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提高发动机铝合金件耐磨性的表面处理工艺 责任编辑:双全机械

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汽车、摩托车的轻量化是一个很重要的发展趋
势。把车身材料的全部或是某一部分由密度大的钢
铁材料换成密度小的铝合金材料,可以大大减轻车
身质量。发动机的质量在车身质量中占很大比重,将
发动机由原来的铸铁材料换成铝合金后,由于铝合
金耐磨性差,如果不进行处理,将使发动机汽缸内壁
与活塞接触的部分产生严重磨损,大大减少发动机
的使用寿命。
目前一般采用的解决方法是在铝合金发动机内
部加一铸铁缸套,活塞环与铸铁缸套而不是与铝合
金材料进行摩擦,这样可以避免铝合金的磨损。但这
种方法工艺复杂,同时又增加了铝合金缸体的质量。
通过表面处理技术在铝合金工件表面形成附着牢固
的金属、合金、陶瓷等表面层,可提高工件的耐磨性,
因此受到国内外的广泛重视和研究。为此,本文将近
年来一些研究成果介绍如下。
1 等离子喷涂
1998年德国戴姆勒一克莱斯勒公司发明用过共
晶Al—Si合金和/或Al—Si复合体涂覆内燃发动机的

铝合金汽缸壁的工艺技术。由Al固态溶液、Si沉积
物、金属间相(例如A1 Cu和Mg Si)和氧化物构成
不均匀的层状结构。通过热喷涂,优选大气等离子体
喷涂形成该涂层,具有很高的粘附力和耐磨性u 。
2004年土耳其Turkel,V.等人采用等离子喷
涂技术在柴油引擎发动机Al—Si合金活塞上制备厚
度约400/zm 的(A1~Si)一SiC复合涂层。用光显微、
SEM、X光散射等方法研究涂层微结构,发现涂层
由于连续熔融或半熔融颗粒的沉积和固化而呈现出
层状形态,SiC颗粒随机分散在Al—si层中。平均显
微硬度达到167 HV(质量分数为3O 9/5的(A1-Si)一
SiC涂层),在10 N载荷和10 000 r/min下的磨损
率为4.95×10 Smm/m E 。
2 等离子弧焊
1995年韩国机器和金属研究院发明等离子弧
焊表面处理提高铝合金活塞环槽的耐磨性的工艺技
术,包括以下步骤:1)将等离子焊炬置于铝合金活塞
顶环槽之上;2)提供5O~200/xm铜粉;3)部分弧焊
活塞;4)用铜熔体熔化活塞金属,形成A1一Cu合金
涂层;5)在合金表层形成顶环槽。由于合金表层内成
分分布均匀,顶环槽具有很高的耐磨性 ]。
3 等离子扫描
2001年山东科技大学机械电子工程学院发明
了用等离子体扫描金属表面形成熔覆梯度涂层的方
法,具体步骤为:1)在金属表面预涂Fe基或Co基
或Ni基或根据要求配制的合金粉末与陶瓷粉末的
混合粉末;2)用非氧化性气体在等离子炬中电离产
生的等离子体在金属表面扫描,产生冶金结合的熔
覆层或梯度涂层。其效果是a.预敷涂层经等离子束
熔覆后,在金属表面形成含有陶瓷颗粒的非平衡组
织;b.选择合适的粉末种类和工艺参数,经等离子
体加热后自动生成陶瓷颗粒呈连续梯度分布的熔覆
层 7。
4 等离子电解
2002年中国科学院力学研究所开发成功铝合
金缸体内壁陶瓷涂层的等离子体电解沉积方法及装
置:步骤为:1)对铝合金缸体进行清洗和除油预处
理;2)将放在冷却池内的电解液,储液池中的电解液
泵人铝合金缸体内,电解液为磷酸钠溶液或与硼酸
钠溶液的混合溶液,电解液的质量分数为1 ~
lO ,其中,磷酸钠与硼酸钠的比值为95~100:5
~0;缸体作阳极,放在缸体内的不锈钢棒作阴极,接
通与之相连的非对称性交流电源,等离子电解2O~
150 min;便在铝合金缸体内制备一层5~50 m 的
陶瓷涂层。该发明的装置包括:一个具有阳极接头和
接有金属棒阴极的非对称性交流电源,一个放在冷
