內燃機活塞環(huán)表面處理技術

王達 蔡志江 傅強

摘要：近年來，在社會經濟快速發(fā)展的同時，我國的科學技術也取得了長足的進步。各種先進技術及高新設備不斷涌出，不僅改變了人們的生活及生產方式，還極大的促進了社會生產力的提高。其中，就以活塞環(huán)表面處理技術來說，其在內燃機中的應用，有效了提高了內燃機活塞環(huán)的使用性能，同時也延長了內燃機活塞環(huán)的使用壽命，這不得不說是技術的一大革新。鑒于此，本文將對內燃機活塞環(huán)表面處理技術展開分析和探究，希望能夠為我國科學技術的穩(wěn)步前進提供一定助力。

關鍵詞：內燃機;活塞環(huán);表面處理技術

中圖分類號：TK45+4.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0038-02

0? 引言

新時期，社會在發(fā)展，時代在進步，內燃機活塞環(huán)表面處理技術也應當與時俱進，積極引入新的理念和方法，在制作材料上作以改進，在使用性能上予以提高，以便其在內燃機中更好的發(fā)揮出支撐、儲油、導熱作用，從而適應社會的發(fā)展，滿足現(xiàn)代生產的需求。出于這樣的目的，本文就內燃機活塞環(huán)表面處理技術進行研究，具有一定的實踐價值和現(xiàn)實意義。

1? 內燃機活塞表面處理技術研究的必要性

研究其必要性之前，首先需要了解活塞環(huán)的具體作用。活塞環(huán)作為內燃機內部構件的主要組成部分，其能起到很重要的作用，如支撐、封閉、儲油、導熱等。換言之，沒有活塞環(huán)，內燃機將無法正常運轉。正因為如此，在內燃機活塞環(huán)的制作時，其材料應具備耐腐蝕、耐高溫、耐腐蝕、導熱性好、易加工等優(yōu)良性能，以及能夠與氣缸材料表面進行較好的磨合[1]。有且只有這樣，才能使活塞環(huán)應有的價值和作用徹底發(fā)揮出來。就目前來看，制備內燃機活塞環(huán)的基礎材料主要以專用鋼材和球墨鑄鐵為主。在其表面改性上，國內外采用了多種表面處理技術，如氮化、鍍鉻、噴鉬、PVD 與 CVD 鍍膜等，以便使內燃機活塞環(huán)的使用壽命和使用性能能夠得到進一步提升。現(xiàn)如今，內燃機被人們提出了越來越高的要求。為了滿足實際生產和應用的需要，相關技術人員應不斷加大內燃機活塞表面處理技術研究力度，以便其能夠更好的促進行業(yè)的發(fā)展。

2? 內燃機活塞環(huán)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，專用鋼材和球墨鑄鐵是國內外內燃機活塞環(huán)制備的主要材料。其中，通過球墨鑄鐵制作的活塞環(huán)，耐磨性較強，但美中不足的是這種活塞環(huán)在加工性能以及力學性能方面對內燃機高速、高載的發(fā)展要求是難以滿足的。再來看，鋼制活塞環(huán)，相比于球墨鑄鐵活塞環(huán)，其無論是耐腐蝕、耐高溫，還是力學性能和加工性能上，都有著比較大的優(yōu)勢，但這種材料最大的缺點就是耐磨性不足，換句話來說，就是使用壽命并不長[2]。因此，對于這種材料，必須要進行表面的改性，才能投入到實際生產和應用之中。相比于國外，我國內燃機行業(yè)起步較晚，內燃機加工制造水平還有所不足。由于內燃機技術最先起源國外，我國也是在其技術基礎上發(fā)展起來的，所以內燃機活塞環(huán)專用鋼材的國產程度普遍較低。同時，相比于進口鋼材，我國所生產的專用鋼材在質量上還存在很大程度的差距，這也導致多數(shù)情況需要進口國外專用鋼材來進行內燃機活塞環(huán)的制造[3]。因此，為減少這種情況的發(fā)生，需要加大活塞環(huán)表面處理技術的應用，以便在促進內燃機活塞環(huán)使用性能提升的同時，最大限度減少勞動力以及生產成本的投入。對于內燃機活塞環(huán)表面改性的方法有很多，主要有熱噴涂鉬涂層、鍍鉻、離子噴涂陶瓷涂層等。

