車發(fā)動機制造業(yè)及研究部門在活塞設(shè)計開發(fā)評價綜合技術(shù)上處于比較薄弱的地位,不具備專門針對活塞這一關(guān)鍵零部件進行全面設(shè)計、開發(fā)、試驗的手段,因此難以得到活塞新產(chǎn)品全面的性能參數(shù)數(shù)據(jù),發(fā)動機廠家大多仍是引進或仿制國外過時的技術(shù),而活塞制造業(yè)從整體上講,在活塞的設(shè)計開發(fā)評價一體化綜合研究能力上遠遠落后于西方發(fā)達活塞行業(yè),不能在整機開發(fā)階段為主機廠提供活塞

4、新產(chǎn)品的性能參數(shù)和試驗數(shù)據(jù),而且很多廠家的活塞制造技術(shù)及檢測手段也落后于西方發(fā)達國家。絕大多數(shù)活塞生產(chǎn)企業(yè)包括比較著名的活塞合資企業(yè),現(xiàn)在基本根據(jù)主機廠的產(chǎn)品圖樣加工,缺乏國際市場競爭能力。隨著我國汽車工業(yè)的不斷發(fā)展,國外大量的汽車生產(chǎn)企業(yè)以合資的形式進入中國市場,但其活塞專利權(quán)都控制在外方活塞制造商手中,或者由外方生產(chǎn),國家用大量外匯購進,或者國內(nèi)活塞生產(chǎn)企業(yè)用高額外匯購買其生產(chǎn)許可證進行生產(chǎn)。我國活塞整體行業(yè)目前設(shè)計開發(fā)的現(xiàn)狀,嚴重制約著發(fā)動機更新?lián)Q代的進程和整機性能指標的提高,成為我國內(nèi)燃機行業(yè)繼續(xù)向前發(fā)展的瓶頸。2、表面處理技術(shù)方案對比 2.1、表面噴涂 在活塞表面噴涂的有二硫化鉬、石

5、墨、和聚四氟乙烯等。在活塞表面噴涂二硫化鉬、是磨合聚四氟乙烯的目的主要是改善活塞裙部磨損，改善活塞與缸套的初期磨合性能。其中。二硫化鉬為一種幼稚的固體潤滑劑，其摩擦系數(shù)為0.05左右，將氣噴涂到活塞表面后會大大改善磨合狀況，減少拉缸事故的發(fā)生。除此之外，二硫化鉬的摩擦系數(shù)隨負荷與速度的增大而降低，而且具有很好的成膜性，非常適合對高強度高負荷的發(fā)動機進行表面處理。石墨的摩擦系數(shù)也很小，偉0.11左右。石墨具有很好的導熱性與高溫穩(wěn)定性，能有效的防御因冷啟動對活塞造成的磨損，能改善活塞初期磨損性能。石墨的附著性能與成膜性能不太好，在噴涂前應(yīng)該保證其與活塞表面的結(jié)合能力。聚四氟乙烯具有具有良好的自潤滑

6、性，摩擦系數(shù)也較小，具有突出的表面不粘性，并且化學性穩(wěn)定及耐高溫性都很好。然而噴涂也有許多局限之處，比如以下方面：1） 、噴涂層與基體的結(jié)合主要是物理機械結(jié)合，結(jié)合度不是很高，圖涔耐沖擊和重載性能較差。2） 、噴涂層含有不同程度空隙，對于耐腐蝕、抗氧化，絕緣等應(yīng)用，一般不如整體材料好。3）、噴涂小件時，涂層材料的收得率低，浪費嚴重2.2電鍍洛 電鍍洛是最常見的一種提高材料表面性能的一種方法，在一定條件下沉積的電鍍洛層具有很高的硬度和耐磨性，硬質(zhì)羅鍍層的硬度達到Hv9001200，是常用的硬度最好的鍍層。表面輕度的提高，可提高零件的耐磨性，延長使用壽命。2.1.1 電解液參數(shù)物質(zhì)濃度硫酸鉻：19

7、29g/L絡(luò)合劑:2050g/L硼酸：75100g/L導電鹽：260340g/L光亮劑：1015ml/L潤濕劑：25ml/L2.1.2 然而電鍍洛也存在一下弊端：1）、鍍洛電解液的主要成分不是金屬洛鹽，而是洛酸，這就造成電鍍洛的陰極電流效率極低這個嚴重的缺點。也就是說，絕大部分電能都消耗在氫氣是我析出了。同時，由于絡(luò)酸根離子在陰極放電，也使得陰極過程相當復(fù)雜，即陰極上同時進行多個反應(yīng)。此外鍍洛電解液中還必須添加一定的局外離子鍍洛過程才能實現(xiàn)。2）、鍍洛過程中電流相當高，能耗較大。3）、鍍洛電解液的分散能力極低，對于形狀復(fù)雜的零件，必須采用象形陽極，防護陰極和輔助陽極，才能得到質(zhì)量良好的鍍層。4

8、）、鍍洛層內(nèi)存在微裂紋，不可避免的會產(chǎn)生穿透性裂紋，導致腐蝕介質(zhì)從表面滲透至界面而腐蝕基體，造成鍍層表面出現(xiàn)銹斑甚至脫落。5）、電鍍洛鍍層硬度一般為Hv600800，而且硬羅鍍層的硬度在溫度升高時會因其內(nèi)應(yīng)力的釋放而迅速降低，因此難以適應(yīng)現(xiàn)在機械高溫，高速下的工作要求。6）、最主要的是電鍍洛層是電鍍硬洛工藝會導致嚴重的環(huán)境問題。導致環(huán)境問題的不是洛本身，而是鍍洛過程。洛本身是不活潑元素，可以安全地使用于常用品乃至人工關(guān)節(jié)等。但是鍍洛工藝使用的洛酸溶液，能產(chǎn)生含Cr的酸霧和廢水，對環(huán)境的污染排放很嚴重。2.3、微弧氧化 微弧氧化技術(shù)是在陽極氧化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，他突破了陽極氧化技術(shù)所在的法