却池中的电解液储液池,其正上方设一固定缸体的
绝缘支架;循环泵的进液管位于储液池中;绝缘支架
上端装一呈n型的导管 J。
S 电 镀
1997年以后,日本丰田技术研究院逐渐开发了
高速电喷镀,在铝合金基体表面制备(Ni—P)一SiC复
合梯度涂层的工艺技术,沉积层的粒径在6~3O
nm。表面层沉积了Ni。P后,铝合金基体表面硬度最
高可达1 035 HV_6]。与传统的锌酸盐处理方法相
比,这种涂层具有超高的结合强度 ]。
1996年日本ASAHI技研工业株式会社的专利
技术为向铝合金汽缸的内壁表面喷涂金属电镀液,
以改善金属镀层的结合力 ]。
1997年美国通用汽车旗下的休斯电子公司开
发成功在铝合金活塞上电镀铁一钴合金的工艺并申
请了专利[g],包括如下步骤:1)通过化学镀镍电解
液,在铝合金基体镀上镍薄层;2)通过铁一钴电解液,
在镍层上电镀铁一钴合金。所得到的铁一钴镀层的铝
合金零部件具有良好的粘结性、摩擦、导热和耐腐蚀
性。
2001年中国台湾三阳工业股份有限公司发明
了全铝复合电镀汽缸的制造方法:首先提供一汽缸
胚体模具,接着制备铝金属液,然后施行压铸制造,
以压力超过2O MPa、低速速度大于0.03 m/s且高
速速度大于1.0 m/s填充铝金属液进入汽缸胚体模
具以形成一汽缸胚体;电镀汽缸胚体内径以形成
Ni—SiC复合镀层_】 。
1999年上海康适达轮圈有限公司发明的铝合
金发动机汽缸内壁(Ni—SiC)复合电镀工艺,电镀液
的成分为硫酸镍41O~500 g/L,氯化镍5~9 g/L,
硼酸41~60 g/L,碳化硅5O~l00 g/L,应力消除剂
1~3 g/L,分散剂0.1~0.3 g/L。该工艺使发动机
汽缸经久耐用,废气排放量下降,冷启动性能提
高 。
6 物理气相沉积
1999年美国通用汽车公司研究了各种铝合金
活塞群部涂层对390 A1发动机汽缸孔的刮擦和摩
擦行为,被试验的涂层包括Ni—W 镀层、化学镀Ni
层、带有BN或SiC或Si。N 陶瓷颗粒的Ni—P涂层
以及TiN 物理气相沉积(PVD)涂层、类金刚石
(DLC)涂层和硬质阳极氧化处理。Ni—P陶瓷复合镀
层是通过传统电镀方法制备的,(Ni—P)一SiC涂层的
硬度约为55 HRC,(Ni—P)一Si。N 涂层的硬度在50
~ 55 HRC,(Ni—P)一BN涂层的硬度在50 HRC左
右。评价了这些涂层的耐刮擦性和耐摩擦性,与电镀
锌和电镀铁进行了比较。TiN PVD涂层对390 A1
孔的磨损最严重_1 。
7 激光熔覆成形
2004年华中科技大学激光国家重点实验室采
用横流5 KWCO 激光器对HBS320铝活塞环槽两
岸直接进行镍基合金粉末激光合金化的试验研究,
获得了无气孔、裂纹、组织细小均匀的合金化层。
SEM 研究表明合金化层与基体铝合金形成了牢固
的冶金结合,合金化层组织为靠近基体铝合金的具
有定向凝固特征的树枝晶+细小均匀的等轴晶,组
织过渡均匀。表面硬度达到650 HV,是基体铝合金
的5~6倍,实际使用表明,使用寿命较未经处理的
铝活塞得到较大提高口 。
2006年天津大学通过激光熔覆在2024铝合金
基体上原位合成TiB 颗粒增强的金属基复合镀层。
表面显微硬度最高为900 HV左右。18 N载荷10
min,磨损量在2~3 mg_1 。
8_ 结 语
近年来,根据汽车轻量化发展的需要,铝在汽车
上应用量增加很快。北美轿车平均每车用铝
已达124 kg;日本2005年每车用铝估计达到150
kg。就其发动机部件而言,1995年宝马4阀6缸奥
托发动机(2、2.5、2.8 L),其铝缸体较铸铁缸体轻
31 kg;日本汽车公司开发的全铝发动机普遍采用铝
缸体,较铸铁缸体减轻20~30 kg[1 。
目前,在我国汽车工业大量应用铝合金有两个
