機械材料中內燃機活塞材料的發展現狀與展望

連亞宣

摘要：現如今內燃機是機械材料中不可缺失的一部分，大多數行業和產品的生產的動力都需要內燃機提供，內燃機的組成結構其實一點都不復雜，為保證內燃機正常工作，作為核心部件活塞是最不可缺少的。直接影響內燃機壽命的就是活塞的性能。截至目前，我國現有的內燃機活塞材料多種多樣，研究人員還在不斷的進行現有材料的改進和新材料的研發。

關鍵詞：機械材料;內燃機活塞;發展現狀;展望

0? 引言

眾所周知，內燃機將向高效率、高承載力、高速、高使用年限方向發展，對活塞材料的耐久性提出更高的要求。但是隨著石油資源的不斷消耗，政府和財務部對內燃機的燃用使用的關注度不斷提高。除此之外，由于人們環保意識的不斷提高，各國政府出臺了一系列相應法規。

1? 活塞材料性能

在工作中活塞常處于高溫、高壓的環境下工作，這就要求活塞材料具有足夠的重量與質量，借此保證活塞的最小慣性[1]。活塞材料的導熱性強，高溫高壓環境下具備耐腐蝕性和極強的散熱能力。兩個活塞工作時應具有較小的摩擦。隨著溫度的變化，活塞的尺寸與形狀都要相應變小，相對重量小，且有極強的耐熱性。

2? 應用活塞的材料現狀

2.1 鑄鐵材料應用現狀? 鑄鐵材料是內燃機活塞的鑄造過程中最早被使用的，鑄鐵材料最大的優勢即耐高溫，在高溫工作環境下仍然具備極強的強度。由于鑄鐵材料的相對質量太大，適用范圍有一定限制[2]。目前鑄鐵活塞主要應用在艦船等大功率發動機上。

2.2 鋼材料的應用現狀? 鑄鋼材料在高溫環境下具有一定的耐磨性與耐腐蝕性，相對于鑄鐵材料具備較高的高溫性。但是由于鑄鋼材料的相對密度較大、加工工藝繁瑣、材料成本較高，這也在一定程度上限制了鑄鋼材料的發展，在實際生活生產中全鑄鋼材料更是很少被應用，現如今這種材料的活塞已經應用在了低速發動機上。

2.3 鋁合金材料的應用現狀? 相對于鑄鋼材料和鑄鐵材料而言，鋁合金材料有很大的改進。鋁合金材料質量較低、體積較小，在使用范圍上受限較小。在大多數行業的生產中，鑄鋼材料和鑄鐵材料早已不適用，更多時候使用的是鋁合金材料。多元合金材料大多應用在鋁合金中，這種材料的活塞在一定程度上可以延長其使用年限。但是鋁合金的高溫耐熱性較低，所以專業人員在進行鋁合金材料的研究后，在其中加入了更多強化元素。因為鋁合金材料的耐高溫性強、密度小，相對比較輕便。雖然鋁合金材料在各個行業中皆以運用，但是隨著時代的發展和科技的進步，鋁合金材料還是存在較多不足，逐漸有新材料出現。

2.4 鋁基復合材料的應用現狀? 研究人員在進行研究時，為改變活塞的相對耐磨性與耐腐蝕性，利用復合型技術對鋁材料進行相對技術改進。目前市面上的復合材料大致有三種，分別為鋁基復合材料、鋁鎂復合材料和碳復合材料。其中鋁基復合材料具備耐磨性強，耐高溫的特點;鋁鎂復合材料即是在鎂基合金中加入顆粒等增強體材料，也具備一定的耐高溫性和耐磨性;碳復合材料相比于前面兩者具有導熱性快，潤滑性強，耐磨性低的特點[3]。這三種材料的成本都相對較低，具有耐高溫和耐腐蝕性，它們都可以是較好的活塞材料。

2.5 陶瓷材料的應用現狀? 陶瓷是多種氧化物、碳化物等無機非金屬材料的統稱。具備質量輕、耐磨性強、隔熱性強等優點。陶瓷活塞具有以下優點：①隔熱性強，降低油耗，取消冷卻系統，回收廢氣;②降低柴油機活塞工作時的溫度;③改變廢氣排放方式。但是純陶瓷具有延展性低、脆性大等方面的缺點。現如今，全陶瓷活塞還沒有在內燃機加以應用，但是在特定發動機上得以運用。

