內燃機活塞環表面處理技術研究 Research on Surface Treatment Technology of Piston Ring of Internal Combustion Engine

廖東林 LIAO Dong-lin 王謀 WANG Mou 馮菊 FENG Ju

摘要：國內現階段針對于內燃機活塞環表面處理各項技術研究逐步增多，為更好地選定其表面處理各項技術，實現各項技術優勢更好地發揮，鑒于此，本文側重于總結分析內燃機活塞環的表面有效處理技術總體研究及運用情況，期望可以為后續更多研究學者對此類課題的實踐研究提供有價值的指導或者參考。

Abstract： At this stage， domestic researches on various technologies for the surface treatment of internal combustion engine piston rings are gradually increasing. In order to better select various surface treatment technologies and realize the better use of various technical advantages， this article focuses on the summary Analyzing the overall research and application of the effective surface treatment technology of internal combustion engine piston rings， it is hoped that it can provide valuable guidance or reference for more researchers in the future on the practical research of such topics.

關鍵詞：活塞環;內燃機;表面;處理技術

Key words： piston ring;internal combustion engine;surface;processing technology

中圖分類號：TK402? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0030-02

0? 引言

國內各項科學技術現階段得以持續的進步發展，內燃機活塞環表面處理層面各項技術也不斷涌現，為能更好地選擇及應用其表面處理科學技術，做好內燃機活塞環的表面有效處理技術綜合分析，有著一定的現實意義和價值。

1? 研究內燃機活塞環的表面有效處理技術現狀

內燃機，從屬動力機械的一種，機器內部使燃料燃燒，直接把所放出熱能轉換成動力熱力的一種發動機。在廣義層面，內燃機內含自由活塞發動機、旋轉活塞發動機、旋轉葉輪噴氣發動機、往復活塞內燃機，但人們常提及到的內燃機通常為活塞內燃機。這種活塞內燃機普遍為復活塞式。這種活塞形式內燃機有效混合燃料及空氣，并在汽缸內部充分燃燒，所釋放出來熱能，致使汽缸內部有高壓高溫燃氣產生[1]。燃氣膨脹過后，對活塞做功起到推動作用，經曲柄連桿或其余機構輸出機械做功，對機械工作起到驅動作用。內燃機當中，活塞環從屬重要構成部分，有著支撐、儲油、封閉、導熱各種作用。若無活塞環，則內燃機難以維持正常的運行。故制作內燃機活塞環汽機，要求制作材料務必有著優良導熱特性、耐腐蝕特性、耐高溫特性、耐腐蝕特性且易加工各項優勢，可以和氣缸材料整個表面磨合良好，如此才可確保有效發揮該活塞環自身價值。國內外現有內燃機活塞環多為球墨鑄鐵及專用鋼材類型材料。球墨鑄鐵類型的活塞環，其耐磨特性優良，但球墨鑄鐵類型活塞環自身所具備力學特性及加工特性卻往往無法滿足于內燃機實現高速高載運行層面要求。相比較于球墨鑄鐵類型的活塞環，鋼制類型的活塞有著優良耐腐蝕特性、環耐高溫特性、力學性能及機械加工特性，但無優良耐磨特性，表面需經改性處理過后才可加工生產應用。國內內燃機的活塞環業現階段均是以引入國外先進技術為基礎所發展開來，內燃機活塞環在加工制造總體水平上仍和國外差距較大，內燃機活塞環多進口相應的專用鋼材，故與生產實際情況相結合，實現表面處理科學技術的合理選定，其對活塞環自身使用特性的提升、優化，人力及生產成本的有效節約來說均有著積極作用。