主要障碍:一是铝材的性能和工艺尚需提高和改进;
二是价格太高,通过工艺攻关和用量的增加,这些问
题将会逐步克服。因此,研究开发高性能、低成本的
铝合金耐磨件表面强化处理工艺显得相当重要,其
应用前景将十分广阔。
内发出唰啦、唰啦声,说明是优质铬酐。如果桶内发
出扑哧、扑哧声,说明是劣质铬酐。
2)开启桶盖观察:优质铬酐呈棕红色,片薄而
小,整洁干燥,硫酸质量分数<O.2 ,而劣质铬酐的
颜色为棕褐色,片大而厚,有些还相互粘合成块状,
硫酸在0.4 左右,甚至高达0.8 以上,其它杂质
含量也较高。
因此,镀铬必须选择优质铬酐,才能保证镀液成
分的稳定性,从而获得高质量的铬镀层。
2.1.2硫酸
硫酸是镀铬的主要催化剂,配制和补充必须选
择质量分数为98 化学纯的试剂硫酸,不能用工业
硫酸,因为工业硫酸的质量分数≥92.5% ,有很多杂
质,如铁、铅、砷等。使用硫酸时,必须注意硫酸的纯
度,不要计算错了。
2.1.3水
水质好坏直接影响到镀液成分及其性能。水中
影响镀铬质量的主要是一些阴离子,如Cl一、SO 、
NO。一等,尤其是Cl一离子影响最大。Cl离子质量浓度
在1 mg/L以上时,铬层网状裂纹明显增加,低电流
区的镀层呈乳白色或灰色;当Cl一离子质量浓度超过
5 mg/L时,就会使镀液的分散能力、覆盖能力和镀
层结合力显著下降;当Cl一离子质量浓度为20 mg/L
以上时,只能得到黑灰色无光的铬镀层。所以,镀铬
液中Cl离子质量浓度一般应控制在0.3 mg/L以
内为宜。镀液中N0。一离子存在会使镀层发暗、灰黑
色,当NO3-离子质量浓度为10 mg/L时,铬就很难
在阴极上析出,还会使镀槽的铅衬里发生腐蚀。因
此,配制和补充镀液时应采用蒸馏水或去离子水,井
水、地下水根本不能使用。
2.2 控制铁杂质的积累
镀铬液中的有害金属杂质主要为铁离子,其次
是铜离子,尤其是镀硬铬。实践证明,铁离子在镀铬
过程中的行为与三价铬离子相似,它们的含量超过
一定数值,都会使镀液性能向坏的方向变化。为了证
实铁离子杂质的积累对镀铬层影响的程度,曾在一
只小枪管镀铬槽上从新配液开始到无法使用为止,
期问做了5次典型分析试验_1]。小枪管镀铬槽液的
铁离子质量浓度应控制在<5 g/L(注:长枪管镀铬
工艺规定铁离子<8 g/L),含量过高,枪管两端镀层
会产生铬瘤等弊病,尤其是上端的口部。铁杂质的积
累随镀液使用时间而增加。试验的镀铬槽液为300
L,受镀面积约1 m。/d,使用期7~8个月就要更换
新的镀液。
后来,为了控制镀铬槽液中铁杂质过快积累,改
进为用废液(如以前更换含有大量铁离子的镀铬液)
专用于阳极处理,以减少镀铬液中的铁离子。工件经
阳极处理后用温热蒸馏水浸洗(回收),然后迅速移
入镀槽,不再进行反极而直接镀铬。采用此法,槽液
使用期限延长1年以上。
2.3 增加铬酐与硫酸根的比值
镀铬液中CrO。与SO 。一的比通常为100:1,在
电镀过程中由于各种杂质金属离子的积累,使镀液
性能恶化而无法使用时,可增加CrO。与SO 。一的比
值,使槽液继续工作。
控制CrO。与S0 。一比值,可根据分析结果逐渐
提高,一般控制在CrO。与SO 。 的比为100:(1.15
~ 1.45)范围内为宜。但要注意SO 。一的准确含量与
分析方法有很大关系。所以应该结合本厂产品和工
作条件来选择最佳比值极为重要。
3 结 语
要延缓镀铬槽液使用期限,提高镀铬质量,是一
个非常复杂而细致的问题,相关的因素很多。对于镀
铬液中金属杂质虽然可用强酸性阳离子交换树脂进
行处理,但操作不方便,成本高。因此,一般的做法是
采用各种措施,防止金属杂质的积累,便可保持镀液
性能,延缓槽液使用寿命。

 
 

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