機械材料中內燃機材料的發(fā)展現狀與應用

謝孟杰

摘要：內燃機材料是機械設備的重要組成部分，在生產與制造中承載著舉足輕重的作用。眾所周知，內燃機屬于動力裝置，其組成與結構也并不十分復雜。內燃機材料是保證內燃機正常運行的關鍵，靈活實用的零部件有助于提升內燃機使用壽命，提升內燃機材料綜合性能也是我們追求和發(fā)展的，目前，機械材料的相關研究層出不窮，新材料研發(fā)與制造也對材料科學發(fā)展起著強有力的推動作用。本文將結合機械材料中內燃機材料的發(fā)展現狀和應用展開討論，希望能夠促進相關研究和生產不斷發(fā)展，有效提升內燃機工作效率和使用壽命。

關鍵詞：機械材料;內燃機材料;發(fā)展現狀與應用

新時期以來，生產與制造業(yè)發(fā)展自動化、智能化，需要大量的內燃機提供動力支持，而相關內燃機材料研究也應當與時俱進，在研發(fā)過程與應用中增強實用性能，有效延長其使用壽命。眾所周知，內燃機使用損耗高，對材料的需求也在日益增強，耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能需求更是基礎。目前，內燃機材料的應用大多經過改造，常見的鑄鐵、鑄鋼、鋁合金等材料都是經過研發(fā)投入使用的，而復合材料、陶瓷材料、新材料的應用也追趕著發(fā)展的腳步。而這一部分內燃機材料在應用過程中還存在諸多問題有待解決，新時期材料的應用與變革應當從加強研究與實踐開始，有效增強內燃機功率和使用壽命，讓內燃機動力便利千萬家。

一、機械材料中內燃機材料的發(fā)展

傳統內燃機材料是指鐵、剛、鋁合金等金屬材料，在機械材料應用方面也有著重要地位。古往今來，人類從未停止過對材料的探索與應用，在材料性能和綜合表現方面一步步優(yōu)化與完善，與此同時也在新材料的研發(fā)與應用方面下足功夫，促進了生產與制造的發(fā)展進步。內燃機材料耐熱性、耐磨性、耐腐蝕性、質量、體積等都影響著生產與制造，今后的材料科學發(fā)展及應用探究都應當針對材料成分、含量進行細節(jié)要求，促進內燃機效率和使用壽命提高;還應當考慮材料工藝及應用環(huán)境、綜合性能等，加強新材料的研究。

（一）內燃機材料機械性能的提升

合金的應用詮釋了機械材料的性能提升發(fā)展腳步，鋁合金材料在機械中應用廣泛，世界各國也紛紛展開研究，針對鋁硅合金的特性與優(yōu)點進一步完善，提出了放大其性能優(yōu)勢的關鍵措施。鋁硅合金中存在粗大初晶硅與晶硅組織，在機械性能和切削應用上表現較差，對其進行變質、細化處理有助于強化其機械性能與加工性。目前，鋁合金細化多以鈦元素含量控制，鑄造鋁合金大多經過鈦合金化處理。由此，控制雜質變量能夠有效提升鋁合金性能，而祛除有害金屬雜質及氣體雜質就能夠有效提升內燃機材料機械性能。熱處理也是常用來提升金屬材料性能的工藝處理，在合金鑄件中采用此鑄造方式可調節(jié)材料性能滿足不同場景下的需求。

（二）內燃機材料綜合性能與強度

對金屬材料進行表面強化處理有助于提升各類零部件使用壽命，在其摩擦、外露表面進行特定鍍鋁、鍍鉛、噴涂石墨、噴涂聚四氟乙烯等，都能夠在一定程度上改善金屬的耐磨性與耐熱性。目前，廣泛應用于機械生產制造中的噴涂工藝取得了顯著成效，內燃機材料還出現了陶瓷化處理等。合金中加入強化元素也是提升其綜合性能的方式，鋁硅合金中加入不同元素可實現不同程度、方向上的強化，如銅、鎂、鎳等元素的加入可以有效提升合金高溫性能。

