本發(fā)明屬于熱障涂層領(lǐng)域，特別涉及一種用于鋼活塞的金屬-陶瓷復(fù)合涂層。

背景技術(shù)：

在鋁活塞的制造中，常使用硬質(zhì)陽極氧化、微弧氧化等電化學(xué)方法在活塞頂面制備隔熱涂層，但是這些技術(shù)無法在鋼活塞上使用。

現(xiàn)有技術(shù)有熱噴涂法、燒結(jié)法直接在鋼或鋼活塞上制備氧化鋯、氧化鋁等涂層的，其中以等離子噴涂制備氧化銥穩(wěn)定氧化鋯的方案較多，并且在航空航天、鍋爐等行業(yè)應(yīng)用較多。

現(xiàn)有技術(shù)必須借助等離子噴涂設(shè)備進行，設(shè)備、材料成本高昂。

現(xiàn)有技術(shù)是直接在鋼活塞表面噴涂陶瓷涂層，這種方法制備的涂層厚度均勻性、表面粗糙度均較差，同時這些材料硬度極高，難以使用常規(guī)的方法加工，不能滿足活塞等尺寸精度要求很高的零部件的要求。

中國專利cn201611197652.4公開了一種內(nèi)燃機鍛鋼活塞頂部隔熱涂層的制備工藝，在活塞機體表面電鍍或等離子噴涂一層預(yù)處理鋁涂層，在預(yù)處理鋁涂層表面進行陽極氧化或微弧氧化。但由于電鍍過程中加熱爐溫度達750℃～850℃，保溫30-40min，使鋼活塞基體的高溫強度(蠕變極限和持久強度)明顯下降，該溫度和時間下活塞已經(jīng)整體變紅，會產(chǎn)生嚴重銹蝕、變形，對活塞的整體性能影響巨大，報廢幾率極大。同時，這種工藝耗費時間較長，生產(chǎn)效率較低。

該專利提及的電鍍鋁涂層厚度為200±50μm，這種厚度對車削加工的重復(fù)定位精度來說難度很大，極易因重復(fù)裝夾帶來的偏差導(dǎo)致將鋁涂層完全車掉，同時，電鍍過程的高溫帶來的劇烈銹蝕、變形，進一步加劇了裝夾精度的偏差。

由于涂層總厚度較大，對活塞尺寸的影響不可忽略，該專利中也未提及相關(guān)的解決辦法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述不足，本發(fā)明提供一種用于鋼活塞的金屬-陶瓷復(fù)合涂層。采用電弧噴涂技術(shù)替代電鍍、熱浸鍍或等離子噴涂先在鋼活塞頂面制備一層致密的鋁、鎂、鈦等易于進行電化學(xué)氧化的材料，然后在此基礎(chǔ)上使用硬質(zhì)陽極氧化、微弧氧化等電化學(xué)方法制備隔熱層，制備的鋼活塞涂層尺寸精度高、隔熱性能優(yōu)異。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種用于鋼活塞的金屬-陶瓷復(fù)合涂層的制備方法，包括：

對鋼活塞的待處理區(qū)進行機械加工，為后續(xù)涂層的制備預(yù)留尺寸；

采用電弧噴涂法在機械加工后的鋼活塞表面形成一層金屬過渡層；

對覆蓋有金屬過渡層的鋼活塞進行二次機械加工；

采用電化學(xué)方法在經(jīng)過二次機械加工的鋼活塞的金屬過渡層表面制備陶瓷隔熱層。

本申請研究中發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有的等離子噴涂由于采用粉末原料，在噴涂鋁涂層的過程中易因粉末溫度過高導(dǎo)致鋁粉末爆炸，不適用于鋁過渡層的制備和大規(guī)模生產(chǎn)。為此，本發(fā)明對不同噴涂工藝下，鋼活塞金屬過渡層的形成規(guī)律和影響因素進行了系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)：采用電弧噴涂可以有效避免等離子噴涂過程中金屬粉末易爆炸的問題，提高鋼活塞耐腐蝕、高溫強度性能，降低燃燒時熱量向下的傳導(dǎo)，又不至于使燃燒室整體溫度過高，同時，金屬過渡層與鋼活塞的結(jié)合強度高，利于后續(xù)電化學(xué)法沉積陶瓷涂層。

