陈名华，涂明武，汪定江，葛文军
(空军第一航空学院，河南信阳464000)
摘要：通过阳极氧化、扩孔、超声浸润聚四氟乙烯(PTFE)乳液、热处理等工序对汽车发动机的铝合金活塞裙部进行润滑强化。介绍了润滑强化的工艺流程及工艺参数，研究了扩孔时间、超声浸润时间和热处理方式对阳极氧化膜性能的影响。结果表明，先依次对阳极氧化膜扩孔10 min、超声波浸润PTFE乳液20 min，再在温度360～380℃、真空度8 kPa的条件下热处理30 min后，所得阳极氧化膜的性能最佳。
关键词：活塞；铝合金；阳极氧化；聚四氟乙烯；润滑
中图分类号：TQ153.1 文献标志码：A
文章编号：1004 - 227X (2012) 08 - 0033 - 03
1前言
活塞是汽车发动机的“心脏”，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一，由于长期在高温下往复运动，一般要求其具有导热性好、硬度高，耐磨性好和摩擦因数低等特点。活塞主要由铸铁或铝合金组成，其中铝合金活塞以质量轻、散热快、运行时惯性力小等优点被广泛应用于汽油机和中小型高速柴油机上，但由于其耐磨性差，裙部特别是环槽部（安装活塞环）极易因磨损而报废。为了提高耐磨性，可对铝合金进行阳极氧化，使其表面生成厚度一定(20～100 μm)、硬度高、结合紧密的阳极氧化膜。将铝合金工件表面阳极氧化后，再进行涂覆处理，可进一步提高工件的性能和寿命。聚四氟乙烯(PTFE)是一种热稳定性好、减摩耐磨优良的自润滑材料，能够渗透和覆盖到铝合金阳极氧化膜中，明显改善铝合金的耐磨性能，目前已应用于欧美、日本等国家的某些产品上，并取得显著的经济效益[1-4]。本文对小修中的某汽车发动机铝合金活塞裙部进行了润滑性改进，并对强化效果进行了检测。
2实验
2.1工艺流程
以直径为102 mm的ZL109铸铝为基材，具体工艺流程为：绝缘保护──除积碳──吹干──除油──水洗──碱蚀──水洗──出光──水洗──阳极氧化──水洗──扩孔──水洗──超声波浸润──热处理──成品。
2.2配方与工艺
2.2.1 绝缘保护
将不需要氧化的部位（如己阳极化的活塞顶部）进行绝缘保护，方法是用喷枪将过氯乙烯胶涂覆得到薄而均匀的绝缘层，每涂一层于室温下干燥30～60 min，共涂2～4层[5]。
2.2.2 去污
首先除积碳，将活塞浸透在煤油里，用专用工具清理环槽内的积碳，最后用丙酮有机溶剂擦拭，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（浙江传化股份有限公司） 8～10 g/L
θ 70～80 ℃
T 5～7 min
2.2.4 碱蚀
碱蚀是为了除去工件表面自然形成的氧化膜，具体工艺条件如下：
NaOH 20～35 g/L
Na2C03 20～30 g/L
θ 40～55 ℃
t O．5～3.0 min
2.2.5 出光
出光是为了除去工件表面的黑色或褐色膜。将工件置于HN03 (71%，质量分数)和HF (40%，质量分数)的体积比为3：1的溶液中，常温浸泡6～15 s。
2.2.6 阳极氧化
为了得到耐磨性能优异的工件，一般要求阳极化膜要厚，为此，以铅板为阴极，采用硫酸体系硬质阳极氧化工艺，并加入草酸以提高膜厚度[6]，具体配方与工艺条件为：
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
搅拌 压缩空气搅拌
2.2.7 扩孔
以5%（体积分数）的H3P03作扩孔液，将阳极氧化后的活塞置于扩孔液中常温浸泡一定时间。
2.2.8 超声波浸润
扩孔后，将试样洗净并置于PTFE乳液（浙江巨圣氟化学有限公司）中超声波(频率100 kHz，功率900 W)震荡一定时间，最后放入干燥箱中于120～140 ℃下烘干。PTFE乳液的基本性能参数为：pH=8～9，黏度15～30 MPa-s，表面活性剂6%土2%（质量分数），固含量60%士2%，粒径50～80 nm，树脂熔点(327士10) ℃。
2.2.9 热处理
将超声波浸润后的试样置于热处理炉中，于360～380 ℃下热处理或真空热处理30～40 min。
