汽車內燃機活塞耐磨性能與表面防護的研究

王占林

(開封技師學院，河南 開封 475000)

0 前言

隨著汽車發動機性能水平的持續提高，內燃機的使用范圍也隨之逐漸擴大。影響內燃機使用壽命的因素很多，磨損是主要因素之一，一旦其中的組成零部件出現了較為嚴重的磨損問題，不但會對內燃機的使用功能產生影響，并且對汽車行駛過程中的安全性和穩定性也會產生較大的負面影響。活塞作為內燃機使用過程中磨損量相對較大的零部件，其主要承載內燃機運行過程中產生的機械熱負荷，如果機械熱負荷無法在短時間內完全散發，將直接影響到活塞整體的熱強度水平，加大了活塞熱裂問題發生的概率，也影響到內燃機內部拉桿部件的安全穩定運行。本文通過研究探討汽車內燃機活塞的耐磨性能及表面防護處理方式，為延長汽車內燃機活塞使用壽命提供借鑒和參考。

1 汽車內燃機活塞結構特征

汽車內燃機的活塞是一種近圓柱狀的汽車零部件，包括了頂部、裙部和活塞銷座3 部分[1]。在活塞頂部設計的過程中，應滿足以最快的速度適應內燃機燃燒室中出現的惡劣環境，使活塞在運轉中與高溫氣體的接觸面積得到有效削減，作用在活塞上的應力呈現均分狀態。如果活塞的頂部位置發生變形，機油等雜質就會竄入，這也是活塞竄氣的主要原因[2]。活塞裙部主要起到導向作用，確保活塞運行方向和狀態。

2 汽車內燃機活塞材料對其性能的影響

復合材料的選擇、應用能夠在全方位發揮多種材料協同效應的前提下，促使汽車內燃機活塞的運動性能逐漸向著高水平方向發展[3，4]。最為常見的鋁基復合材料的應用，使內燃機活塞的耐磨性、抗疲勞性、抗高溫性相較于傳統單一材料得到了顯著的提升。陶瓷材料作為目前各行業廣泛應用的一種無機非金屬材料，可以在適度提升內燃機工作環境溫度的過程中，和其他無機非金屬材料進行結合應用，最大程度發揮原有的各組成材料在高溫強度、熱量傳導水平等方面的優勢，顯著提高內燃機工作效率與使用壽命。

3 汽車內燃機活塞表面耐磨性能

3.1 研究方式及過程

選取8ND48A-3A 型耐磨合金鑄鐵活塞進行耐磨性能試驗，對活塞出現的性能變化進行記錄。試驗中所選擇的耐磨合金鑄鐵活塞主要的化學成分包括了碳、錳、銅、硅、磷和鉻，各成分的質量分數范圍區間為3.00%～3.40%、0.50%～0.80%、0.60%～0.85%、1.60%～1.80%、0.40%～0.50%和0.30%～0.45%。

對耐磨合金鑄鐵活塞進行等離子鈦氮(Ti+N)共滲處理。首先，全方位地處理耐磨合金鑄鐵活塞的材料組織，然后使用雙輝等離子鈦滲透技術進行處理，將處理后的活塞材料放在滲透金屬槽內部，再次進行等離子Ti+N 共滲處理，確保經過處理之后的共滲層分布始終維持一種均勻狀態。同時，在對鈦離子進行表面滲透處理的過程中，嚴格控制活塞材料的加熱溫度，確保加熱之后的環境溫度能夠始終維持在845 ℃。在試驗的過程中，結合具體的狀況，根據加熱的工件所在的相互位置進行實時調整，并且控制源端口的電壓在460～720 V 之間。試驗過程中，確保放電氣壓在28 Pa左右，兩極之間的距離數值保持在14 mm左右。位于兩極之間的氣體是一種由純凈氬氣和純凈NH3經過混合處理之后形成的氣體，配比比例需要維持在3∶2，再通入適量的混合氣體之后，氣壓數值需要維持在70 Pa左右。在進行鈦離子共滲處理操作的過程中，負責工件加工的電壓和源頭端口電壓分別保持在650 V 和900 V。在試驗的過程中，鈦離子的滲透工作應始終保持處理環境中有適量的純凈氬氣，經過純凈氬氣和NH3進行混合處理之后，能夠有效得到滲透處理反應所需要的原溫度，整體的反應時長設置為120 min。在最終進入冷卻環節之后，需要針對純氬氣環境中的冷卻溫度進行控制，確保這一溫度能夠和室內的溫度始終保持一致。

對耐磨合金鑄鐵活塞進行等離子Ti+N 共滲處理之后，對其模塊進行全方位的觀察，使用合適的電子顯微鏡針確保觀察的準確性。在分析工作完成之后，基于等離子Ti+N 共滲處理之后的活塞表面復合材料區域成分的考慮，使用牛津能譜分析進行輔助測量。