優(yōu)選的，所述電弧噴涂的條件為噴涂電壓30-50v，電流200-300a，采用純度99.999％的純鋁絲，絲徑1.0mm，送絲速度10-20mm/s，壓縮氣壓力0.6-0.8mpa，噴涂時間3-5min。

優(yōu)選的，所述金屬過渡層為鋁鍍層、鎂鍍層、鈦鍍層或上述元素組成合金鍍層。

優(yōu)選的，所述金屬過渡層的厚度為250±50μm。通過適當(dāng)增加涂層厚度保證后續(xù)車削加工的定位精度。

優(yōu)選的，所述二次機械加工為車削加工。

優(yōu)選的，所述車削加工使用pcd車刀，多刀成型。

優(yōu)選的，所述多次成型工藝為：前n-1刀為粗車：車床主軸轉(zhuǎn)速為500-700r/min，進給量0.1-0.2mm/r，切削深度0.1mm；最后一刀為精車：車床主軸轉(zhuǎn)速為700-1000r/min，進給量0.1-0.2mm/r，切削深度0.05mm。

優(yōu)選的，所述電化學(xué)方法為硬質(zhì)陽極氧化法或微弧氧化法。

優(yōu)選的，所述硬質(zhì)陽極氧化法的條件為：采用硫酸系電解液，硫酸濃度15-20％，電流10-20a/dm²、電壓80-150v、時間5-30min、溫度13-16℃、流量4000-6000l/h，厚度10-250μm。

本發(fā)明還提供了任一上述方法組合制備的鋼活塞的金屬-陶瓷復(fù)合涂層，所述陶瓷層的厚度范圍為10-250μm。

本發(fā)明的有益效果

(1)本專利制備的金屬-陶瓷復(fù)合涂層尺寸精度高，粗糙度好，接近機械加工精度，能夠滿足精密部件的尺寸要求，處理工藝對活塞基材性能無不利影響；

(2)本專利使用的設(shè)備較為簡單，前期投入低，電弧噴涂的設(shè)備價格僅為等離子噴涂的1/10左右。

(3)本發(fā)明制備方法簡單、效率高、實用性強，易于推廣；

(4)本發(fā)明解決了鋼活塞無法使用電化學(xué)法直接制備陶瓷層的問題；

(5)本發(fā)明解決了直接使用等離子噴涂制備陶瓷層后尺寸精度無法保證的問題；

(6)本發(fā)明可有效降低燃燒時的熱量向下傳導(dǎo)，又不至于使燃燒室整體溫度過高；

(7)本發(fā)明有效的解決了鋼活塞頂面易腐蝕、熱開裂的問題。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。

圖1金屬-陶瓷復(fù)合涂層剖面示意圖；

圖2電弧噴涂純鋁示意圖；

圖3二次機械加工示意圖；

圖4硬質(zhì)陽極氧化示意圖；

其中，1活塞，2純鋁層，3陶瓷層，4電弧噴槍，5鋁絲，6電源負極，7電源正極，8壓縮氣，9金屬射流，10車刀，11陽極板，12密封工裝，13電解液，14噴管。

具體實施方式

應(yīng)該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

涂層的剖面結(jié)構(gòu)如附圖1所示。

方法的步驟為：

預(yù)留尺寸→2、電弧噴涂純鋁金屬層→3、二次機械加工→4、硬質(zhì)陽極氧化。

詳細說明：(假設(shè)金屬層為a，陶瓷層為b，則涂層總厚度a＝a+b/2)

1、預(yù)留尺寸：在制備涂層之前，需要為涂層厚預(yù)留尺寸，以防涂層厚度影響活塞尺寸，具體做法是在加工活塞時在欲處理區(qū)域額外多加工掉一層，加工量與涂層厚度a一致；