2.3性能测试
2.3.1 厚度和显微硬度
采用JCS2019金相显微镜（上海永亨光学仪器制造有限公司）测量阳极氧化膜的厚度；采用HVS-1000显微硬度计（莱州市恒仪试验仪器有限公司）测量阳极氧化膜的显微硬度，载荷为100 g，加载时间为8s。
2.3.2 结合力
采用GB/T 5270-2005中的热震试验法和划痕试验法测量结合力。划痕试验具体为：用淬火划针在膜表面沿同一方向划2条以上穿透至基体的平行划痕，划痕间距约为膜厚的10倍，再划2条以上与其垂直相交的划痕，观察交叉处的膜层是否存在起皮、脱落现象。
2.3.3 耐磨性
采用M-2000磨损试验仪（宣化科华试验机制造有限公司）测量自润滑膜的摩擦性能，试样大小为30 mm×5 mm×2 mm，对磨材料为GCr15，转速200 r/min，负荷10 N，润滑条件为干摩擦，时间为5 min。磨损量由TG332A分析天平（上海精科实业有限公司）称得。
3结果与讨论
PTFE填充氧化膜时，主要受膜孔径大小、搅拌方式和热处理方式的影响，因此，PTFE的填充量就主要取决于扩孔时间、超声波浸润时间和热处理方式，填充量越大，膜的润滑性能越好。
3.1扩孔时间对氧化膜性能的影响
经硫酸体系阳极氧化后，铝合金表面形成多孔氧化膜，其孔径为20～40 nm，小于聚四氟乙烯乳液中PTFE微粒的粒径，为便于PTFE渗入多孔膜中，可采用扩孔液对氧化膜进行溶解扩孔。图1为扩孔时间对氧化膜显微硬度的影响。随扩孔时间延长，氧化膜的显微硬度下降，尤其是超过10 min后，显微硬度急剧下降。可能因为时间过长时，扩孔液对氧化膜过分溶解，破坏了氧化膜的多孔结构，导致显微硬度降低。因此，适宜的扩孔时间为10 min。
3.2超声浸润时间对氧化膜性能的影响
超声波振荡是一种振动剧烈的分散手段，效果明显好于普通机械搅拌，已广泛应用于纳米粒子在各种基体中的分散。图2为超声浸润时间对氧化膜显微硬度和耐磨性的影响。
随超声浸润时间的延长，氧化膜的显微硬度提高，耐磨性增强，20 min后基本达到稳定状态。这是因为随超声波作用时间的增加，越来越多的PTFE进入到氧化膜孔中直至饱和。进入膜孔的PTFE -方面弥补了膜的多孔缺陷，另一方面可作润滑剂而减轻膜层的摩擦，因此，氧化膜的显微硬度和耐磨性得到改善。PTFE超声浸润的适宜时间为20 min[7]。
3.3热处理方式对氧化膜性能的影响
表1为热处理方式对氧化膜性能的影响，热处理温度均为360～380 ℃，热处理时间均为30 min，真空热处理的真空度为8 kPa。
由表1可知，真空热处理的效果最佳。因为在一定真空条件下，大量熔融的聚四氟乙烯微粒会渗入并融合到阳极氧化膜的微孔中。但真空度一般要保持在中真空范围，真空度过低，液态的PTFE微粒难以填充膜孔；真空度过高，对装置的要求较高，且PTFE不能均匀地熔入膜孔中，造成涂层的平滑度不够[8]。
3.4强化效果
根据上述结论，保持其他配方与工艺条件不变，扩孔时间、超声浸润时间分别为10 min和20 min，超声浸润后在360～380℃、真空度8 kPa下对试样真空热处理30 min，得到膜厚和显微硬度分别为50 μm和380 HV的成品。为了评价强化效果，并对其进行相关性能测试。热震试验表明，经70次热震后，试样表面无起皮、脱落现象。划痕试验中也未发现划口处或划痕交叉处有膜层脱落。强化试样的磨损量和摩擦因数分别为1.2 mg和0.14，未强化试样的磨损量和摩擦因数分别为2.5 mg和0.24。这表明经润滑强化后，铸铝试样表面形成一层结合紧密的阳极氧化复合膜，其摩擦因数小，耐磨性好。实际应用表明，将铝合金活塞润滑强化后，发动机的燃油消耗率减小，达到或超过新品的使用寿命。
4结论
将铝合金硬质阳极化氧化膜先依次扩孔10 min、超声浸润20 min，再在360～380℃、真空度8 kPa下热处理后，得到的氧化膜性能最佳。利用该润滑强化工艺对铝合金活塞进行处理，显著提高了活塞的耐磨性能，并降低了燃油消耗率。该方法简单、操作方便、强化效果好，具有较好的经济效益。
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