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陳名華，涂明武，汪定江，葛文軍
(空軍第一航空學(xué)院，河南信陽464000)
摘要：通過陽極氧化、擴(kuò)孔、超聲浸潤聚四氟乙烯(PTFE)乳液、熱處理等工序?qū)ζ嚢l(fā)動(dòng)機(jī)的鋁合金活塞裙部進(jìn)行潤滑強(qiáng)化。介紹了潤滑強(qiáng)化的工藝流程及工藝參數(shù)，研究了擴(kuò)孔時(shí)間、超聲浸潤時(shí)間和熱處理方式對(duì)陽極氧化膜性能的影響。結(jié)果表明，先依次對(duì)陽極氧化膜擴(kuò)孔10 min、超聲波浸潤PTFE乳液20 min，再在溫度360～380℃、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。
關(guān)鍵詞：活塞；鋁合金；陽極氧化；聚四氟乙烯；潤滑
中圖分類號(hào)：TQ153.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：1004 - 227X (2012) 08 - 0033 - 03
1前言
活塞是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最惡劣的關(guān)鍵零部件之一，由于長期在高溫下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，一般要求其具有導(dǎo)熱性好、硬度高，耐磨性好和摩擦因數(shù)低等特點(diǎn)。活塞主要由鑄鐵或鋁合金組成，其中鋁合金活塞以質(zhì)量輕、散熱快、運(yùn)行時(shí)慣性力小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于汽油機(jī)和中小型高速柴油機(jī)上，但由于其耐磨性差，裙部特別是環(huán)槽部（安裝活塞環(huán)）極易因磨損而報(bào)廢。為了提高耐磨性，可對(duì)鋁合金進(jìn)行陽極氧化，使其表面生成厚度一定(20～100 μm)、硬度高、結(jié)合緊密的陽極氧化膜。將鋁合金工件表面陽極氧化后，再進(jìn)行涂覆處理，可進(jìn)一步提高工件的性能和壽命。聚四氟乙烯(PTFE)是一種熱穩(wěn)定性好、減摩耐磨優(yōu)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(yīng)用于歐美、日本等國家的某些產(chǎn)品上，并取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益[1-4]。本文對(duì)小修中的某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金活塞裙部進(jìn)行了潤滑性改進(jìn)，并對(duì)強(qiáng)化效果進(jìn)行了檢測。
2實(shí)驗(yàn)
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(hù)──除積碳──吹干──除油──水洗──堿蝕──水洗──出光──水洗──陽極氧化──水洗──擴(kuò)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(hù)
將不需要氧化的部位（如己陽極化的活塞頂部）進(jìn)行絕緣保護(hù)，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(huán)槽內(nèi)的積碳，最后用丙酮有機(jī)溶劑擦拭，除去油污。
2.2.3 除油
NaOH 8～12 g/L
Na3P03 40～60 g/L
Na2Si03 25～35 g/L
AE0-25（浙江傳化股份有限公司） 8～10 g/L
θ 70～80 ℃
T 5～7 min
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：
NaOH 20～35 g/L
Na2C03 20～30 g/L
θ 40～55 ℃
t O．5～3.0 min
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HN03 (71%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))和HF (40%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))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(yōu)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(zhì)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：
H2S04 180～200 g/L
H2C204 10～20 g/L
C3H803 10 mL/L
θ 0～3 ℃
U 40～50 V
T 40～60 min
攪拌 壓縮空氣攪拌
2.2.7 擴(kuò)孔
以5%（體積分?jǐn)?shù)）的H3P03作擴(kuò)孔液，將陽極氧化后的活塞置于擴(kuò)孔液中常溫浸泡一定時(shí)間。
2.2.8 超聲波浸潤
擴(kuò)孔后，將試樣洗凈并置于PTFE乳液（浙江巨圣氟化學(xué)有限公司）中超聲波(頻率100 kHz，功率900 W)震蕩一定時(shí)間，最后放入干燥箱中于120～140 ℃下烘干。PTFE乳液的基本性能參數(shù)為：pH=8～9，黏度15～30 MPa-s，表面活性劑6%土2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），固含量60%士2%，粒徑50～80 nm，樹脂熔點(diǎn)(327士10) ℃。
