內燃機活塞環表面處理技術

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的使用性能，同時也延長了內燃機活塞環的使用壽命，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步前進提供一定助力。

關鍵詞：內燃機;活塞環;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，社會在發展，時代在進步，內燃機活塞環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揮出支撐、儲油、導熱作用，從而適應社會的發展，滿足現代生產的需求。出于這樣的目的，本文就內燃機活塞環表面處理技術進行研究，具有一定的實踐價值和現實意義。

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的具體作用。活塞環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，內燃機將無法正常運轉。正因為如此，在內燃機活塞環的制作時，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，才能使活塞環應有的價值和作用徹底發揮出來。就目前來看，制備內燃機活塞環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的使用壽命和使用性能能夠得到進一步提升。現如今，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的發展。

2? 內燃機活塞環研究現狀

現階段，專用鋼材和球墨鑄鐵是國內外內燃機活塞環制備的主要材料。其中，通過球墨鑄鐵制作的活塞環，耐磨性較強，但美中不足的是這種活塞環在加工性能以及力學性能方面對內燃機高速、高載的發展要求是難以滿足的。再來看，鋼制活塞環，相比于球墨鑄鐵活塞環，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展起來的，所以內燃機活塞環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，這也導致多數情況需要進口國外專用鋼材來進行內燃機活塞環的制造[3]。因此，為減少這種情況的發生，需要加大活塞環表面處理技術的應用，以便在促進內燃機活塞環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? 內燃機活塞環表面處理技術

3.1 內燃機活塞環表面鍍鉻

內燃機活塞環表面鍍鉻技術，其主要目的是為了延長活塞環的使用壽命。具體來說，它通過在內燃機活塞環的外圓增設鍍鉻層，使活塞環摩擦面的性能得以優化，從而進一步增強內燃機活塞環的工作性能。經過有關試驗證實：對活塞環的第一道環增加了鍍鉻層厚，不僅活塞環氣缸套的磨損得以有效減少，活塞環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，使活塞環表面出現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，還是會對環境造成一定的污染。并且，鍍鉻作業中，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 內燃機活塞環表面氮化處理

氮化處理技術，具有很多優點，如安全可靠、綠色無污染、經濟效益高、工藝性強等。正因為如此多的優點，使得這種技術一經面世，便得到了行業人員的一致喜歡和高度追捧，并在一些發達國家得到了廣泛的應用，以往那種環境破壞嚴重、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，國內各相關企業也紛紛開始了內燃機活塞環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，但其也有一定的優點，就是可以對內燃機的活塞環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整體氮化時產生的硬質側面對活塞環槽內表面造成的磨損摩擦。同時，還能使內燃機活塞環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表面上進行Ti N 陶瓷薄膜沉積。自此之后，陸續出現了PECVD/PCVD等新鍍膜技術[7]。利用新鍍膜技術，在內燃機活塞環表面進行BN、Cr N、Si N等陶瓷薄膜沉積，現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，多數情況只有 3～5μm，這會導致活塞環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的整體上沉積，但這種整體陶瓷薄膜活塞環在實際運行中時常會有咬缸現象的發生。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展與應用受到了很大的顯著，從而也將難以發揮出其應有的價值和作用。

3.4 內燃機活塞環熱噴涂鉬涂層

對于內燃機活塞環表面的噴鉬，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，噴鉬環有著很高的磨損，溫度過高的話會出現氧化剝落現象。如果活塞環中缺少潤滑油，會加劇噴鉬環的摩擦、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 內燃機活塞環等離子噴涂陶瓷涂層

工業陶瓷微粒、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表面進行陶瓷涂層的噴涂，能使活塞環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發生摩擦時，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? 內燃機活塞環表面處理技術的應用原則

隨著科學技術的不斷發展，各種新技術、新工藝不斷涌出，在內燃機活塞環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。制造方法不能與環境保護發生沖突，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，在社會經濟高速發展的背景下，人們對汽車內燃機的安全性、環保型、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，延長活塞環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的健康發展。

參考文獻：

[1]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（21）：57-60.

[2]唐令，何鵬飛，馬國政，等.缸套-活塞環摩擦副表面性能強化研究進展[J].表面技術，2019，48（008）：185-198.

[3]江仁埔，郭智威，饒響，等.表面織構對缸套-活塞環摩擦學性能的影響[J].內燃機學報，2018，036（005）：471-479.

[4]茆駿亞.活塞環表面處理技術的研究現狀及發展趨勢[J]. 內燃機與配件，2018，271（19）：56-57.

[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].現代制造技術與裝備，2020（002）：12，15.