汽車內燃機活塞的表面防護與耐磨性能分析

張衛偉

摘要：本文對汽車內燃機活塞基本特性進行分析，并對內燃機活塞材料性能對汽車活塞帶來的影響加以闡述，進一步探究提升汽車內燃機活塞的表面防護效果與耐磨性能的方法，希望能為改善與優化汽車內燃機活塞性能及延長使用壽命提供有效建議。

關鍵詞：汽車內燃機;活塞;表面防護;耐磨性能

中圖分類號：U463.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0069-02

0? 引言

汽車內燃機在發動機性能持續提升因素影響下，促使內燃機適用范圍得到擴展，磨損是汽車內燃機使用過程中常出現的問題，其磨損程度過于嚴重，不僅對汽車內燃機正常功能使用造成不同程度影響，也難以保證汽車運行穩定與安全。如何有效提升汽車內燃機活塞的表面防護效果與耐磨性能，是目前各相關人員需要考慮的問題。

1? 汽車內燃機活塞基本特性

活塞頭部、活塞群部、活塞銷座是汽車內燃機活塞主要構成，處于正常狀態下的汽車發動機，其內燃機活塞配置會受到汽車發動機工作環境及具體要求影響，內燃機活塞配置存在一定差異性。一般情況下，差異性主要集中在內燃機活塞頭，一方面是內燃機活塞頂部差異，為了能夠讓活塞適應多種內燃機較為惡劣的運行環境，無特殊要求下，通常設計師會選擇以平頂或相似平頂的設計方式對活塞進行設計，采用平頂設計后的活塞在實際使用過程中，能夠降低高溫氣體與活塞的接觸范圍，并在活塞平頂部位形成均勻分布的作用力;另一方面，基于平頂設計上更加復雜化的活塞形狀，即為環槽，將活塞環在環槽上安裝，其目的將混合氣體轉化為燃燒室所需氣體，促進燃燒室內燃燒率提升，同時也能夠起到降低爆破事故概率的作用[1]。舉例說明，使用過程中的活塞，經常在凹槽處出現活塞頭部，進而致使活塞出現漏氣問題，極易導致其他雜質滲入活塞，影響燃燒室正常使用性能，并會縮減使用期限，降低汽車內燃機整體使用性能。基于此，為了延長汽車內燃機活塞使用期限及保證使用中活塞密封性，既能避免活塞中滲入其他雜質，又能有效提升活塞使用穩定性，從而為汽車行駛提供安全保障。

2? 內燃機活塞材料性能對汽車活塞帶來的影響

汽車內燃機活塞在長期快速且高頻率工作狀態下，加上自身潤滑效果不到位，極易導致活塞磨損越來越嚴重，其中制成活塞的材料若是過于普通，不僅會降低活塞使用壽命，對汽車正常使用性能也會有著直接影響，難以保證汽車行駛安全與穩定。從目前制作內燃機活塞的材料來看，其種類繁多，在內燃機活塞制作過程中使用新型復合材料，能夠將上述問題有效解決。現階段復合材料是大多數汽車制造廠商主要采用的活塞制作材料，此類型材料具有較強耐腐蝕、耐高溫、韌性高、抗磨損性等多項優點，隨著內燃機活塞穩定性不斷變差，促使汽車內容現象減小，隨著時間推移，加劇了汽車內燃機活塞功能失效。

就汽車內燃機活塞制作而言，除了需要使用新型復合材料以外，也要不斷調整與改進活塞裙部形狀，有利于進一步優化汽車發動機結構，此方面情況需要給予重點關注。

3? 強化汽車內燃機活塞表面防護效果及提升耐磨性能的有效方法

3.1 強化汽車內燃機活塞表面防護效果的方法

高耐磨性能、高耐腐蝕性能及韌性是等離子Ti+N最為明顯的特征，為了改善汽車內燃機活塞復合材料表面性能，可通過對等離子Ti+N進行共滲處理，使其達到在汽車內燃機活塞復合層形成具有一定厚度納米涂層，此涂層具有良好的致密性、均勻性，可促使汽車內燃機活塞表面耐磨性、韌性、耐腐蝕性與摩擦副交互程度大幅度提升，有助于延長汽車內燃機活塞使用壽命[2]。具體可參考以下幾點：