2、電弧噴涂純鋁金屬層：采用電弧噴涂工藝在預(yù)定位置噴涂純鋁層，噴涂電壓30-50v，電流200-300a，采用純度99.999％的純鋁絲，絲徑1.0mm，送絲速度10-20mm/s，壓縮氣壓力0.6-0.8mpa，時間3-5min。噴涂厚度應(yīng)≥a+0.15mm，噴涂區(qū)域應(yīng)略大于預(yù)留區(qū)域，以方便后續(xù)的二次機械加工，如附圖2所示；

3、二次機械加工：根據(jù)活塞結(jié)構(gòu)，采用車削方法將噴涂區(qū)域加工至一定尺寸，使用pcd車刀(人工合成金剛石)，多刀成型，第n-1刀為粗車：車床主軸轉(zhuǎn)速為500-700r/min，進給量0.1-0.2mm/r，切削深度0.1mm，第n次為精車：車床主軸轉(zhuǎn)速為700-1000r/min，進給量0.1-0.2mm/r，切削深度0.05mm。此時純鋁金屬層厚度為250±50μm，外觀上以無噴涂面為準，如附圖3所示；

4、硬質(zhì)陽極氧化：采用硬質(zhì)陽極氧化的方法制備陶瓷隔熱層，采用硫酸系電解液，硫酸濃度15-20％，電流(10-20a/dm²)、電壓(80-150v)、時間(5-30min)、溫度(13-16℃)、流量(4000-6000l/h)，可以精確控制陶瓷層厚度，該厚度根據(jù)活塞工況選擇，厚度范圍為10-250μm，厚度越厚隔熱效果越好，但相應(yīng)的生產(chǎn)效率較低，如附圖4所示。

以上過程僅為其中一種制備方案，其它方法組合，包括電弧噴涂鋁、鎂、鈦及其合金等金屬過度層，與硬質(zhì)陽極氧化、微弧氧化等電化學(xué)法制備陶瓷層的多種組合均可實現(xiàn)類似效果。

實施例1

方法的步驟為：

預(yù)留尺寸→2、電弧噴涂純鋁金屬層→3、二次機械加工→4、硬質(zhì)陽極氧化。

詳細說明：(假設(shè)金屬層為a，陶瓷層為b，則涂層總厚度a＝a+b/2)

1、預(yù)留尺寸：在制備涂層之前，需要為涂層厚預(yù)留尺寸，以防涂層厚度影響活塞尺寸，具體做法是在加工活塞時在欲處理區(qū)域額外多加工掉一層，加工量與涂層厚度a一致；

2、電弧噴涂純鋁金屬層：采用電弧噴涂工藝在預(yù)定位置噴涂純鋁層，噴涂電壓30-50v，電流200-300a，采用純度99.999％的純鋁絲，絲徑1.0mm，送絲速度10-20mm/s，壓縮氣壓力0.6-0.8mpa，時間3-5min。噴涂厚度應(yīng)≥a+0.15mm，噴涂區(qū)域應(yīng)略大于預(yù)留區(qū)域，以方便后續(xù)的二次機械加工，如附圖2所示；

3、二次機械加工：根據(jù)活塞結(jié)構(gòu)，采用車削方法將噴涂區(qū)域加工至一定尺寸，使用pcd車刀(人工合成金剛石),兩次成型，第一次粗車：車床主軸轉(zhuǎn)速為500-700r/min，進給量0.1-0.2mm/r，切削深度0.1mm，第二次精車：車床主軸轉(zhuǎn)速為700-1000r/min，進給量0.1-0.2mm/r，切削深度0.05mm。此時純鋁金屬層厚度a為250±50μm，外觀上以無噴涂面為準，如附圖3所示；