二、機械材料中內燃機材料的應用

（一）鑄鐵與鑄鋼材料

鑄鐵與鑄鋼是早期內燃機廣泛應用的材料，二者在耐高溫方面的優(yōu)勢十分顯著，同時質量與重量較大，限制了此類內燃機的使用場景。由于這兩類內燃機材料的體積大，制作工序較為繁雜，因而幾乎不在小型內燃機中使用。新時期以來，靈活與輕便是內燃機發(fā)展的新需求，相關研究人員在加強內燃機靈活性方面進一步研究，與此同時也改善了傳統內燃機對環(huán)境的壓力。環(huán)保問題是新時期的大問題，而傳統內燃機在汽車中的應用更是排放尾氣，對環(huán)境造成壓力。經改造投入使用的內燃機在綜合性能表現與環(huán)保方面都進一步拓展，真正開啟了全新試行階段。而傳統鑄鐵、鑄鋼內燃機仍然在特殊場景下發(fā)揮作用。由此可見，新時期生產與制造對內燃機材料提出了更高的要求，靈活性與環(huán)保性是內燃機優(yōu)化提升的新方向，未來內燃機材料更新中極有可能替代鑄鐵與鑄鋼材料。隨著新型內燃機試行與應用，我國新型內燃機更新與普及正式拉開帷幕，內燃機材料的應用與發(fā)展邁向了下一階段。

（二）鋁合金材料應用

內燃機材料中應用廣泛的還包括鋁合金材料，相對鑄鐵與鑄鋼有了全新的進步。由于鋁合金材料質量、密度相對較小，在內燃機中的應用外在表現為體積小，受場地限制因素影響降低。在行業(yè)過程中，鋁合金逐漸代替了一部分鑄鐵與鑄鋼型內燃機，同時多元合金改變了鋁的單一結構，大大提升了鋁這一金屬材料的綜合性能，拓寬其應用場景和范圍。在鋁合金內燃機材料的應用過程中，研究發(fā)展鋁的耐高溫性能較差，而強化元素的增加將能夠有效提升其綜合性能，進一步完善鋁合金的應用場景。這樣鋁合金在體積、密度、物理性能等方面遠遠超越了鑄鐵與鑄鋼，使得小型內燃機得以應用和發(fā)展。到目前為止，材料研究與應用更新迭代，而鋁合金在過去場景下的普及也逐漸顯現出新問題，新時期到來將生產與制造行業(yè)推入了全新賽道，鋁合金在新工業(yè)發(fā)展過程中已經不再適用，新的材料與應用技術正一步步替代這鋁合金內燃機的使用，將能夠繼承鋁合金應用優(yōu)勢，在物理與化學性能等方面遠超鋁合金材料，在內燃機運行中發(fā)揮積極作用。

（三）復合材料的應用

為了強化鋁合金材料的物理與化學性能，材料學研究人員在鋁合金基礎上進一步優(yōu)化完善，采用復合技術將纖維與金屬材料復合在一起，組成了全新的復合材料。以鋁基復合材料為代表，耐磨性、耐高溫性能進一步提高，而在環(huán)保方面也有著不可比擬的作用，因而鋁基復合材料在汽車內燃機中的應用十分廣泛。以鎂基復合材料為代表，耐磨性與耐高溫十分優(yōu)越，并由于在鎂基中復合了纖維與顆粒，相對鋁基復合材料性能更強，但是在造價方面相對更高。以碳復合材料為代表，這一部分材料顯著優(yōu)勢為潤滑性強、磨損度低、導熱速度快、耐高溫性能優(yōu)越。以上三種內燃機材料性能較鋁合金材料應用有了顯著提升，在物理與化學性能方面進一步優(yōu)化，同時造價相對新材料更低，能夠在內燃機活塞、零件、配件等多方面應用。復合材料的更新迭代促進了內燃機材料發(fā)展與進步，使得內燃機使用壽命、場景、范圍等更加完整了。