第一，在應用等離子Ti+N共滲處理工藝對汽車內燃機活塞復合表面性能進行優化時，相關人員應對汽車內燃機活塞實際運行情況精準掌握，并對其綜合考慮，根據等離子Ti+N顆粒粒度、等離子Ti+N共滲層結構、等離子Ti+N共滲配比等關鍵信息，在此基礎上評估經等離子Ti+N共滲處理后汽車內燃機活化塞并優化。主要改善顆粒電泳性，并將最佳工藝參數獲得及專業工藝裝置制作作為此項工作核心，確保等離子Ti+N共滲處理工藝應用效果。為了有效去除汽車內燃機活塞表面油污與多余雜質，可在應用等離子Ti+N共滲處理工藝過程中，將汽車內燃機活塞復合材料放在超聲波清洗池中進行清洗，進而保證汽車內燃機活塞抗摩擦、抗磨損能力。

第二，將蓋板、心軸、專用哈呋等裝置在電鍍裝夾設備上，使其達到對汽車內燃機活塞維持正圓狀態進行控制的效果;利用賽璐璐填補汽車內燃機活塞閉口縫隙，同時對封口位置、外圓面進行清洗封口處理，從根本上確保等離子Ti+N共滲處理工藝應用成效。

第三，在進行等離子Ti+N共滲處理時，需要做好前期基礎性處理工作，噴砂處理汽車內燃機活塞環，當其內燃機活塞環表面呈均勻灰色為最佳效果，待噴砂處理汽車內燃機活塞環后，需要對汽車內燃機活塞環用清潔水分進行清潔，其目的將多余噴砂顆粒從汽車內燃機活塞環復核表層去除。

第四，借助反向刻蝕作用，在處理槽中對汽車內燃機活塞環應用等離子Ti+N共滲處理工藝，處理槽內部含有硫酸1.5g/L;連接電壓為4.5V;等離子Ti+N共滲處理時間為55s;反應溫度為55.5℃。另外，待反向刻蝕處理完成后，為了進一步提升后續等離子Ti+N共滲處理成效，在入復合液槽內放入汽車內燃機活塞環，采取重復電鍍處理。

3.2 提升汽車內燃機活塞耐磨性能的方法

3.2.1 耐磨性能實驗

為了充分了解汽車內燃機活塞耐磨性能，將選取8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞作為本次實驗對象，并在實驗過程中記錄內燃機活塞性能變化，便于后續分析。8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞主要化學成分參考表1。

通過利用電子顯微鏡觀察處理后的汽車內燃機活塞表面復合材料樣品，并進行組織分析。

對8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞等離子Ti+N進行共滲實驗時，首先，需要對8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞材料組織進行處理，將經過行雙輝等離子Ti滲透處理的原8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞材料放置在滲透金屬槽內，再次進行等離子Ti+N共滲處理，其目的是為確保等離子Ti+N共滲層均勻分布;與此同時，對Ti離子進行表面滲透時，實驗人員需要控制原8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞材料加熱溫度，時刻關注加熱溫度是否維持在845.0℃。根據實驗中實際情況，及時對加熱工件位置進行調整，控制源端電壓為460～720V范圍內，其中Ti離子滲透期間，實驗人員需要將產生的放電氣壓控制在28.0Pa左右;兩極間距為14.0mm，兩極間氣體為純凈氬氣（由純凈氬氣與純凈NH3混合而成的氣體），純凈氬氣與純凈NH3氣體比例設置為3：2，待混合氣體通入后，氣壓應保持在70Pa左右。650.0V、900.0V分別是工件加工電壓與源端電壓。實驗人員要切記，滲透Ti離子過程中，需要維持好在純凈氬氣中、純凈氬氣與NH3混合氣體中得原溫度，其反應時間設置為120.0min。待進入冷卻環節時，需要控制制純凈氬氣環境中冷卻溫度，和室內溫度保持一致[3]。

