汽車發動機鋁合金活塞潤滑強化工藝

陳名華，涂明武，汪定江，葛文軍

（空軍第一航空學院，河南 信陽 464000）

汽車發動機鋁合金活塞潤滑強化工藝

陳名華*，涂明武，汪定江，葛文軍

（空軍第一航空學院，河南 信陽 464000）

通過陽極氧化、擴孔、超聲浸潤聚四氟乙烯(PTFE)乳液、熱處理等工序對汽車發動機的鋁合金活塞裙部進行潤滑強化。介紹了潤滑強化的工藝流程及工藝參數，研究了擴孔時間、超聲浸潤時間和熱處理方式對陽極氧化膜性能的影響。結果表明，先依次對陽極氧化膜擴孔10 min、超聲波浸潤PTFE乳液20 min，再在溫度360 ～ 380 °C、真空度8 kPa的條件下熱處理30 min后，所得陽極氧化膜的性能最佳。

活塞；鋁合金；陽極氧化；聚四氟乙烯；潤滑

1 前言

活塞是汽車發動機的“心臟”，是發動機中工作條件最惡劣的關鍵零部件之一，由于長期在高溫下往復運動，一般要求其具有導熱性好、硬度高，耐磨性好和摩擦因數低等特點。活塞主要由鑄鐵或鋁合金組成，其中鋁合金活塞以質量輕、散熱快、運行時慣性力小等優點被廣泛應用于汽油機和中小型高速柴油機上，但由于其耐磨性差，裙部特別是環槽部(安裝活塞環)極易因磨損而報廢。為了提高耐磨性，可對鋁合金進行陽極氧化，使其表面生成厚度一定(20 ～ 100 μm)、硬度高、結合緊密的陽極氧化膜。將鋁合金工件表面陽極氧化后，再進行涂覆處理，可進一步提高工件的性能和壽命。聚四氟乙烯(PTFE)是一種熱穩定性好、減摩耐磨優良的自潤滑材料，能夠滲透和覆蓋到鋁合金陽極氧化膜中，明顯改善鋁合金的耐磨性能，目前已應用于歐美、日本等國家的某些產品上，并取得顯著的經濟效益[1-4]。本文對小修中的某汽車發動機鋁合金活塞裙部進行了潤滑性改進，并對強化效果進行了檢測。

2 實驗

2. 1 工藝流程

以直徑為102 mm的ZL109鑄鋁為基材，具體工藝流程為：絕緣保護─除積碳─吹干─除油─水洗─堿蝕─水洗─出光─水洗─陽極氧化─水洗─擴孔─水洗─超聲波浸潤─熱處理─成品。

2. 2 配方與工藝

2. 2. 1 絕緣保護

將不需要氧化的部位(如已陽極化的活塞頂部)進行絕緣保護，方法是用噴槍將過氯乙烯膠涂覆得到薄而均勻的絕緣層，每涂一層于室溫下干燥30 ～ 60 min，共涂2 ～ 4層[5]。

2. 2. 2 去污

首先除積碳，將活塞浸透在煤油里，用專用工具清理環槽內的積碳，最后用丙酮有機溶劑擦拭，除去油污。

2. 2. 3 除油

2. 2. 4 堿蝕

堿蝕是為了除去工件表面自然形成的氧化膜，具體工藝條件如下：

2. 2. 5 出光

出光是為了除去工件表面的黑色或褐色膜。將工件置于HNO3(71%，質量分數)和HF(40%，質量分數)的體積比為3∶1的溶液中，常溫浸泡6 ～ 15 s。

2. 2. 6 陽極氧化

為了得到耐磨性能優異的工件，一般要求陽極化膜要厚，為此，以鉛板為陰極，采用硫酸體系硬質陽極氧化工藝，并加入草酸以提高膜厚度[6]，具體配方與工藝條件為：

2. 2. 7 擴孔

以5%(體積分數)的H3PO3作擴孔液，將陽極氧化后的活塞置于擴孔液中常溫浸泡一定時間。

2. 2. 8 超聲波浸潤

擴孔后，將試樣洗凈并置于PTFE乳液(浙江巨圣氟化學有限公司)中超聲波(頻率100 kHz，功率900 W)震蕩一定時間，最后放入干燥箱中于120 ～ 140 °C下烘干。PTFE乳液的基本性能參數為：pH = 8 ～ 9，黏度15 ～ 30 MPa·s，表面活性劑6% ± 2%(質量分數)，固含量60% ± 2%，粒徑50 ～ 80 nm，樹脂熔點(327 ± 10) °C。

