一种铝合金活塞表面微弧氧化层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铝合金活塞表面微弧氧化层及其制备方法，对铝合金试样依次进行除油除脂、磨制和抛光水洗；配置含有纳米级TaC粉末的微弧氧化电解液；将抛光水洗后的铝合金试样放入电解液中，采用直流脉冲微弧氧化电源对其进行微弧氧化，在铝合金试样表面得到10～75μm的微弧氧化层；本发明专利技术通过在硅酸钠电解液体系中加入纳米级TaC粉末，通过调控电解液中TaC的浓度和粒径大小，可在铝合金表面制备出高硬度、相对平坦的微弧氧化陶瓷层；含有TaC的微弧氧化陶瓷层的耐磨性以及硬度明显高于传统的铝合金微弧氧化陶瓷层，增强了陶瓷层对铝合金的防护性能。

【技术实现步骤摘要】
一种铝合金活塞表面微弧氧化层及其制备方法
本专利技术属于铝合金表面功能涂层制备
，尤其涉及一种铝合金活塞表面微弧氧化层及其制备方法。
技术介绍
随着交通运输行业的飞速发展，节能减排是交通运输的核心驱动力。对于燃油车而言，整车重量每降低100kg，每百公里油耗可降低0.5L；并且从汽车的驾驶性能的角度来看，轻量化将极大提升汽车的加速性能、制动性能和爬坡性能。目前内燃机的“心脏”——活塞，主要以铝合金活塞(Al的密度2.69g/cm3)和传统铸铁、铸钢活塞(Fe的密度7.86g/cm3)为主，根据上述轻量化节能减排的理念不难看出铝合金活塞是理想的内燃机活塞材料。内燃机在高速运转的过程中，活塞要承受一定的冲击力、往复运动的惯性力以及较大的热负荷。但铝合金活塞的热强度不高，高温力学性能较差，一定条件下会发生烧蚀与腐蚀等现象产生。因此，提升铝合金活塞在高温环境下的服役能力尤为重要，不仅可以增加铝合金活塞的使用寿命，同时也能拓宽铝合金活塞的温度。针对铝合金活塞出现的烧蚀现象，目前已采用表面陶瓷化处理的方法在活塞顶部制备抗烧蚀层，发现陶瓷化活塞的耐热性明显高于传统硬质阳极氧化处理的活塞和未处理的活塞。但随着相关报道不难发现活塞的温度在不断提高，我们希望采用不断地技术工艺创新制备出更好的防护层，以提高铝合金活塞的表面性能，延长其使用寿命的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种铝合金活塞表面微弧氧化层及其制备方法，提升铝合金活塞表面微弧氧化层的耐磨性及硬度。本专利技术采用以下技术方案：一种铝合金活塞表面微弧氧化层的制备方法，包括以下步骤：对铝合金试样依次进行除油除脂、磨制和抛光水洗；配置含有纳米级TaC粉末的微弧氧化电解液；将抛光水洗后的铝合金试样放入电解液中，采用直流脉冲微弧氧化电源对其进行微弧氧化，在铝合金试样表面得到10～75μm的微弧氧化层；其中，微弧氧化电参数为：电压450～550V，频率400～1200Hz，占空比8～30％，通电时间10min～120min。进一步地，微弧氧化层中Ta元素的含量为0.5～3.2at.％。进一步地，微弧氧化电解液中纳米级TaC粉末的浓度为1～10g/L。进一步地，微弧氧化电解液中纳米级TaC粉末的浓度为2～6g/L。进一步地，微弧氧化电解液包括硅酸钠、六偏磷酸钠、氢氧化钾和纳米级TaC粉末；微弧氧化电解液中硅酸钠的浓度为4～35g/L，六偏磷酸钠的浓度为5～32g/L，氢氧化钾的浓度为4～10g/L。本专利技术的另一技术方案：一种铝合金活塞表面微弧氧化层，微弧氧化层采用上述的一种铝合金活塞表面微弧氧化层的制备方法制得；微弧氧化层的厚度为10～75μm，且Ta元素的含量为0.5～3.2at.％。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过在硅酸钠电解液体系中加入纳米级TaC粉末，通过调控电解液中TaC的浓度和粒径大小，可在铝合金表面制备出高硬度、相对平坦的微弧氧化陶瓷层；含有TaC的微弧氧化陶瓷层的耐磨性以及硬度明显高于传统的铝合金微弧氧化陶瓷层，增强了陶瓷层对铝合金的防护性能。附图说明图1为本专利技术实施例一种铝合金活塞表面微弧氧化层的制备方法制备出的铝合金活塞表面高性能绝热耐磨陶瓷层的结构示意图；图2为本专利技术实施例中制备得到的是铝表面制备陶瓷层的XPS全谱以及Ta元素的XPS高分辨图；图3为本专利技术实施例中铝合金经不同工艺所制备的含有TaC的微弧氧化陶瓷层微观形貌图；图4为铝合金、铝合金微弧氧化、以及本专利技术实施例中铝合金掺杂不同含量TaC微弧氧化陶瓷层表面硬度结果图；图5为铝合金、铝合金微弧氧化、以及铝合金掺杂不同含量TaC微弧氧化陶瓷层磨痕形貌3D轮廓图；图6为铝合金、铝合金微弧氧化、以及本专利技术实施例的铝合金掺杂TaC颗粒微弧氧化陶瓷层磨痕深度结果图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术公开了一种铝合金活塞表面微弧氧化层的制备方法，包括以下步骤：对铝合金试样依次进行除油除脂、磨制和抛光水洗；磨制过程根据需要经过不同的水砂纸磨制，磨制后进行抛光和水洗，以备后续处理。