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 ℃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(xué)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(jì)（萊州市恒儀試驗(yàn)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(shí)間為8s。
2.3.2 結(jié)合力
采用GB/T 5270-2005中的熱震試驗(yàn)法和劃痕試驗(yàn)法測量結(jié)合力。劃痕試驗(yàn)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(xiàn)象。
2.3.3 耐磨性
采用M-2000磨損試驗(yàn)儀（宣化科華試驗(yàn)機(jī)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(duì)磨材料為GCr15，轉(zhuǎn)速200 r/min，負(fù)荷10 N，潤滑條件為干摩擦，時(shí)間為5 min。磨損量由TG332A分析天平（上海精科實(shí)業(yè)有限公司）稱得。
3結(jié)果與討論
PTFE填充氧化膜時(shí)，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(kuò)孔時(shí)間、超聲波浸潤時(shí)間和熱處理方式，填充量越大，膜的潤滑性能越好。
3.1擴(kuò)孔時(shí)間對(duì)氧化膜性能的影響
經(jīng)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(kuò)孔液對(duì)氧化膜進(jìn)行溶解擴(kuò)孔。圖1為擴(kuò)孔時(shí)間對(duì)氧化膜顯微硬度的影響。隨擴(kuò)孔時(shí)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?yàn)闀r(shí)間過長時(shí)，擴(kuò)孔液對(duì)氧化膜過分溶解，破壞了氧化膜的多孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致顯微硬度降低。因此，適宜的擴(kuò)孔時(shí)間為10 min。
3.2超聲浸潤時(shí)間對(duì)氧化膜性能的影響
超聲波振蕩是一種振動(dòng)劇烈的分散手段，效果明顯好于普通機(jī)械攪拌，已廣泛應(yīng)用于納米粒子在各種基體中的分散。圖2為超聲浸潤時(shí)間對(duì)氧化膜顯微硬度和耐磨性的影響。
隨超聲浸潤時(shí)間的延長，氧化膜的顯微硬度提高，耐磨性增強(qiáng)，20 min后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這是因?yàn)殡S超聲波作用時(shí)間的增加，越來越多的PTFE進(jìn)入到氧化膜孔中直至飽和。進(jìn)入膜孔的PTFE -方面彌補(bǔ)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(shí)間為20 min[7]。
3.3熱處理方式對(duì)氧化膜性能的影響
表1為熱處理方式對(duì)氧化膜性能的影響，熱處理溫度均為360～380 ℃，熱處理時(shí)間均為30 min，真空熱處理的真空度為8 kPa。
由表1可知，真空熱處理的效果最佳。因?yàn)樵谝欢ㄕ婵諚l件下，大量熔融的聚四氟乙烯微粒會(huì)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(tài)的PTFE微粒難以填充膜孔；真空度過高，對(duì)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(qiáng)化效果
根據(jù)上述結(jié)論，保持其他配方與工藝條件不變，擴(kuò)孔時(shí)間、超聲浸潤時(shí)間分別為10 min和20 min，超聲浸潤后在360～380℃、真空度8 kPa下對(duì)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(píng)價(jià)強(qiáng)化效果，并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性能測試。熱震試驗(yàn)表明，經(jīng)70次熱震后，試樣表面無起皮、脫落現(xiàn)象。劃痕試驗(yàn)中也未發(fā)現(xiàn)劃口處或劃痕交叉處有膜層脫落。強(qiáng)化試樣的磨損量和摩擦因數(shù)分別為1.2 mg和0.14，未強(qiáng)化試樣的磨損量和摩擦因數(shù)分別為2.5 mg和0.24。這表明經(jīng)潤滑強(qiáng)化后，鑄鋁試樣表面形成一層結(jié)合緊密的陽極氧化復(fù)合膜，其摩擦因數(shù)小，耐磨性好。實(shí)際應(yīng)用表明，將鋁合金活塞潤滑強(qiáng)化后，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率減小，達(dá)到或超過新品的使用壽命。
4結(jié)論
將鋁合金硬質(zhì)陽極化氧化膜先依次擴(kuò)孔10 min、超聲浸潤20 min，再在360～380℃、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(qiáng)化工藝對(duì)鋁合金活塞進(jìn)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(qiáng)化效果好，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。
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