內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)磷化液的研制和應(yīng)用
1 前言
活塞環(huán)的磷化處理是活塞環(huán)的最終表面處理工藝，其質(zhì)量好壞直接影響到產(chǎn)品的外觀及性能。目前國內(nèi)不少生產(chǎn)廠家對活塞環(huán)磷化質(zhì)量的要求只限于磷化膜的防銹性能和外觀，對磷化膜的摩擦學(xué)性能，磷化液的節(jié)能、環(huán)保問題重視不夠，不少廠家仍在沿用傳統(tǒng)的高溫磷化加鉻酸鈍化工藝。這種工藝所得到的磷化膜膜質(zhì)疏松、磷化液壽命短、能耗大、污染嚴(yán)重。
近20年來，鋼鐵件磷化技術(shù)的開發(fā)與研究取得了很大的進(jìn)展。但主要是針對涂裝前的磷化處理，對功能性磷化工藝研究較少，而針對活塞環(huán)這種特殊零件的磷化工藝的研究則更少。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對內(nèi)燃機(jī)性能的要求越來越高，相應(yīng)對活塞環(huán)的表面處理有了更高的要求。因此研究和開發(fā)適用于活塞環(huán)的磷化工藝是十分必要的。
2 活塞環(huán)磷化膜的特點(diǎn)
活塞環(huán)磷化膜與用于涂裝前處理的磷化膜不同，活塞環(huán)磷化膜應(yīng)滿足如下要求:
①具有良好的耐蝕性。由于活塞環(huán)經(jīng)磷化處理后不再進(jìn)行防銹處理(如浸防銹油等)，而一般庫存時間至少在半年以上，因此要求磷化膜具有良好的耐蝕性能。
②晶粒要細(xì)、致密，色澤要均勻。活塞環(huán)磷化處理是其最終的表面處理工藝，因此磷化膜的品粒度、致密性和色澤直接影響活塞環(huán)的外觀質(zhì)量。目前活塞環(huán)磷化都采用黑色磷化，能較好地解決色澤均勻問題。
③磷化膜厚度能控制?；钊h(huán)是一個有尺寸精度要求的零件，環(huán)片雙面膜厚一般不超過6μm。許多廠家要求在磷化時間控制不很嚴(yán)格的情況下，膜厚不能超差。
④具有減摩和抗擦傷性能?；钊h(huán)外環(huán)面與缸套之間為滑動摩擦，端面與活塞之間既有沖擊又有滑動摩擦，在活塞環(huán)磨合期間磷化膜應(yīng)該起到減摩和抗擦傷作用，這一點(diǎn)并沒引起大多數(shù)活塞環(huán)生產(chǎn)廠家重視。
2 實(shí)驗(yàn)
2. 1 磷化液的主要成分和工藝條件
根據(jù)活塞環(huán)磷化膜的特殊要求，作者研制的磷化工藝如下:
有機(jī)酸 微量
促進(jìn)劑 8～10ml/L
總酸度 40～50點(diǎn)
游離酸度 3～5點(diǎn)
磷化溫度 55～65℃
磷化時間 5～8min
2. 2 工藝流程
除油一溫水清洗一冷水清洗—酸洗一清水沖洗一鈦款表面調(diào)整—磷化一清水沖洗(有條件的應(yīng)該用去離子水沖洗)一烘干(180℃左右)。
3 結(jié)果與討論
3. 1 膜厚與磷化時間的關(guān)系
采用上述磷化工藝，測量了活塞環(huán)膜厚與磷化時間的關(guān)系，其結(jié)果如圖1所示。
從圖1可以看出，當(dāng)磷化時間超過5 min后，磷化膜厚度增長緩慢，因此采用該工藝能滿足磷化膜厚度控制的要求。
3. 2 磷化膜成分分析
利用AMARY 1380I掃描電鏡對兩種活塞環(huán)的磷化膜成分進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果如表1所小:
由表2可見，磷化膜的主要成分是P、Zn 、Fe、Mn，這與文獻(xiàn)的分析結(jié)果是一致的。由于磷化膜中含有Mn元素，因而磷化膜的防銹性能和耐磨減)舉吐能得到了改善。Ca在磷化膜中含量很低，這說明Ca并沒有直接轉(zhuǎn)化成磷化膜，但是的加入能加快磷化速度、減少磷化沉渣及改善磷化膜的性能。
3. 3 磷化膜的表面形貌
利用AMARY 1380 I掃描電鏡觀察了3種磷化膜表面形貌(見圖2、3)。圖2(a)為鑄鐵環(huán)、圖2(b)為鋼帶環(huán)在本工藝下所得到的磷化膜，圖2(b)中的條紋方向?yàn)榄h(huán)的周向方向，環(huán)面上的條紋可能是由于鋼帶環(huán)的軋制和卷繞成型工藝不當(dāng)所至。圖3為某廠高溫磷化工藝得到的磷化膜。比較這組SEM照片，可以看到，采用本文介紹的磷化工藝所得到的磷化膜與原工藝相比，膜層品粒更細(xì)，致密性更好。有利于提高磷化膜的耐蝕性和耐磨性。
4 應(yīng)用
該磷化液及相應(yīng)的磷化工藝在湖北某活塞環(huán)廠應(yīng)用近兩年。使用情況表明:該工藝具有如下特點(diǎn):
①槽液配制簡單: 將濃縮磷化液按1: 10稀釋至所需體積，再按1: 100加入促進(jìn)劑。然后將槽液的總酸度和游離酸度調(diào)整到工藝要求的范圍。
②維護(hù)方便: 定時分析槽液的總酸度和游離酸度是否在工藝范圍內(nèi)，然后根據(jù)需要補(bǔ)充濃縮磷化液。
③磷化液使用壽命長: 通常情況下，該磷化液的使用壽命在一年以上。
④磷化膜性能良好: 該工藝適用于鑄鐵環(huán)及鋼帶環(huán)的磷化，所得磷化膜為深黑色，結(jié)品細(xì)致、均勻，耐蝕性符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，耐磨及減性優(yōu)于該廠原工藝處理的磷化膜。
5 結(jié)論
該磷化工藝是針對活塞環(huán)這一特殊零件研制的，能同時磷化鑄鐵環(huán)和鋼帶環(huán)。磷化槽液配制簡單、使用壽命長、維護(hù)方便，磷化膜呈黑色，結(jié)品細(xì)致、均勻、致密性好。由于錳離了的加入，磷化膜的耐蝕性，結(jié)合力以及耐磨減摩性能有較大的改善。