2.6 陶瓷、金屬梯度材料的應用現狀? 采用等離子化學其相對沉積技術后，在活塞表面滲透碳化硼和碳化硅后，在零件表面陶瓷隨即衍變成金屬梯度功能材料，這種技術可以在梯度方向特定要求上使材料的力學性能發生改變。這種材料在一定程度上可以有效降低零件表面的摩擦，增強零件的耐腐蝕性，這種材料耐久性強，現如今已經被應用在發動機上。

2.7 碳材料的應用現狀? 現如今，碳材料是一種相對先進的復合材料，在航空航天等領域成功應用，在民用領域具有開闊地應用前景，具備和石墨材料所具有的一切性能外，還具有相對較高的力學性。

碳材料及其復合材料除了性能相對優良外，造價成本相對較低。研究學者研究得知，如果碳材料及其復合材料活塞生產量達到十萬級量產規模，相對每件活塞的成本也就相對提升。如果將活塞的量產規模擴大到百萬件，則每件活塞人工的成本就會相比于之前有所降低。但是鋁合金活塞材料相比之下不會降低，以此可以看出碳材料及其碳復合材料活塞的應用前景十分明朗。

3? 應用狀況

3.1 電鍍鐒? 為提高其使用年限和使用壽命，能明顯改善鍍鉻層活塞環的耐磨性。因為鍍烙層組織小，結構密度大，雜質含量低，具有較強的耐腐蝕性，摩擦系數較低。可以直接在活塞環鍍鉻后進行陽極松孔化，深化鍍烙層上本來就有的網狀裂紋，從而提高鍍化層潤滑油的存儲量。但是由于鍍化層相對脆性大，容易發生脫落現象。除此之外，由于電烙鍍在制作工藝上耗能大，具有較強的毒性，即便是采取相對措施，也在很大程度上對人體和環境造成很大危害，還會加劇磨損。所以這種工藝相對在很多國家均被禁止，國內的生產也逐漸取消了這種工藝的運用。

3.2 表面氮化處理? 氮化處理技術多以經濟可靠著稱，對環境具有一定友好型，近年來得到了國內外業界廣泛關注。大多數發達國家在近年來，已經在活塞環上對氮化處理技術成功應用，借此工藝取代了對環境具有很大污染性的鍍烙工藝，在我國這種工藝也被很多企業加以開發與研究。氮化處理主要以氣體氮化、鹽浴氮化、離子氮化等3種方式存在。其中氣體氮化主要以馬氏體不銹鋼材料處理為主，馬氏體不銹鋼活塞環在國內外均采用這種技術;奧氏體不銹鋼活塞環處理則大多采用鹽浴氮化技術，其優勢在于成本相對較低、生產效率高等，有毒污染物也在很大程度上得到削弱;相較于氣體氮化和鹽浴氮化，離子氮化具有成本高效率低的缺點。但是由于離子相對體積較小，可以單方面氮化活塞表面和外周面，避免活塞內槽磨損，對活塞密封度有利，但是由于滲透厚度相對較低，不能滿足大功率大電機的需求。

3.3 PVC、CVD鍍膜處理? PVD鍍膜主要是利用tin鍍膜在活塞表面形成沉積而得名，西方發達國家早在20年代末就加以使用并達到量產化，此外還出現了很多新興技術，例如PCVD、PECVD。事實證明，bn、sin等陶瓷薄膜可以在一定程度上提升內膜壁的耐磨性，減少相對摩擦系數。但是由于制作薄膜的成本較高，厚度也相對較低，很大程度上不能滿足高燃內燃機的需求。除此之外，由于制作工藝繁瑣，且只能在整體上進行沉積，產生薄膜，且造價高昂，在一定程度上限制了鍍膜活塞的廣泛推廣和應用。

3.4 熱噴涂鉬涂層? 顧名思義，熱淚鍍層即采用高溫噴涂等制作工藝，將mo元素噴涂在活塞環表面，其具有保護氣缸套、耐磨性強等特點，也具備良好的儲油能力。但是，mo涂層活塞在一定程度上磨損程度較大，高溫高壓下易產生氧化脫落現象，在缺少潤滑油的情況下，相對磨損程度更大，不能滿足發展需求。

