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微弧氧化膜在小型汽油机铝合金气缸体上的应用

2009-4-14  来源:中国摩托车网 阅读次数:15606
在含有PO43-、CO32-、Sio32-的溶液中制备铝合金气缸体微弧氧化膜层,通过SEM观察膜层的表面微观形貌、由试车检验不同膜层疏松层状态的运行状态,结果表明:铝合金气缸体氧化膜的疏松层对缸体发动机的试车运行有关键影响。

对氧化层的疏松组织进行机械加工时,氧化层粗糙度较好,发动机运转正常,能完成120h耐久试验;氧化层粗糙度较差,会造成发动机积碳、容易拉缸。

目前,国内小型二冲程汽油机年产量在1000万台以上,气缸休均为铝合金材料,内壁多年来一直采用镀硬铬方式。由于六价铬对环境存在持久的污染,对操作人员健康有较大影响,废水处理费用高,因此国内科研机构与企业技术人员正在积极研发替代原艺,本文为笔者针对微弧氧化工艺在小型二冲汽油机缸体内的应用进行可行性探讨,以供大家参考。

微弧氧化(Microarc Oxidation,MAO)是将铝及合金置于脉冲电场环境溶液中,其表面受端电压作用发生微弧放电,瞬间产生的高温高压使微区的铝原子与溶液中的氧化反应,生成以氧化铝为主要成分的微弧氧化陶瓷层,该陶瓷层厚度大、显微硬度高、绝缘性好,与基体结合强度高。

实验表明,氧化膜表面有一层组织比较疏、厚度约为2~3μm的表面组织,在试车过程中很容易被活塞环磨削掉,经高温烧结与积碳形成坚硬的颗粒,附着在燃烧室,剥落后容易造成拉缸,或积聚在活塞环槽内造成活塞环抱死。

本文主要以1E36F-2汽油机(YL113)铝合金缸体在低电流密度(0.7A/dm2)条件下,分别在含PO43-、CO32-、SiO32-溶液中进行30min微弧氧化处理,对形成的微弧氧化膜层微观结构、元素成分及微弧氧化电压进行分析和机械加工,针对装机试验过程中出现的现象,分析铝合金微弧氧化膜表层组织对发动机特性的影响。

1实验方法

实验采用西安理工大学研制的MAO65-Ⅱ型脉冲微弧氧化设备进行铝合金缸体微弧氧化处理,试件为1E36F-2型铝合金(YL113)缸体,YL113合金成分为:Cu2.6%~3.2%,Mn0.45%~0.7%,Mg2.0%~2.4%,Zn0.1%,Ti0.15%,Si0.30%,余量为A1。试样处理前后分别用丙酮及去离子水超声清洗,分别选取Na3PO4、Na2CO3、Na2MoO4、(分析纯)等,用去离子水配制溶液,溶液中溶质组分的摩尔浓度基本相近,微弧氧化过程中溶液温度保持在35℃以下。

把氧化后的缸体装配2台1E36F-2A汽油,用日本产ESF-M-5电涡流测功机测试,再进行12h耐久试验,检测试验后的铝合金缸体表面微氧化膜层的表面微观形貌。

2结果与讨论

2.1微弧氧化膜层的表面微观形貌

在不同溶液中,1#、2#铝合金缸体在微弧氧化处理30min后形成的膜层表面形貌,由图1看到,在相同电参数条件下,溶液中表面微观形貌有一定差异。(a)中1#铝合金缸体在溶液中处理30min后,试样表面形成一层互不相连的膜层,通过SEM可看出,是由多个紧密排列的六角柱体膜胞堆砌而成,微孔间相互接触形成六角柱形的孔壁,而孔隙本身为圆简状;(b)中2#铝合金缸体在溶液中处理30min后,试样表面也存在大量分布均匀、直径为0.1~1μm微孔,这些微孔具有微弧氧化放电击穿后熔融凝固的孔洞特征,在试样表面分布着大面积的相互连接的沉积物层,其余部位也有小的、相互分离的沉积物,沉积物表面凹凸不平,部分区域发生了微孔放电,形成了熔融凝固物及残留的放电微孔。铝合金在起弧后,由于微弧放电区域的等离子体现象产生的物理和化学反应,促进了溶液中某些物质在阳极试样表面的沉积,导致能量集中于这些区域,没有微弧放电的区域仍保持起弧前的膜层形态,只是膜层的厚度可能发生变化。沉积物在铝合金表面分布不均匀及选择性吸附,可能是铝合金试样表面状态对元素吸附特性有较大影响,由于铝合金表面组织结构的不均匀性、缺陷、杂质的存在,会造成有些部位吉布斯自由能较高,在外电场作用下易于吸附溶液中的溶质元素形成沉积物。

2个缸体机械加工前后粗糙度对比,看出,1#缸体经机械加工后粗糙度有较大改善,2#缸体机械加工后粗糙度不太理想。

2.2缸体试车结果分析

1#缸体台架测试后再进行120h可靠性试验并通过,台架试验数据,其中W为微弧氧化气缸体性能参数,无“w”标记为现在镀铬气缸体机器性能参数,通过对比看出,微弧氧化气缸体性能略优于现在的镀铬气缸体性能。2#缸体经过台架测试后再进行120h可靠性试验未通过,于4.5h拉缸。(a)(b)分别为1#、2#缸体试验后的图像。(a)中看到,1#缸体可靠性试验后的微弧氧化膜层表面光滑均匀、无尖端突起、组织致密,表面原有的疏松层已完全去除,致密部分为α相AL2O3,组织硬度非常高,并具有良好的而磨性;(b)为2#缸体拉缸后未破坏的微弧氧化层,该层面仍然有尖锋突起,疏松层颗粒有脱离倾向。

3结论

a)微弧氧化后的铝合金缸体能够完成120h耐久试验,该工艺在小型二冲程汽油机的应用具有可行性。山东华盛农业药械股份有限公司已在1E36F-2汽油机上进行了小批量试生产。

b)微弧氧化工艺在生产过程中属于清洁生产环保型,不产生废液,不会对环境造成污染,生产成本低。

目前,还有待研究、解决的问题有:微弧氧化工艺的稳定性还较差,氧化层的加工性较差等。


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