2? 內燃機活塞環的表面有效處理技術運用情況

2.1 在應用原則層面

伴隨現代科技持續進步發展，涌現出更多全新工藝及技術，廣泛引入至內燃機活塞環當中，尤其是對其耐磨特性起到良好優化作用的表面強化處理各項技術，涉及到較多全新工藝技術及材料，但實際應用期間仍需遵守各項基本原則，以便于更好地發揮各項技術優勢，更好地處理內燃機活塞環的表面。一是，所選定技術工藝務必與內燃機自身有著良好匹配性，新型的耐磨涂層應用，務必以不會對正常使用缸套產生影響為基礎，盡量將活塞環實際使用壽命有效延長。所選定技術，務必能夠將內燃機自身性能提升，如將油耗降低、排放各種污染物得以減少等，切勿僅僅側重于將活塞環實際耐磨特性增強，致使其余特性受損現象產生[2];二是，注重各項技術手段科學選定，制作方法切勿與環保有沖突產生，也就是制作整個過程均應當盡量將有毒氣體及物質排放有效減少，切勿污染到周邊環境，且應注重工藝品質及生產效率的有效提升;三是，重視成本控制。企業從事生產主要目的便是實現更多效益獲取，故選定各項技術期間，務必著重考慮到使用壽命、工藝及材料成本各個層面，以各項技術的高效運用下，確保理想收益得以實現。

2.2 在鍍鉻技術層面

內燃機活塞環所在表面的鍍鉻技術，其對活塞環實際使用壽命可起到延長作用。鍍鉻技術之下，對內燃機活塞環外圓部分增設相應鍍鉻層，優化活塞環整個摩擦面實際性能，對內燃機活塞環總體工作性能起到有效增強的作用。經大量試驗分析均證明了，活塞環首道環增設相應鍍鉻層厚，可減少活塞環的氣缸套所受到磨損，明顯延長內燃機活塞環實際使用壽命。鍍鉻層有著極具緊密性結構，結晶內部未殘留雜質，摩擦特性及耐腐蝕特性均優良，有效改善其硬度，1000HV為最高。經過大量對此項技術深入研究，對鍍鉻層實際潤滑特性起到有效強化作用全新工藝被研發出來，鍍鉻層整體完成過后，改變極性的反向通電， 確保鍍鉻層整個表面能夠浸蝕出網[3]。各網互相連接，可增強它自身潤滑特性。借助噴砂或者多孔膜的腐蝕，活塞環所在表面會有形狀及大小不一的坑產生，通過松孔的鍍鉻層來存儲油量，可確內燃機活塞環及缸套維持優良潤滑特性，但鍍鉻層處理工藝運用期間，所產生毒性相對較大，即便積極落實防范工作，仍然會污染到環境。鍍鉻技術操作期間，所需人力較大，有著較高耗能，經濟可行性較差。大量實踐研究表明了鍍鉻層十分脆弱，堅固性較差，倘若潛在著缺陷問題，則極易產生碎裂脫落現象，大量小顆粒會被分解出來，對內燃機內部氣缸運行會產生影響。

2.3 在氮化處理技術層面

內燃機活塞環所在表面的氮化處理技術所具備優勢集中表現為較強工藝性、可靠性、安全性、高經濟性、無污染性，故此項技術被研發出來后，獲取業內人士廣泛關注及青睞，廣泛運用至部分發達國家當中，逐步代替原有高耗能、破壞環境的電鍍鉻層技術工藝。因氮化處理技術自身優勢較為突出，故國內企業便熱衷于研究及運用內燃機活塞環所在表面的氮化處理技術。此項技術手段所涉及到處理手段有三種，即離子表面、氣體表面、鹽浴表面這幾種氮化處理手段。氣體表面的氮化處理，其比較適宜應用至不銹鋼奧氏體內燃機活塞環所在表面處理，大部分是因其有著高生產效率、安全性及經濟性突出、可更好地把控成本，能夠處理有毒物相關污染層面問題[1]。在一定程度上，與氣體及鹽浴表面的氮化處理手段，離子表面的氮化處理手段往往很難把控成本，且加工生產效率低，但能夠選擇性對內燃機活塞環所在表面實施有效氮化處理，以至于整體對內燃機活塞環實施氮化處理期間所產生硬質側面，其針對于活塞環槽的內表面所產生摩擦及磨損能夠得以減少，有效提升內燃機活塞環整體光密封度，此項技術實操便捷，但對內燃機活塞環實施氮化處理過后，表面硬度下降，將無法滿足于內燃機的高載高速層面使用需求，故具體選用期間務必予以著重考慮。