3? 內燃機活塞環(huán)表面處理技術

3.1 內燃機活塞環(huán)表面鍍鉻

內燃機活塞環(huán)表面鍍鉻技術，其主要目的是為了延長活塞環(huán)的使用壽命。具體來說，它通過在內燃機活塞環(huán)的外圓增設鍍鉻層，使活塞環(huán)摩擦面的性能得以優(yōu)化，從而進一步增強內燃機活塞環(huán)的工作性能。經過有關試驗證實：對活塞環(huán)的第一道環(huán)增加了鍍鉻層厚，不僅活塞環(huán)氣缸套的磨損得以有效減少，活塞環(huán)的使用壽命也得到了顯著的提高[4]。鍍鉻層結構緊密，其結晶中基本不會有雜質的殘留，具有良好的耐腐蝕性和摩擦性能，硬度也有了明顯的改善，最高可達到1000HV。在1935年Vanter·Hovst發(fā)明了一種可以提高鍍鉻層潤滑性能的新工藝。在完成整體的鍍鉻層之后，進行極性反向通電的改變，能夠使鍍鉻層表面上浸蝕出網。各個網之間相互連接，能夠使其潤滑能力得到進一步增強。另外，還有人做過這樣的實驗，就是利用多孔膜腐蝕或噴砂，使活塞環(huán)表面出現(xiàn)大大小小且不同形狀的坑，或借助松孔鍍鉻層進行油量的存儲，以便使缸套與內燃機活塞環(huán)能夠保持良好的潤滑性[5]。但是，電鍍鉻層工藝，在使用過程中會產生很大的毒性，即便是采取了必要的防范措施，還是會對環(huán)境造成一定的污染。并且，鍍鉻作業(yè)中，往往需要投入大量的人力，且耗能較高，整體經濟效益并不是十分理想。實踐證明，鍍鉻層并不堅固，反而比較脆，若其中有缺陷存在，碎裂脫落情況難免會發(fā)生，繼而分解成很多的小顆粒，嚴重影響內燃機氣缸的正常運行。

3.2 內燃機活塞環(huán)表面氮化處理

氮化處理技術，具有很多優(yōu)點，如安全可靠、綠色無污染、經濟效益高、工藝性強等。正因為如此多的優(yōu)點，使得這種技術一經面世，便得到了行業(yè)人員的一致喜歡和高度追捧，并在一些發(fā)達國家得到了廣泛的應用，以往那種環(huán)境破壞嚴重、耗能高的電鍍鉻工藝已逐漸被取代[6]。鑒于氮化處理技術的諸多好處，國內各相關企業(yè)也紛紛開始了內燃機活塞環(huán)表面氮化處理技術的研究和應用。表面氮化處理技術，可細分為三種處理方式：鹽浴表面氮化、氣體表面氮化以及離子表面氮化。先來說氣體表面氮化處理，對于奧氏體不銹鋼內燃機活塞環(huán)的表面處理是較為適用的。之所以這么說，是因為其經濟安全、生產效率高、成本好控制，且對有毒物污染問題能予以有效的解決。相比于鹽浴表面氮化、氣體表面氧化，離子表面氧化不僅成本很難控制，加工生產率也不高，但其也有一定的優(yōu)點，就是可以對內燃機的活塞環(huán)的表面進行選擇性的氮化。如此一來，可有效降低內燃機活塞環(huán)整體氮化時產生的硬質側面對活塞環(huán)槽內表面造成的磨損摩擦。同時，還能使內燃機活塞環(huán)的光密封度得到進一步提高。這種技術雖然在具體操作中并不難，但是運用表面氮化技術處理后的內燃機活塞環(huán)表面硬度會有所不足，從而也將不能對內燃機高速高載的使用要求予以滿足。

3.3 內燃機活塞環(huán)PVD與CVD鍍膜

這種技術，最早在20世紀80年代便已經得到了應用。當時，是通過PVD方法在內燃機活塞環(huán)表面上進行Ti N 陶瓷薄膜沉積。自此之后，陸續(xù)出現(xiàn)了PECVD/PCVD等新鍍膜技術[7]。利用新鍍膜技術，在內燃機活塞環(huán)表面進行BN、Cr N、Si N等陶瓷薄膜沉積，現(xiàn)如今這些技術已被廣泛應用于實際生產之中。經過多年的實踐，內燃機活塞環(huán)表面在經過陶瓷薄膜技術的處理后，其耐磨性能得到了很大程度的增強，磨損摩擦性能也得以明顯改善。但是，如果制作工藝不佳，將會使陶瓷薄膜厚度不足，多數(shù)情況只有 3～5μm，這會導致活塞環(huán)承載力不能滿足內燃機高速高載的要求。另外，受鍍膜技術的限制，當前需要將陶瓷薄膜在內燃機活塞環(huán)的整體上沉積，但這種整體陶瓷薄膜活塞環(huán)在實際運行中時常會有咬缸現(xiàn)象的發(fā)生。由于生產成本高、施工工藝復雜等原因，使得陶瓷鍍膜技術的發(fā)展與應用受到了很大的顯著，從而也將難以發(fā)揮出其應有的價值和作用。