共滲處理完原8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞材料等離子Ti+N后，實驗人員需要利用掃描電子顯微鏡分析共滲處理后的8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞材料等離子Ti+N模塊，主要包括活塞表面防護層截面組織、表面防護層形貌情況等。待分析完成后，為了精準量測原8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞材料等離子Ti+N共滲處理后的表面復合區域成分，可選擇牛津能譜分析儀器進行輔助，確保量測結果準確。在維持設定好的室內溫度基礎上進行內燃機活塞摩擦磨損實驗。

3.2.2 實驗結果

據表2上相關數據可知，基于相同摩擦磨損條件，汽車內燃機活塞載荷顯示為12N、摩擦副為GCr15，對磨時間為18分鐘。通過分析汽車內燃機活塞Ti-N共滲處理后的表面復合層能譜區域分布情況，得出原8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞材料表面復合層磨損痕跡產生變化，呈光滑分布狀態，從材料表面復合層磨損整體情況上來看，磨損痕跡分布較為平整，其磨損碎屑剝離情況并不明顯。從摩擦副磨損能譜情況的角度上分析，摩擦副具經過磨損實驗，其磨損痕跡比較突出，伴有大量磨損碎屑;磨損局部區域的碎屑附著情況較為明顯。

磨損溫度在摩擦磨損實驗階段一直出于一個較高區間內，共滲處理后的原8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞材料等離子Ti+N，其Ti和N等元素均在摩擦副具內存在，摩擦磨損階段其局部區域產生氧化反應;因此，堆積磨削氧化現象也在磨損階段的汽車內燃機活塞材料表層局部區域出現?；钊鸗i-N共滲后的表面復合層能譜參考表2。

通過分析上述實驗結果，由此可知，經過共滲處理等離子Ti+N，可使具有一定厚度的合金層在汽車內燃機活塞基層上形成，測得合金層厚度約為12～16μm范圍區間。鑒于汽車內燃機活塞基層合金層與基體界二者之間具有良好結合性，促使其表面有防護組織形成，其防護組織具有良好的致密性、均勻性。在逐步提升表面距離作用下，促使Cu元素含量在汽車內燃機活塞表面逐漸增多，其中N元素含量下降較為明顯，B元素和N元素之間保持一致性的變化速率，Ti元素含量呈由上至下變化趨勢。

BeCu是汽車內燃機活塞基礎材料主要物相，等離子Ti+N共滲處理后，汽車內燃機活塞基礎材料除了原有BeCu以外，Ti+N在材料中明顯增加。相較于單一BeCu的基礎材料，由BeCu+Ti+N共同滲透基層，其磨損體積、抗磨損能力等表現均不如單一基礎材料，可說明汽車內燃機活塞基礎材料等離子Ti+N共滲處理后，其活塞抗磨損、抗磨擦性能均有大幅度提升。雖然汽車內燃機活塞在現階段具有良好的市場發展前景，但仍需持續加強內燃機性能研究，實現汽車內燃機與活塞完美銜接，盡可能降低使用中活塞磨損程度，確?；钊δ苁褂檬冀K保持一個良好的狀態。

4? 結束語

綜上所述，內燃機作為汽車重要組成設備，發揮著關鍵性功能作用，其內燃機活塞磨損過于嚴重，降低汽車整體穩定性同時，也會產生一定安全威脅，通過改善與優化汽車內燃機活塞表面防護效果以及提升耐磨性，不僅有利于延長內燃機使用期限，也能起到促進汽車整體性能提升的作用，從而將活塞功能作用最大限度發揮。

參考文獻：

[1]孫艷，張二勇.汽車內燃機活塞的表面防護與耐磨性能研究[J].內燃機與配件，2021（09）：158-159.

[2]張子成.汽車內燃機活塞的表面防護與耐磨性能探析[J].中國標準化，2019（16）：235-236.

[3]王浩權.汽車內燃機活塞表面防護及耐磨性能分析[J].設備管理與維修，2019（04）：163-165.