（四）陶瓷材料的應用

內燃機材料應用中使用較多的還有陶瓷材料，多在零部件表面涂層，加強零部件耐磨性，有效降低內燃機磨損程度。陶瓷涂層質量小，且有著良好的絕熱性，在應用過程中將大大降低油耗，使得內燃機運行中溫度上升盡可能不影響到其他零部件正常運動，而減少冷卻系統產生的油耗問題。所以，陶瓷做零部件涂層將能夠有效降低內燃機工作中產生的熱能，進而降低箱內溫度。陶瓷材料在內燃機中的使用存在明顯優(yōu)勢，但在技術方面專業(yè)度要求高，同時造價與成本高，因而短時間內不會普及應用，僅在特殊零部件處理中廣泛使用。尤其在環(huán)保方面，陶瓷材料可大大減少排放量，依舊有著廣泛的應用與發(fā)展空間。雖然陶瓷材料在技術與造價方面要求高，但也減少油耗方面做到了獨特優(yōu)勢，因而在未來有著強大的競爭力。短時間內不會廣泛推廣，但也并不意味著陶瓷材料并不具有廣泛應用意義。所以，隨著新時期材料科學研究的深入，陶瓷很可能作為廣泛使用的內燃機材料出現，我們也期待著有更加實用而便利的內燃機材料引導發(fā)展，在各個應用領域發(fā)揮重要作用。

三、機械材料中內燃機材料的應用前景

機械材料發(fā)展引領著內燃機材料的進步，而新時期自動化、智能化的發(fā)展趨勢也將引導內燃機材料不斷革新，逐漸適用于各個場景，發(fā)揮關鍵影響作用。新時期的內燃機材料也將在內燃機功率、節(jié)能減排、管理成本等方面做出優(yōu)化，能夠滿足各式樣的應用場景，為人們的生產與生活提供動能。由此可見，內燃機應用核心競爭力強，是未來生產與制造中不可替代的產品，其應用材料也將隨著材料科學的進步與研發(fā)不斷升級，總體提升內燃機性能，突出內燃機的應用優(yōu)勢。鋁合金材料以質量小、體積較小而部分代替鑄鐵與鑄鋼材料，復合材料以綜合性能強勁而應用廣泛，陶瓷材料以減少油耗而在特殊場景下發(fā)揮關鍵作用。所以，未來的內燃機材料將以體積小、節(jié)能減排、應用空間廣而發(fā)展，新材料的研發(fā)應當融合以上優(yōu)勢，并在此基礎上尋求突破。而復合材料與陶瓷材料在未來發(fā)展中的前景將進一步拓寬，鑄鐵與鑄鋼材料、鋁合金材料可替代性將不斷加強。我們面臨的問題也將是不斷加大的財力、物力、人力損耗與研發(fā)結果是否成正比，新技術、新產品的引進是否能夠達到預期效果，這將是未來內燃機材料研發(fā)中需要深思的問題，相關研究與推廣人員應當理性思考，針對現實情況與應用場景進一步評估和考量，促進內燃機材料的質量提升。

總而言之，機械材料中內燃機材料的應用與推廣有著廣泛的發(fā)展意義，我們應當在新時期工業(yè)生產發(fā)展變革中尋求新突破，針對內燃機材料機械性能、內燃機材料綜合性能與強度進一步優(yōu)化。回望過去發(fā)展中應用的內燃機材料，鑄鐵與鑄鋼材料一步步淘汰，但仍然在特殊場景中發(fā)揮關鍵作用，在現代化、智能化迅速發(fā)展的今天極有可能被替代。而鋁合金材料造價成本低，僅僅在合金中加入強化元素就能夠大大提升鋁合金的化學性能，使其廣泛推廣和應用，鋁合金材料的可替代性較強，但也在過去一段時間里為我國生產與制造提供著強有力的支持。復合材料在綜合性能方面表現良好，并且造價成本低、后期維護與保養(yǎng)成本低，未來有可能大力推廣與應用，為我國工業(yè)發(fā)展帶去新的動力支持。陶瓷材料在內燃機中僅作為涂層應用，并且能夠有效降低油耗，但由于其造價成本與技術要求較高，因而僅在特殊零部件上使用，未來將在其特長領域進一步發(fā)展。隨著材料科學的發(fā)展，將有更多新材料能夠在內燃機中應用，未來可期。

參考文獻：

[1]李偉，安虎平，田永亮，許世豪，馬磊.機械材料中內燃機活塞材料的發(fā)展現狀與展望[J].內燃機與配件，2019（21）：102-103.

[2]陳艷，唐前鵬.內燃機活塞材料及其強化工藝研究現狀與展望[J].熱加工工藝，2013，42（14）：8-10.

[3]湯春峰，曲選輝，段柏華.內燃機活塞環(huán)材料及其表面處理[J].內燃機配件，2006（05）：3-6.