4、硬質(zhì)陽極氧化：采用硬質(zhì)陽極氧化的方法制備陶瓷隔熱層，采用硫酸系電解液，硫酸濃度15-20％，電流(10-20a/dm²)、電壓(80-150v)、時間(5-30min)、溫度(13-16℃)、流量(4000-6000l/h)，可以精確控制陶瓷層厚度，該厚度根據(jù)活塞工況選擇，厚度范圍為10-250μm，厚度越厚隔熱效果越好，但相應(yīng)的生產(chǎn)效率較低，如附圖4所示。

實施例2

方法的步驟為：

預(yù)留尺寸→2、電弧噴涂純鎂金屬層→3、二次機械加工→4、硬質(zhì)陽極氧化。

詳細說明：(假設(shè)金屬層為a，陶瓷層為b，則涂層總厚度a＝a+b/2)

1、預(yù)留尺寸：在制備涂層之前，需要為涂層厚預(yù)留尺寸，以防涂層厚度影響活塞尺寸，具體做法是在加工活塞時在欲處理區(qū)域額外多加工掉一層，加工量與涂層厚度a一致；

2、電弧噴涂純鎂金屬層：采用電弧噴涂工藝在預(yù)定位置噴涂純鎂層，噴涂電壓30-50v，電流200-300a，采用純度99.999％的純鎂絲，絲徑1.0mm，送絲速度10-20mm/s，壓縮氣壓力0.6-0.8mpa，時間3-5min。噴涂厚度應(yīng)≥a+0.15mm，噴涂區(qū)域應(yīng)略大于預(yù)留區(qū)域，以方便后續(xù)的二次機械加工，如附圖2所示；

3、二次機械加工：根據(jù)活塞結(jié)構(gòu)，采用車削方法將噴涂區(qū)域加工至一定尺寸，使用pcd車刀(人工合成金剛石)，兩次成型，第一次粗車：車床主軸轉(zhuǎn)速為500-700r/min，進給量0.1-0.2mm/r，切削深度0.1mm，第二次精車：車床主軸轉(zhuǎn)速為700-1000r/min，進給量0.1-0.2mm/r，切削深度0.05mm。此時純鎂金屬層厚度a為250±50μm，外觀上以無噴涂面為準，如附圖3所示；

4、硬質(zhì)陽極氧化：采用硬質(zhì)陽極氧化的方法制備陶瓷隔熱層，采用硫酸系電解液，硫酸濃度15-20％，電流(10-20a/dm²)、電壓(80-150v)、時間(5-30min)、溫度(13-16℃)、流量(4000-6000l/h)，可以精確控制陶瓷層厚度，該厚度根據(jù)活塞工況選擇，厚度范圍為10-250μm，厚度越厚隔熱效果越好，但相應(yīng)的生產(chǎn)效率較低，如附圖4所示。

實施例3

方法的步驟為：

預(yù)留尺寸→2、電弧噴涂純鈦金屬層→3、二次機械加工→4、硬質(zhì)陽極氧化。

詳細說明：(假設(shè)金屬層為a，陶瓷層為b，則涂層總厚度a＝a+b/2)

1、預(yù)留尺寸：在制備涂層之前，需要為涂層厚預(yù)留尺寸，以防涂層厚度影響活塞尺寸，具體做法是在加工活塞時在欲處理區(qū)域額外多加工掉一層，加工量與涂層厚度a一致；

2、電弧噴涂純鈦金屬層：采用電弧噴涂工藝在預(yù)定位置噴涂純鈦層，噴涂電壓30-50v，電流200-300a，采用純度99.999％的純鈦絲，絲徑1.0mm，送絲速度10-20mm/s，壓縮氣壓力0.6-0.8mpa，時間3-5min。噴涂厚度應(yīng)≥a+0.15mm，噴涂區(qū)域應(yīng)略大于預(yù)留區(qū)域，以方便后續(xù)的二次機械加工，如附圖2所示；

3、二次機械加工：根據(jù)活塞結(jié)構(gòu)，采用車削方法將噴涂區(qū)域加工至一定尺寸，使用pcd車刀(人工合成金剛石),兩次成型，第一次粗車：車床主軸轉(zhuǎn)速為500-700r/min，進給量0.1-0.2mm/r，切削深度0.1mm，第二次精車：車床主軸轉(zhuǎn)速為700-1000r/min，進給量0.1-0.2mm/r，切削深度0.05mm。此時純鈦金屬層厚度a為250±50μm，外觀上以無噴涂面為準，如附圖3所示；