9、拉第區(qū)域，進入了電壓更高的火花放電區(qū)域，這相對陽極氧化技術(shù)十一個至的改變，是一個革命性的突破。微弧氧化技術(shù)是一個過程及其復(fù)雜的反應(yīng)，期房應(yīng)主要包括電化學反應(yīng)和等離子體化學反應(yīng)。在陽極式樣上的電壓未達到微弧氧化所需要的擊穿電壓之前，在式樣上發(fā)生的都是普通的電化學反應(yīng)，再次過程中，式樣表面生成一層非晶體的維護氧化膜，為后面的擊穿提供條件，當電壓就上升，就達到陽極試樣微弧氧化所需的擊穿電壓膜層上最薄弱的部位首先被擊穿。氧化膜表面出現(xiàn)微弧放電現(xiàn)象，形成等離子體。所謂等離子體，就是有部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，常被視為除固，液，氣之外的第四狀態(tài)。微弧放電形成

10、的等離子體瞬間溫度極高，不僅使微弧區(qū)的基體發(fā)生熔融，也是周圍液體氣化產(chǎn)生極高的壓力。在這種高溫高壓情況下，晶體表面氧化膜晶態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，同時電解液中的陽離子和其它離子也通過放電通道進入到微弧區(qū)，和和熔融的基體發(fā)生等離子化學反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物沉淀形成均勻的氧化膜。2.3.1電解液參數(shù)物質(zhì)質(zhì)量濃度KOH23g/LNa2Sio48g/LNa2Wo42g/LH2O21mL/LEDTA2Na2g/L 3、工藝流程控制及裝置3.1微弧氧化的工藝流程3.1.1零件的表面處理流程表面除油拋光用無水乙醇和丙酮清晰蒸餾水清晰干燥3.1.2微弧氧化電解液組分選取 微弧氧化的電解液一般有酸性電解液和堿性電解液。早期的電解液

11、一般是采用酸性電解液，但是成膜效果一般卻對環(huán)境造成的危害很大，一般不采用。與堿性電解液相比，堿性電解液對環(huán)境基本沒有危害而且在陽極生成的金屬離子可以很容易的轉(zhuǎn)變?yōu)閹ж撾姷哪z體粒子被重新利用。故選用堿性電解液。3.1.3電解液PH值的調(diào)整電解液PH值得大小直接關(guān)系到電解液的導電性。良好的導電性是微弧氧化順利進行的必要前提。在堿性環(huán)境下：電解液PH值過低，電解液的導電性就會比較弱，正個微弧氧化過程電流通路中的電阻就會很大，電流減小微弧氧化進行就會受阻；電解液的PH值過高，電解液的導電性就會很高嗎，容易導致微弧氧化過程反應(yīng)激烈，出現(xiàn)燒灼現(xiàn)象，而且會增加能耗，電解液的溫度也不容易控制?？梢赃x擇電解液中

12、就具有的KOH.3.2微弧氧化設(shè)備 微弧氧化設(shè)備主要包括微弧氧化電源、電解槽和一些附屬設(shè)備，其中包括用于攪拌電解液的攪拌器，用于冷卻電解液的循環(huán)水泵和冷卻水柜，用于記錄能耗的電能表等。 用于微弧氧化實驗的試樣用專用的夾具固定在電解槽的頂部橫桿上，并與微弧氧化電源正極相連。電解槽的槽壁采用不銹鋼板做成，在實驗過程中電解槽的壁與微弧氧化電源的負極相連，使之通過電解液與正極微弧氧化試樣形成通路。位于微弧氧化電源與電源插座之間的電能表用來記錄能耗，電解槽中攪拌器的功能：是電解液混合更加均勻；二、將微弧氧化過程中散發(fā)出來的熱盡快的擴散到整個電解液，以避免局部過熱影響微弧氧化成膜效果。3.3、活塞表面膜層

13、厚度檢測方案 厚度的檢測采用渦流測厚法。其測厚原理是利用載有高頻電流的探頭線圈在被測鍍層表面產(chǎn)生高頻磁場作用，由此而引起金屬的內(nèi)部的物流，此渦流產(chǎn)生的磁場有作用反作用于探頭線圈，使其阻抗發(fā)生變化。隨著厚度的變化，由于探頭線圈與基體金屬之間的距離相應(yīng)變化，探頭線圈的阻抗就發(fā)生變化，所以測出探頭線圈的阻抗值，就可以間接反映出鍍層的厚度。采用TT260覆層測厚儀，其主要指標為：使用環(huán)境溫度：040OC電源：鎳鉻電池4x1.25v外形尺寸：270x86x47mm重量：650g測量范圍：01250m檢測方法是在實踐的兩面各檢測5個點，求得這10個值得平均值和標準方差之和即為膜厚度。5、總結(jié) 這次的微弧氧化的調(diào)研，查閱了大量的資料，收獲還是挺多的，不僅僅是了解了微弧氧化這一門技術(shù)，也了解到了其他的一些技術(shù)比如熱噴涂，激光表面處理技術(shù)，電鍍鉻技術(shù)等等。也知道在發(fā)展一門技術(shù)的同時不僅僅是要獲得目標要求的成果還要考慮到成本，能耗，以及最重要的環(huán)保問題，在電