2.4 在PVD和CVD鍍膜技術層面

PVD和CVD鍍膜技術，80年代早期便已應用開來，主要是借助PVD技術，對內燃機活塞環所在表面實施陶瓷薄膜TiN沉積處理。而后，PVD和CVD的全新鍍膜處理技術便被研發出來，借助此項技術，對內燃機活塞環所在表面實施SiN、CrN、BN相應陶瓷薄膜的有效沉積處理，現階段在生產過程已廣泛運用此項技術手段。歷經多年實踐研究，對內燃機活塞環所在表面實施陶瓷薄膜有效處理過后，增強自身耐磨特性，還改善其磨損摩擦特性。但因制作工藝仍有欠缺，以至于陶瓷薄膜實際厚度較為不足，大部分均為3～5μm，以至于活塞環自身承載力難以滿足于內燃機實現高載高速性運行需求，且因受鍍膜處理技術層面限制，內燃機活塞環當中，陶瓷膜需要整體沉積，但卻極易產生咬缸問題。因復雜的施工工藝、較高生產成本因素存在，以至于限制了陶瓷鍍膜處理技術應用發展，其真實價值難以得到更好地發揮，今后仍然需增加對此方面的進一步研究優化。

2.5 在鉬涂技術層面

內燃機活塞環所在表面位置噴鉬處理，現階段以等離子、火焰這兩種噴涂手段為主。內燃機活塞環往往自身有著不會拉傷到氣缸、耐磨和耐高溫相關特性。鉬涂層，其可有效結合基體，孔隙率在10～15%左右，有著優良儲油效果，但相比較鍍鉻環，磨損高，過高溫度環境下，氧化剝落極易產生。活塞環內部若潤滑油較少，則噴鉬環會加劇摩擦磨損[4]。可以說，此項技術手段抗磨損特性相對較差，純鉬涂層無法更好地滿足于內燃機活塞環實現高載高速運行層面需求。在今后仍然需增加對此方面的深入研究，尤其側重于研究鉬和其余相應材料復合涂層實踐研究，以便于獲取更具理想化研究成果。

2.6 在等離子形式噴涂陶瓷的涂層技術層面

陶瓷涂層當中，合成樹脂、陶瓷微粒均屬于重要構成部分，噴涂技術之下，圍繞著內燃機活塞環所在表面實施陶瓷涂層有效噴涂處理，有效提升活塞環自身耐磨特性、加工特性、機械特性。氣缸和內燃機活塞環若有摩擦產生情況下，陶瓷涂層所在表面所摩擦掉微粒實際直徑通常≤油膜厚度，該部分被摩擦掉微粒并不會對油膜形成產生破壞作用。陶瓷涂層優勢集中表現于高生產率、優良支撐特性、隔熱特性、耐高溫及耐腐蝕特性、高硬度性，能夠充分滿足于內燃機活塞環實際應用需求，能夠處理好陶瓷涂層部位材料所產生應力剝落層面問題。

3? 結語

綜上所述，內燃機活塞環的表面有效處理技術現階段以鍍鉻技術、氮化處理技術、PVD和CVD鍍膜技術、鉬涂技術、等離子形式噴涂陶瓷的涂層技術等為主，不同處理技術均有著各自優勢及缺陷，需結合實際處理需求及情況予以合理選定，如此才可確保對內燃機活塞環的表面實現更為科學合理化的處理。

參考文獻：

[1]王文亞，李金龍.對內燃機活塞環表面的超聲電鍍進行聲場分析[J].內燃機與配件，2019，22（015）：125-126.

[2]薛茂權，黃之德，倪貴華，楊峰，王乾.活塞環表面處理及摩擦學性能研究進展[J].電鍍與涂飾，2020，39（021）：579-580.

[3]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].現代制造技術與裝備，2020（002）：124-125.

[4]趙小峰，劉國強，王大江，石小明，段成林，劉宗舉.鋁活塞環槽表面Ni-SiC耐磨涂層的制備及性能試驗研究[J].內燃機與動力裝置，2020，37（004）：589-593.