3.4 內燃機活塞環(huán)熱噴涂鉬涂層

對于內燃機活塞環(huán)表面的噴鉬，國內外主要采用兩種方式，分別為火焰噴涂和等離子噴涂。這樣一來，內燃機活塞環(huán)便會具有耐高溫、耐磨以及不拉傷氣缸等特點。鉬涂層能夠與基體有效的結合在一起，孔隙率可達到10-15%，儲油效果良好。但其不免也存在一些缺點，即相比于鍍鉻環(huán)，噴鉬環(huán)有著很高的磨損，溫度過高的話會出現(xiàn)氧化剝落現(xiàn)象。如果活塞環(huán)中缺少潤滑油，會加劇噴鉬環(huán)的摩擦、磨損。由此可見，該技術并不具備良好的抗磨損性能。這也使得純鉬涂層，對于內燃機活塞環(huán)高速、高載的要求是很難滿足的。為了應對此種問題，國內外眾多相關研究所以及企業(yè)對鉬與其他材料的復合涂層展開了深入的研究，以期可以取得理想的效果。

3.5 內燃機活塞環(huán)等離子噴涂陶瓷涂層

工業(yè)陶瓷微粒、合成樹脂是陶瓷涂層的主要組成部分，采用等離子噴涂技術在內燃機活塞環(huán)表面進行陶瓷涂層的噴涂，能使活塞環(huán)的各方面性能得到顯著的提升，如機械性能、加工性能、耐磨性能等。并且，當氣缸與內燃機活塞環(huán)發(fā)生摩擦時，陶瓷涂層表面被磨掉的微粒直徑小于或等于油膜的厚度，被磨掉的微粒并不會破壞油膜的形成。陶瓷涂層具有相當多的優(yōu)點，包括硬度高、耐腐蝕、耐高溫、隔熱好、支撐性能好、生產率高等，能夠對內燃機活塞環(huán)的使用要求予以充分滿足。在對陶瓷涂層材料的應力剝落問題予以妥善解決之后，通過對等離子噴涂技術的合理利用，能夠最大程度的滿足內燃機高速、高載的要求。目前，在對等離子噴涂陶瓷涂層的研究上，國內外均達到了一定的高度。

4? 內燃機活塞環(huán)表面處理技術的應用原則

隨著科學技術的不斷發(fā)展，各種新技術、新工藝不斷涌出，在內燃機活塞環(huán)上得到了廣泛的應用，特別是以提高耐磨性能為目的的表面強化技術，其更是積極引進了各種新工程材料和新工藝方法。但需要注意的是，在新技術的應用方面應遵循以下原則：

其一，新技術的應用需要與內燃機本身相匹配。使用新型耐磨涂層，應致力于在不影響缸套正常使用的前提上，盡可能的提升活塞環(huán)的使用壽命。另外，新技術的使用，應有助于提高內燃機的整體性能，比如減少污染物的排放、降低油耗等，切不可因一味的追求活塞環(huán)的高耐磨性，而導致其他性能受損。

其二，合理選擇各種新工藝方法。制造方法不能與環(huán)境保護發(fā)生沖突，換言之，制作過程應減少有毒物質、氣體的排放，不能對周圍的環(huán)境造成污染。同時，采用新工藝方法，應有利于提高生產效率，提升工藝質量。

其三，控制生產成本。企業(yè)進行生產的目的，主要在于獲得更好的經濟效益。因此，在對新技術的應用上，應對其材料成本、工藝成本、使用壽命等予以綜合分析，在確保自身能夠取得理想收益的前提下，才能考慮應用此技術。

5? 結束語

總的來說，在社會經濟高速發(fā)展的背景下，人們對汽車內燃機的安全性、環(huán)保型、耐用性等方面提出了更好的要求。為此，作為內燃機生產廠家，應致力于內燃機活塞環(huán)使用性能的提升，通過新材料的選用，新表面處理技術的研發(fā)，延長活塞環(huán)的使用壽命以及實用性能，使其能夠對內燃機高速、高載的要求予以充分滿足，從而有效的推動我國汽車產業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻：

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[5]崔建華，盛超立，劉根.內燃機零部件不同表面處理膜層的耐磨性試驗研究[J].現(xiàn)代制造技術與裝備，2020（002）：12，15.