配置含有纳米级TaC粉末的微弧氧化电解液；将抛光水洗后的铝合金试样放入所述电解液中，采用直流脉冲微弧氧化电源对其进行微弧氧化，在所述铝合金试样表面得到10～75μm的微弧氧化层；其中，微弧氧化电参数为：电压450～550V，频率400～1200Hz，占空比8～30％，通电时间10min～120min。本专利技术通过在硅酸钠电解液体系中加入纳米级TaC粉末，通过调控电解液中TaC的浓度和粒径大小，可在铝合金表面制备出高硬度、相对平坦的微弧氧化陶瓷层；含有TaC的微弧氧化陶瓷层的耐磨性以及硬度明显高于传统的铝合金微弧氧化陶瓷层，增强了陶瓷层对铝合金的防护性能。在本专利技术中微弧氧化层中Ta元素的含量为0.5～3.2at.％。为了达到上述的指标，微弧氧化电解液中纳米级TaC粉末的浓度为1～10g/L，更为优选的为2～6g/L。具体的，微弧氧化电解液包括硅酸钠、六偏磷酸钠、氢氧化钾和纳米级TaC粉末；微弧氧化电解液中硅酸钠的浓度为4～35g/L，六偏磷酸钠的浓度为5～32g/L，氢氧化钾的浓度为4～10g/L。电解液可以根据需要实际调配各个组分，如偏铝酸钠、草酸钛钾、钨酸钠、四硼酸钠、氟化钾等。微弧氧化技术是一种直接在轻金属表面原位生长陶瓷膜的新技术，是在Al、Mg、Ti等阀金属或其合金置于电解质水溶液中作为阳极，利用电化学方法在该材料的表面产生火花放电斑点，在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下，获得金属氧化物陶瓷层的一种表面改性技术，该技术工艺简单、绿色环保，陶瓷层与基体属于冶金结合，结合强度高，并且陶瓷层表面仍残留的微孔有利于润滑油的存在，减少活塞在使用过程中的磨损，大大提升铝合金活塞的使用寿命及工作效率。微弧氧化处理处理过程中通过添加分散剂、循环搅拌、冷却等工艺手段保证TaC颗粒能够存在于铝基体表面微弧氧化陶瓷层内部，TaC颗粒的加入对陶瓷层的硬度、耐磨性、耐蚀性以及隔热性均起到增强作用。TaC颗粒具有高熔点(3800℃)、高硬度高、高导电(热)性能，化学性质稳定，将TaC颗粒引入到铝合金的微弧氧化陶瓷层中可以在一定程度上堵塞微弧氧化过程中产生的微孔，并且对陶瓷层的硬度、耐蚀性、耐磨性进行提升。本专利技术制备的特殊微弧氧化陶瓷层即克服了传统喷涂与电镀铬的结合差异及环保性差等问题，又对传统微弧氧化陶瓷层的性能进行了一次提升，该膜层在汽车发动机铝合金活塞方面具有重大的应用前景。同时如果对电解夜体系及电参数进行调配，可在飞机涡轮发动机(钛合金)的抗氧化及耐磨性方面进行进一步的突破。本专利技术还公开了一种铝合金活塞表面微弧氧化层，采用上述的铝合金活塞表面微弧氧化层的制备方法制得；该微弧氧化层的厚度为10～75μm，且Ta元素的含量为0.5～3.2at.％。本实施例制得了一种新本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝合金活塞表面微弧氧化层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n对铝合金试样依次进行除油除脂、磨制和抛光水洗；/n配置含有纳米级TaC粉末的微弧氧化电解液；/n将抛光水洗后的铝合金试样放入所述电解液中，采用直流脉冲微弧氧化电源对其进行微弧氧化，在所述铝合金试样表面得到10～75μm的微弧氧化层；其中，微弧氧化电参数为：电压450～550V，频率400～1200Hz，/n占空比8～30％，通电时间10min～120min。/n

【技术特征摘要】
1.一种铝合金活塞表面微弧氧化层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
对铝合金试样依次进行除油除脂、磨制和抛光水洗；
配置含有纳米级TaC粉末的微弧氧化电解液；
将抛光水洗后的铝合金试样放入所述电解液中，采用直流脉冲微弧氧化电源对其进行微弧氧化，在所述铝合金试样表面得到10～75μm的微弧氧化层；其中，微弧氧化电参数为：电压450～550V，频率400～1200Hz，
占空比8～30％，通电时间10min～120min。


2.如权利要求1所述的一种铝合金活塞表面微弧氧化层的制备方法，其特征在于，所述微弧氧化层中Ta元素的含量为0.5～3.2at.％。


3.如权利要求2所述的一种铝合金活塞表面微弧氧化层的制备方法，其特征在于，所述微弧氧化电解液中纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：武上焜，杨巍，丁智松，高巍，徐大鹏，蓝楠，陈建，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61