嘗試性分析鋁活塞快速硬質陽極氧化

劉大龍

摘 ?要：文章將硬質陽極氧化工藝、方法、參數、設備要求、質量標準為對象進行分析。隨后根據實驗結果得出該技術、該方法優點眾多、突出，在鋁活塞中的應用優勢巨大。

關鍵詞：鋁活塞;快速硬質陽極氧化;工藝

中圖分類號：TK42 文獻標志碼：A ? ? ? 文章編號：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

柴油機啟動容易、油耗低，燃燒室通常直接布置在活塞頂部，故燃燒室口時常發生裂紋。收口深盆燃燒室口部頻頻因熱疲勞因素發生裂紋，該問題會對活塞壽命造成負面影響。燃燒室雖然能夠降低柴油機粗暴程度，控制噪音，減少污染，不過如果忽視燃燒口裂紋問題，燃燒室將無法進一步推廣和使用。熱裂紋成因源自于口部有著劇烈的燃氣流動，在熱量傳遞過程中，燃燒室口部溫度會不斷加劇，無法保障熱量擴散效果。此時所形成的切向應力在各種影響下變成拉應力。在汽車發動機反復加入與冷卻的過程中，口部就會出現熱疲勞裂紋。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 硬質陽極氧化優點

硬質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。因為該技術是在鋁基上出現的氧化膜，故不會出現結合不牢靠情況。

硬質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，熱疲勞強度得到了很好的提高。從各種資料報道不難看出，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，那么在運行九萬公里以后就會出現燃燒室口開裂問題。陽極氧化對照組的設備連續運行1100小時也沒有開裂痕跡[1]。該現象表明，氧化組相較于未氧化組有著更強的耐熱沖擊能力。實驗中的數據也證明了，硬質陽極氧化流程實際上就是在保障晶界不受外界的破壞與影響。對于細晶粒材料情況更加顯著。

如今很多柴油機活塞頂面都會做硬質陽極氧化，為的就是減少活塞頂部與燃燒室口部開裂問題發生。陽極氧化膜厚度在0.1毫米，能夠減少活塞吸熱20%，此時活塞頂部溫度相較沒有經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，此時發動機油耗減少了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、頂岸冷態間隙問題得到了減少。

硬質陽極氧化硬度為維氏350至600。假設活塞頂陽極氧化中，氧化膜被延展至第一環槽，此時第一環槽本身的耐磨能力甚至能夠達到鑲鑄鐵環者。據了解柴油機活塞環槽氧化處理后，每千小時的環槽磨損量只有0.009毫米。根據實驗對比，沒有處理的活塞環槽每千小時磨損量為0.12至0.15毫米。

因為硬質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，否則就會導致缸套表面被拉傷。此時會發生活塞拉缸現象。在硬質陽極氧化層被延展至第一環槽以后，頂岸如果同樣氧化，就必須予以該問題足夠多的關注。一些設計單位所制造的活塞質量不良，缸套與頂岸上端摩擦非常常見。此外還要關注的是，在表面經氧化處理以后，活塞尺寸會發生變化，如圖1所示。

此時的變化量在膜厚度1半左右。加工環槽、頂岸等需要氧化的部位時候，應當根據公差要求、膜厚要求確認氧化尺寸，以免尺寸超差問題發生。

2 硬質陽極氧化要點

鋁合金使用對應電解液的時候，特定環境下，外加電流會使得陽極出現氧化膜，這一現象就被稱為陽極氧化。在活塞合金經過氧化以后，就會出現Al2O3氧化膜，這個膜有著非常高的硬度與維度。膜熔點甚至能夠達到2050攝氏度，其導熱系數只有不到0.16w/m2·k，能夠幫助活塞頂部的燃燒室承受更高的瞬時高溫，并且有著絕熱作用。根據實踐得出，直流電陽極氧化效果非常好，能夠輕松得到優質氧化膜。氧化膜絕緣性強，膜層厚度增加的過程中，電阻也會增加，進而減少電流。所以應當選用合適的方案設計硅整流電源的供電方式，保障工藝要求得到滿足。

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

3 硬質陽極氧化在鋁活塞中的機理

一般來說陽極氧化大多使用直流電方式進行，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候，才會出現氧化膜，膜有一定厚度。早期氧化階段膜一般很薄，不過這時候的氧化膜有著較高的密度，被稱之為阻擋層。在化學溶解開始后，膜出現大量微孔。利用電子顯微鏡可以看出，硫酸陽極氧化孔數在8*1010/厘米2，孔徑在0.015微米[2]。因為微孔本身電阻不大，使用微孔方法增強電流以后，電化學反應會大量集中于微孔的底部，無法導出熱量，孔底溫度會持續性升高，加快孔底化學的溶解速度。在膜孔地面不斷推進至基體金屬以后，出現深孔。

為保障活塞氧化膜厚度足夠，就必須降低Al2O3的溶解速度。此時需要導出微孔熱量，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。

鋁合金硬質陽極氧化工藝方案有很多種，通常這些方案都會被作為裝飾性使用。鋁合金含硅量與含銅量需要控制在7.5%與3%[3]。不過從實際數據看來，當前國內很多柴油機活塞含銅量雖然在3%以內，不過含硅量卻往往超標許多，大多為11%至13%。硅成分本身導電率不高，會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 硬質氧化

國內活塞產業是在上個世紀八十年代開始應用陽極氧化技術的， 國外則早在上個世紀五十年代就已經在使用該技術。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。會對非氧化部位做整體密封或涂絕緣漆的方式保護。電壓在40至90V區間，氧化時間為1至1.5小時。

本次所有的方法適合國產柴油機這種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，內襯為鉛板，為的是防止硫酸腐蝕。鉛板側盤卷繞鉛管，中通自制冰機冰冷鹽水。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。氧化中應保持電解液溫度始終處于0攝氏度。為了導出氧化出現的熱量，不斷向槽內吹進無油壓縮氣體，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。這種做法的優點和好處在于，兩個電極都能夠掛裝工件，極大的提升了生產效率。并且因為兩個電極都有掛工件，所以能夠交替產生氫氣，保障了氫氣排出效率，降低了氧氣極化情況。根據檢測，交流電的使用工件并沒有出現氧氣析出，保障了成膜效率。

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

5 結束語

根據實踐表明，該硬質陽極氧化在鋁活塞中的運用有著非常多的優勢，具體表現為時間短、能夠半自動化生產、管理調整便利、膜層質量穩定、操作非常簡便。

參考文獻：

[1]丁貴才.鋁活塞針狀氣孔缺陷分析及改進措施[J].山東工業技術，2019（12）：45.

[2]王云峰，王劍，李曉婧，等.鋁活塞鑄造缺陷分析改進[J].金屬加工（熱加工），2018（08）：71-73.

[3]孟現長，范吉超，俎訓龍，等.提高鑲環鋁活塞奧氏體鑄鐵鑲環與鋁合金基體的黏結強度[J].金屬加工（熱加工），2017（17）：54-55.

[4]楊丹，寧玉恒.電源頻率對拖拉機活塞微弧氧化膜性能的影響[J].中國農機化學報，2017，38（05）：53-57.