4、硬質(zhì)陽極氧化：采用硬質(zhì)陽極氧化的方法制備陶瓷隔熱層，采用硫酸系電解液，硫酸濃度15-20％，電流(10-20a/dm²)、電壓(80-150v)、時間(5-30min)、溫度(13-16℃)、流量(4000-6000l/h)，可以精確控制陶瓷層厚度，該厚度根據(jù)活塞工況選擇，厚度范圍為10-250μm，厚度越厚隔熱效果越好，但相應(yīng)的生產(chǎn)效率較低，如附圖4所示。

實施例4

方法的步驟為：

預(yù)留尺寸→2、電弧噴涂鋁鎂合金金屬層→3、二次機械加工→4、硬質(zhì)陽極氧化。

詳細說明：(假設(shè)金屬層為a，陶瓷層為b，則涂層總厚度a＝a+b/2)

1、預(yù)留尺寸：在制備涂層之前，需要為涂層厚預(yù)留尺寸，以防涂層厚度影響活塞尺寸，具體做法是在加工活塞時在欲處理區(qū)域額外多加工掉一層，加工量與涂層厚度a一致；

2、電弧噴涂鋁鎂合金金屬層：采用電弧噴涂工藝在預(yù)定位置噴涂鋁鎂合金層，噴涂電壓30-50v，電流200-300a，采用鋁鎂合金絲5154(購自深州市惠澤鋁線材有限公司)，絲徑1.0mm，送絲速度10-20mm/s，壓縮氣壓力0.6-0.8mpa，時間3-5min。噴涂厚度應(yīng)≥a+0.15mm，噴涂區(qū)域應(yīng)略大于預(yù)留區(qū)域，以方便后續(xù)的二次機械加工，如附圖2所示；

3、二次機械加工：根據(jù)活塞結(jié)構(gòu)，采用車削方法將噴涂區(qū)域加工至一定尺寸，使用pcd車刀(人工合成金剛石),兩次成型，第一次粗車：車床主軸轉(zhuǎn)速為500-700r/min，進給量0.1-0.2mm/r，切削深度0.1mm，第二次精車：車床主軸轉(zhuǎn)速為700-1000r/min，進給量0.1-0.2mm/r，切削深度0.05mm。此時鋁鎂合金金屬層厚度a為250±50μm，外觀上以無噴涂面為準，如附圖3所示；

4、硬質(zhì)陽極氧化：采用硬質(zhì)陽極氧化的方法制備陶瓷隔熱層，采用硫酸系電解液，硫酸濃度15-20％，電流(10-20a/dm²)、電壓(80-150v)、時間(5-30min)、溫度(13-16℃)、流量(4000-6000l/h)，可以精確控制陶瓷層厚度，該厚度根據(jù)活塞工況選擇，厚度范圍為10-250μm，厚度越厚隔熱效果越好，但相應(yīng)的生產(chǎn)效率較低，如附圖4所示。

實施例5

方法的步驟為：

預(yù)留尺寸→2、電弧噴涂鈦鎂合金金屬層→3、二次機械加工→4、硬質(zhì)陽極氧化。

詳細說明：(假設(shè)金屬層為a，陶瓷層為b，則涂層總厚度a＝a+b/2)

1、預(yù)留尺寸：在制備涂層之前，需要為涂層厚預(yù)留尺寸，以防涂層厚度影響活塞尺寸，具體做法是在加工活塞時在欲處理區(qū)域額外多加工掉一層，加工量與涂層厚度a一致；