2. 2. 9 熱處理

將超聲波浸潤后的試樣置于熱處理爐中，于360 ～380 °C下熱處理或真空熱處理30 ～ 40 min。

2. 3 性能測試

2. 3. 1 厚度和顯微硬度

采用JCS2019金相顯微鏡(上海永亨光學儀器制造有限公司)測量陽極氧化膜的厚度；采用HVS-1000顯微硬度計(萊州市恒儀試驗儀器有限公司)測量陽極氧化膜的顯微硬度，載荷為100 g，加載時間為8 s。

2. 3. 2 結合力

采用GB/T 5270–2005中的熱震試驗法和劃痕試驗法測量結合力。劃痕試驗具體為：用淬火劃針在膜表面沿同一方向劃 2條以上穿透至基體的平行劃痕，劃痕間距約為膜厚的10倍，再劃2條以上與其垂直相交的劃痕，觀察交叉處的膜層是否存在起皮、脫落現象。

2. 3. 3 耐磨性

采用M-2000磨損試驗儀(宣化科華試驗機制造有限公司)測量自潤滑膜的摩擦性能，試樣大小為30 mm × 5 mm × 2 mm，對磨材料為GCr15，轉速200 r/min，負荷10 N，潤滑條件為干摩擦，時間為5 min。磨損量由TG332A分析天平(上海精科實業有限公司)稱得。

3 結果與討論

PTFE填充氧化膜時，主要受膜孔徑大小、攪拌方式和熱處理方式的影響，因此，PTFE的填充量就主要取決于擴孔時間、超聲波浸潤時間和熱處理方式，填充量越大，膜的潤滑性能越好。

3. 1 擴孔時間對氧化膜性能的影響

經硫酸體系陽極氧化后，鋁合金表面形成多孔氧化膜，其孔徑為20 ～ 40 nm，小于聚四氟乙烯乳液中PTFE微粒的粒徑，為便于PTFE滲入多孔膜中，可采用擴孔液對氧化膜進行溶解擴孔。圖 1為擴孔時間對氧化膜顯微硬度的影響。隨擴孔時間延長，氧化膜的顯微硬度下降，尤其是超過10 min后，顯微硬度急劇下降。可能因為時間過長時，擴孔液對氧化膜過分溶解，破壞了氧化膜的多孔結構，導致顯微硬度降低。因此，適宜的擴孔時間為10 min。

圖1 擴孔時間對鋁合金氧化膜顯微硬度的影響Figure 1 Effect of pore-enlarging time on microhardness of anodic oxidation film on aluminum alloy

3. 2 超聲浸潤時間對氧化膜性能的影響

超聲波振蕩是一種振動劇烈的分散手段，效果明顯好于普通機械攪拌，已廣泛應用于納米粒子在各種基體中的分散。圖2為超聲浸潤時間對氧化膜顯微硬度和耐磨性的影響。

圖2 超聲浸潤時間對鋁合金氧化膜顯微硬度和耐磨性的影響Figure 2 Effect of ultrasonic wetting time on microhardness and wear resistance of anodic oxidation film on aluminum alloy

隨超聲浸潤時間的延長，氧化膜的顯微硬度提高，耐磨性增強，20 min后基本達到穩定狀態。這是因為隨超聲波作用時間的增加，越來越多的PTFE進入到氧化膜孔中直至飽和。進入膜孔的PTFE一方面彌補了膜的多孔缺陷，另一方面可作潤滑劑而減輕膜層的摩擦，因此，氧化膜的顯微硬度和耐磨性得到改善。PTFE超聲浸潤的適宜時間為20 min[7]。

3. 3 熱處理方式對氧化膜性能的影響

表1為熱處理方式對氧化膜性能的影響，熱處理溫度均為360 ～ 380 °C，熱處理時間均為30 min，真空熱處理的真空度為8 kPa。

表1 熱處理方式對鋁合金氧化膜顯微硬度和耐磨性的影響Table 1 Effect of heat treatment method on microhardness and wear resistance of anodic oxidation film on aluminum alloy

由表1可知，真空熱處理的效果最佳。因為在一定真空條件下，大量熔融的聚四氟乙烯微粒會滲入并融合到陽極氧化膜的微孔中。但真空度一般要保持在中真空范圍，真空度過低，液態的PTFE微粒難以填充膜孔；真空度過高，對裝置的要求較高，且PTFE不能均勻地熔入膜孔中，造成涂層的平滑度不夠[8]。