3.5 等離子噴涂陶瓷涂層? 截止目前，國內外研究人員在等離子噴涂陶瓷涂層活塞環研究上已經是一大熱點之一。因為陶瓷材料自身硬度強、耐熱性強、耐傷性強等方面的優勢。既不會引起活塞環的變形，又能夠在活塞環表面制備出摩擦磨損性能優越的陶瓷涂層，而且涂層的厚度較厚，能夠滿足高載荷發動機的承載要求。研究表明，與鑄鐵環相比，等離子噴涂的涂層使活塞組的摩擦減少30%，燃料消耗減少大約3%，機油的消耗減少50%，磨損速率極低，每小時僅幾個納米。陶瓷涂層活塞環在國外發展很快，美國、日本和德國都有陶瓷涂層活塞環專利。在活塞表面運用等離子陶瓷噴涂技術在未來的應用前景十分開闊，在未來，隨著節能減排、經濟可循環利用的活塞表面處理技術將會更多的加以運用。

4? 降低摩擦消耗

降低活塞系統的摩擦對降低燃油耗有三種直接性幫助：

第一種：減小活塞接觸面積。在工作過程中活塞直接大面積與缸套發生相對摩擦。減少接觸面積，不僅在很大程度上可以降低活塞摩擦損耗程度，更能降低活塞本身的相對重量[4]。也是目前研究人員對活塞結構研究的主要方向，但是優于活塞接觸面積相對較小，很容易導致壓力增大，導致一系列高風險問題出現，所以急需找到一個相對臨界值。

第二種：同時具備耐磨性和低摩擦性涂層。在工作時活塞中部直接接觸缸套，產生摩擦，而耐磨性涂層可以直接降低工作時產生的相對摩擦功，降低安全風險。現在的生產中大多采用石墨涂層混合粘結劑作為活塞涂層，但是使用壽命不足以覆蓋整個結構的使用壽命，在基礎階段的磨合時就基本上被磨損殆盡了，隨著主對耐磨降摩的要求進一步提高，對涂層性能也相對提出了更高的要求，不僅要求進一步降摩擦、且耐磨損性能要達到可覆蓋內燃機整個生命周期。

第三種：增加間隙。截至目前，汽油發動機大多采用缸體加鑄鐵缸套。膨脹程度大約是鋁合金的3倍不止[5]。活塞與缸套之間的縫隙在工作過程中相對變小，甚至超過規定范圍，進一步加深對活塞和缸套的損耗。但是增大相對縫隙則可以有效較低磨損，提高內燃機和活塞的使用壽命，更能相對降噪。目前借助二階運動可以在很大程度上實現降低噪音的目的。

5? 對活塞材料發展的展望

現如今，隨著勞動方式的改變，機械行業的主要研究方向主要是內燃機材料的選擇與新材料的研發。在某種意義上對內燃機的需求就會相應改變。為減少成本，盡可能的延長使用壽命，降低能量損耗也就是重中之重。在實際應用中，內燃機活塞材料的市場發展前景逐漸向好。作為內燃機結構的主要部件，在進行科學的研究后，才能更大程度上增強活塞性能。因為國家環境的發展目標是節能減排，為順應發展趨勢，傳統材料不再具備很大的市場比重，復合型材料和陶瓷材料前景可觀，但是還存在一系列問題，但是隨著科技的進步，未來內燃機活塞材料發展還是非常明朗的。現如今，內燃機活塞材料種類多種多樣。但是這些材料必須同時具備較高的耐高溫性、耐磨性，以及相對條件下的耐受性。只有這樣才能極大程度上保證活塞材料的使用年限。雖然現在傳統材料還是占據較大面積的市場，但是在不久的將來，新型材料勢必會取代傳統材料。

6? 結語

隨著資源的相對緊張化和節能減排理念的提出，復合材料的未來發展前景一片向好。只有改變活塞材料，才能從根本上解決消耗大、隱患危險系數高等風險，也可以對科學、進步和生產水平提高起到很大程度的幫助，內燃機活塞材料改革勢在必行，更順應了大時代的發展。

參考文獻：

[1]郭國慶，謝敬佩，等.內燃機活塞材料及其相關技術[J].拖拉機與農用運輸車，2015（3）.

[2]陳剛，賀躍輝，等.發動機活塞和缸套材料及其加工工藝研究現狀[J].粉末冶金材料科學與工程，2017（8）.

[3]湯春峰，曲選輝，段柏華.內燃機活塞環材料及其表面處理[J].內燃機配件，2017（05）.

[4]賴華清.活塞材料的應用及發展[J].上海汽車，2015（12）.

[5]納微米混雜增強鋁基復合材料及其應用[J].西安工業大學學報，2019（2）.