2、電弧噴涂鈦鎂合金金屬層：采用電弧噴涂工藝在預(yù)定位置噴涂鈦鎂合金層，噴涂電壓30-50v，電流200-300a，采用鈦鎂合金(專利cn201310371214.5制備的鈦鎂合金材料)，絲徑1.0mm，送絲速度10-20mm/s，壓縮氣壓力0.6-0.8mpa，時間3-5min。噴涂厚度應(yīng)≥a+0.15mm，噴涂區(qū)域應(yīng)略大于預(yù)留區(qū)域，以方便后續(xù)的二次機械加工，如附圖2所示；

3、二次機械加工：根據(jù)活塞結(jié)構(gòu)，采用車削方法將噴涂區(qū)域加工至一定尺寸，使用pcd車刀(人工合成金剛石),兩次成型，第一次粗車：車床主軸轉(zhuǎn)速為500-700r/min，進給量0.1-0.2mm/r，切削深度0.1mm，第二次精車：車床主軸轉(zhuǎn)速為700-1000r/min，進給量0.1-0.2mm/r，切削深度0.05mm。此時鈦鎂合金金屬層厚度a為250±50μm，外觀上以無噴涂面為準，如附圖3所示；

4、硬質(zhì)陽極氧化：采用硬質(zhì)陽極氧化的方法制備陶瓷隔熱層，采用硫酸系電解液，硫酸濃度15-20％，電流(10-20a/dm²)、電壓(80-150v)、時間(5-30min)、溫度(13-16℃)、流量(4000-6000l/h)，可以精確控制陶瓷層厚度，該厚度根據(jù)活塞工況選擇，厚度范圍為10-250μm，厚度越厚隔熱效果越好，但相應(yīng)的生產(chǎn)效率較低，如附圖4所示。

實施例6

方法的步驟為：

預(yù)留尺寸→2、電弧噴涂鋁鈦合金金屬層→3、二次機械加工→4、硬質(zhì)陽極氧化。

詳細說明：(假設(shè)金屬層為a，陶瓷層為b，則涂層總厚度a＝a+b/2)

1、預(yù)留尺寸：在制備涂層之前，需要為涂層厚預(yù)留尺寸，以防涂層厚度影響活塞尺寸，具體做法是在加工活塞時在欲處理區(qū)域額外多加工掉一層，加工量與涂層厚度a一致；

2、電弧噴涂鋁鈦合金金屬層：采用電弧噴涂工藝在預(yù)定位置噴涂鋁鈦合金層，噴涂電壓30-50v，電流200-300a，采用鋁鈦合金alti10(ti的質(zhì)量分數(shù)為9-11％)，絲徑1.0mm，送絲速度10-20mm/s，壓縮氣壓力0.6-0.8mpa，時間3-5min。噴涂厚度應(yīng)≥a+0.15mm，噴涂區(qū)域應(yīng)略大于預(yù)留區(qū)域，以方便后續(xù)的二次機械加工，如附圖2所示；

3、二次機械加工：根據(jù)活塞結(jié)構(gòu)，采用車削方法將噴涂區(qū)域加工至一定尺寸，使用pcd車刀(人工合成金剛石),兩次成型，第一次粗車：車床主軸轉(zhuǎn)速為500-700r/min，進給量0.1-0.2mm/r，切削深度0.1mm，第二次精車：車床主軸轉(zhuǎn)速為700-1000r/min，進給量0.1-0.2mm/r，切削深度0.05mm。此時鋁鈦合金金屬層厚度a為250±50μm，外觀上以無噴涂面為準，如附圖3所示；

4、硬質(zhì)陽極氧化：采用硬質(zhì)陽極氧化的方法制備陶瓷隔熱層，采用硫酸系電解液，硫酸濃度15-20％，電流(10-20a/dm²)、電壓(80-150v)、時間(5-30min)、溫度(13-16℃)、流量(4000-6000l/h)，可以精確控制陶瓷層厚度，該厚度根據(jù)活塞工況選擇，厚度范圍為10-250μm，厚度越厚隔熱效果越好，但相應(yīng)的生產(chǎn)效率較低，如附圖4所示。

以上所述僅為本申請的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本申請，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本申請的保護范圍之內(nèi)。