3. 4 強化效果

根據上述結論，保持其他配方與工藝條件不變，擴孔時間、超聲浸潤時間分別為 10 min和 20 min，超聲浸潤后在360 ～ 380 °C、真空度8 kPa下對試樣真空熱處理30 min，得到膜厚和顯微硬度分別為50 μm和380 HV的成品。為了評價強化效果，并對其進行相關性能測試。

熱震試驗表明，經70次熱震后，試樣表面無起皮、脫落現象。劃痕試驗中也未發現劃口處或劃痕交叉處有膜層脫落。強化試樣的磨損量和摩擦因數分別為1.2 mg和0.14，未強化試樣的磨損量和摩擦因數分別為2.5 mg和0.24。這表明經潤滑強化后，鑄鋁試樣表面形成一層結合緊密的陽極氧化復合膜，其摩擦因數小，耐磨性好。實際應用表明，將鋁合金活塞潤滑強化后，發動機的燃油消耗率減小，達到或超過新品的使用壽命。

4 結論

將鋁合金硬質陽極化氧化膜先依次擴孔10 min、超聲浸潤20 min，再在360 ～ 380 °C、真空度8 kPa下熱處理后，得到的氧化膜性能最佳。利用該潤滑強化工藝對鋁合金活塞進行處理，顯著提高了活塞的耐磨性能，并降低了燃油消耗率。該方法簡單、操作方便、強化效果好，具有較好的經濟效益。

[1] 彭成允, 孫智富, 張春艷, 等. 鋁合金表面自潤滑涂層研究[J]. 武漢理工大學學報, 2005, 27 (1): 16-18.

[2] 胡繼星, 韓仙虎. 鋁合金聚四氟乙烯復合膜的摩擦學性能[J]. 合成潤滑材料, 2005, 32 (3): 7-9.

[3] 楊中東, 陳淑華, 宮秋苓. 鋁合金聚四氟乙烯復合涂膜技術及應用[J].宇航材料工藝, 2002, 32 (2): 18-20.

[4] 蘇海, 陳淑華, 樊占國, 等. 鋁合金零件表面PTFE自潤滑膜的研究[J].中國稀土學報, 2006, 24 (增刊): 357-360.

[5] 徐國榮. 高硅鋁合金活塞頂部硬質陽極氧化[J]. 材料保護, 1980, 35 (7): 26-29.

[6] CHEN S Y, KANG C, WANG J, et al. Synthesis of anodizing composite films containing superfine Al2O3and PTFE particles on Al alloys [J]. Applied Surface Science, 2010, 256 (22): 6518-6525.

[7] 張棟, 張文靜, 樂永康, 等. 鋁合金表面陽極氧化膜的制備及其摩擦性能[J]. 材料保護, 2009, 42 (3): 9-11, 14.

[8] 鄒洪慶, 劉愛民, 吳厚昌, 等. 鋁及鋁合金含氟聚合物協合涂層技術研究[J]. 材料保護, 2002, 35 (10): 9-11.

Lubrication enhancement process of aluminum alloy piston for automobile engine //

CHEN Ming-hua*, TU Ming-wu, WANG Ding-jiang, GE Wen-jun

Lubrication of aluminum alloy piston skirt of automobile engine was enhanced by anodic oxidation, pore enlarging, ultrasonic wetting in polytetrafluoroethylene (PTFE) emulsion, and heat treatment successively. The process flow and parameters of the lubrication enhancement were introduced. The effects of pore enlarging time, ultrasonic wetting time, and heat treatment method on the properties of anodic oxidation film were studied. The results showed that the properties of prepared oxidation film are the best by consecutive pore enlarging for 10 min, ultrasonic wetting in PTFE emulsion for 20 min, and heat treatment at temperature 360-380 °C and vacuum degree 8 kPa for 30 min.

piston; aluminum alloy; anodic oxidation; polytetrafluoroethylene; lubrication

The First Aeronautical Institute of the Air Force, Xinyang 464000, China

TQ153. 1

A

1004 – 227X (2012) 08 – 0033 – 03

2011–11–11

2012–03–26

陳名華（1975–），湖北咸寧人，男，碩士，副教授，主要從事航空維修表面工程方面的教學、科研工作。

作者聯系方式：(E-mail) credit6@sina.com。

[ 編輯：周新莉 ]