3.2 研究結果分析

在摩擦磨損環境條件參數完全一致的情況下，汽車內燃機的活塞運轉荷載數值顯示為12 N，摩擦副材料為GCr15，對活塞實施磨合處理時間為18 min。通過使用電子顯微鏡對經過等離子Ti+N 共滲處理之后的活塞表面復合材料能譜區域分布進行觀察，發現在鋁合金鑄鐵活塞材料表面所形成的復合層磨損痕跡發生較為顯著的變化，狀態分布較為光滑。通過對整體復合層的材料表面磨損狀況進行觀察，整體的磨損碎屑剝離狀況變化并不明顯，磨損痕跡的分布也相對平整、均勻。從摩擦副磨損能譜觀察結果上看，摩擦副經過磨損試驗之后的整體磨損痕跡較為突出，并且產生了數量較多的磨損痕跡，伴隨有大量的磨損碎屑產生的情況。同時局部磨損區域出現了較為明顯的磨損碎屑表面附著狀況。

在經歷完整的摩擦磨損試驗之后，活塞表面的磨損溫度始終較高。在經過等離子Ti+N 共滲處理之后，本次試驗選用的耐磨合金鑄鐵活塞，在其生成的摩擦副內部出現質量分數較高的鈦元素和氮元素，并且在摩擦磨損處理階段，表面局部區域發生了較為明顯的氧化反應。

由表1可知，經過等離子Ti+N 共滲處理之后，等離子Ti+N 在汽車內燃機的活塞基層表面上生成了一定數量的合金層，其整體的厚度維持在12～16μm 范圍區間內。經過這種等離子Ti+N 共滲處理之后的活塞表面集成合金層與活塞表面材料的結合性較為良好，能夠促進基層防護組織的均勻分布，在致密性和均勻性方面有著十分顯著的優勢。在活塞表面性能逐漸得到提升的影響下，銅、氮元素的質量分數在內燃機活塞表面的分布也逐漸呈現出一種增加趨勢，而鈦、氧元素在基層表面的質量分數卻出現了較為顯著的下降趨勢，兩者之間的變化速率始終維持一致，硼元素質量分數的變化不大。

表1 活塞表面復合層區域元素質量分數分析結果

4 汽車內燃機活塞表面處理方式

等離子Ti+N 共滲處理工藝在耐磨性、耐腐蝕性和自潤滑性等方面有著十分明顯的優勢。使用等離子Ti+N 共滲處理工藝進行活塞表面的防護處理，最終在其表面形成一層密度較高的均勻性納米涂層，并在活塞表面維持合理的厚度，以此提高內燃機活塞在運行過程中的表面耐腐蝕性和耐磨性，這是保障活塞運行狀態及延長其使用壽命的有效方式。在對活塞表面借助等離子Ti+N 共滲處理工藝實施防護處理的時候，需要以內燃機活塞具體的運行狀況作為出發點，在針對等離子Ti+N 共滲處理內燃機活塞運行水平實施評估、優化的過程中，需要著重觀察離子的粒度數值、共滲層最終的結構分布等因素。在具體實施等離子Ti+N共滲處理工藝時，內燃機活塞處于等待處理狀態，可以將其置于超聲波清洗池中，對活塞復合材料實施全面的去油處理，清除內燃機表面的雜質。

從電鍍裝夾設置看來，應結合使用蓋板、心軸、專用哈夫節一類的裝置進行內燃機活塞環的裝夾，以便始終維持汽車內燃機活塞的正圓形，并結合高分子材料的應用，對活塞閉口中出現的細微裂縫進行填補。此后，活塞的封口和外圓面都需要進行全面的清洗，為等離子Ti+N 共滲處理提供應有的環境條件。經過質量驗收確定合格之后，需要利用清潔水進行活塞環的清洗處理操作，確保在經過清洗處理之后，內燃機活塞環表面形成的復合表層不存在任何噴砂顆粒。

此后，應以反向刻蝕的操作方式，將內燃機活塞環放入等離子工程處理槽中。將質量濃度為1.5 g/L 的硫酸放置在等離子Ti+N 共滲處理槽內部，并與4.5 V的電壓進行處理。內燃機活塞環的等離子Ti+N共滲處理反應時間需要控制在55 s左右，整體的反應環境溫度需要維持在55.5 ℃左右。

為保障等離子Ti+N 共滲處理達到應有效果，在對活塞環進行完善的反向刻蝕處理后，將其立即放入到復合液槽內進行二次電鍍處理。復合液槽內同時放置硫酸鎳、氯化鎳、硼酸、納米碳、無機分散劑和亞磷酸等物質，具體含量需要符合反應處理要求和相關規范。整體的反應環境酸堿度需要維持在p H 1.5～1.7范圍內，整體的溫度條件維持在55～65 ℃之間。在連接電壓之后，整體反應環境的電流平均密度需要維持在2.0～4.5 A/cm2之間。

5 結語

復合材料憑借其在耐磨性、耐腐蝕性等方面的優勢，在活塞設計中得到了廣泛應用。經過等離子Ti+N 共滲處理之后的活塞能夠最大程度的延長其使用壽命，并保證運轉過程中的安全性和穩定性。汽車內燃機活塞等離子Ti+N 共滲處理，應同時配合完善的操作工藝流程及專用的儀器設施，保障內燃機活塞的復合表面涂層厚度能夠始終維持在12～16μm，使內燃機的性能得到有效保證。