內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面處理技術(shù)

王達(dá) 蔡志江 傅強(qiáng)

摘要：近年來，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，我國的科學(xué)技術(shù)也取得了長足的進(jìn)步。各種先進(jìn)技術(shù)及高新設(shè)備不斷涌出，不僅改變了人們的生活及生產(chǎn)方式，還極大的促進(jìn)了社會(huì)生產(chǎn)力的提高。其中，就以活塞環(huán)表面處理技術(shù)來說，其在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用，有效了提高了內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的使用性能，同時(shí)也延長了內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的使用壽命，這不得不說是技術(shù)的一大革新。鑒于此，本文將對內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面處理技術(shù)展開分析和探究，希望能夠?yàn)槲覈茖W(xué)技術(shù)的穩(wěn)步前進(jìn)提供一定助力。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī);活塞環(huán);表面處理技術(shù)

中圖分類號(hào)：TK45+4.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）14-0038-02

0? 引言

新時(shí)期，社會(huì)在發(fā)展，時(shí)代在進(jìn)步，內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面處理技術(shù)也應(yīng)當(dāng)與時(shí)俱進(jìn)，積極引入新的理念和方法，在制作材料上作以改進(jìn)，在使用性能上予以提高，以便其在內(nèi)燃機(jī)中更好的發(fā)揮出支撐、儲(chǔ)油、導(dǎo)熱作用，從而適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需求。出于這樣的目的，本文就內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面處理技術(shù)進(jìn)行研究，具有一定的實(shí)踐價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1? 內(nèi)燃機(jī)活塞表面處理技術(shù)研究的必要性

研究其必要性之前，首先需要了解活塞環(huán)的具體作用?；钊h(huán)作為內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部構(gòu)件的主要組成部分，其能起到很重要的作用，如支撐、封閉、儲(chǔ)油、導(dǎo)熱等。換言之，沒有活塞環(huán)，內(nèi)燃機(jī)將無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。正因?yàn)槿绱耍趦?nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的制作時(shí)，其材料應(yīng)具備耐腐蝕、耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)熱性好、易加工等優(yōu)良性能，以及能夠與氣缸材料表面進(jìn)行較好的磨合[1]。有且只有這樣，才能使活塞環(huán)應(yīng)有的價(jià)值和作用徹底發(fā)揮出來。就目前來看，制備內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的基礎(chǔ)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(nèi)外采用了多種表面處理技術(shù)，如氮化、鍍鉻、噴鉬、PVD 與 CVD 鍍膜等，以便使內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的使用壽命和使用性能能夠得到進(jìn)一步提升。現(xiàn)如今，內(nèi)燃機(jī)被人們提出了越來越高的要求。為了滿足實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用的需要，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)不斷加大內(nèi)燃機(jī)活塞表面處理技術(shù)研究力度，以便其能夠更好的促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展。

2? 內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，專用鋼材和球墨鑄鐵是國內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)制備的主要材料。其中，通過球墨鑄鐵制作的活塞環(huán)，耐磨性較強(qiáng)，但美中不足的是這種活塞環(huán)在加工性能以及力學(xué)性能方面對內(nèi)燃機(jī)高速、高載的發(fā)展要求是難以滿足的。再來看，鋼制活塞環(huán)，相比于球墨鑄鐵活塞環(huán)，其無論是耐腐蝕、耐高溫，還是力學(xué)性能和加工性能上，都有著比較大的優(yōu)勢，但這種材料最大的缺點(diǎn)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(jìn)行表面的改性，才能投入到實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用之中。相比于國外，我國內(nèi)燃機(jī)行業(yè)起步較晚，內(nèi)燃機(jī)加工制造水平還有所不足。由于內(nèi)燃機(jī)技術(shù)最先起源國外，我國也是在其技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)專用鋼材的國產(chǎn)程度普遍較低。同時(shí)，相比于進(jìn)口鋼材，我國所生產(chǎn)的專用鋼材在質(zhì)量上還存在很大程度的差距，這也導(dǎo)致多數(shù)情況需要進(jìn)口國外專用鋼材來進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的制造[3]。因此，為減少這種情況的發(fā)生，需要加大活塞環(huán)表面處理技術(shù)的應(yīng)用，以便在促進(jìn)內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)使用性能提升的同時(shí)，最大限度減少勞動(dòng)力以及生產(chǎn)成本的投入。對于內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)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(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面處理技術(shù)

3.1 內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面鍍鉻

內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面鍍鉻技術(shù)，其主要目的是為了延長活塞環(huán)的使用壽命。具體來說，它通過在內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的外圓增設(shè)鍍鉻層，使活塞環(huán)摩擦面的性能得以優(yōu)化，從而進(jìn)一步增強(qiáng)內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的工作性能。經(jīng)過有關(guān)試驗(yàn)證實(shí)：對活塞環(huán)的第一道環(huán)增加了鍍鉻層厚，不僅活塞環(huán)氣缸套的磨損得以有效減少，活塞環(huán)的使用壽命也得到了顯著的提高[4]。鍍鉻層結(jié)構(gòu)緊密，其結(jié)晶中基本不會(huì)有雜質(zhì)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(dá)到1000HV。在1935年Vanter·Hovst發(fā)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(jìn)行極性反向通電的改變，能夠使鍍鉻層表面上浸蝕出網(wǎng)。各個(gè)網(wǎng)之間相互連接，能夠使其潤滑能力得到進(jìn)一步增強(qiáng)。另外，還有人做過這樣的實(shí)驗(yàn)，就是利用多孔膜腐蝕或噴砂，使活塞環(huán)表面出現(xiàn)大大小小且不同形狀的坑，或借助松孔鍍鉻層進(jìn)行油量的存儲(chǔ)，以便使缸套與內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)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(huì)產(chǎn)生很大的毒性，即便是采取了必要的防范措施，還是會(huì)對環(huán)境造成一定的污染。并且，鍍鉻作業(yè)中，往往需要投入大量的人力，且耗能較高，整體經(jīng)濟(jì)效益并不是十分理想。實(shí)踐證明，鍍鉻層并不堅(jiān)固，反而比較脆，若其中有缺陷存在，碎裂脫落情況難免會(huì)發(fā)生，繼而分解成很多的小顆粒，嚴(yán)重影響內(nèi)燃機(jī)氣缸的正常運(yùn)行。

3.2 內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面氮化處理

氮化處理技術(shù)，具有很多優(yōu)點(diǎn)，如安全可靠、綠色無污染、經(jīng)濟(jì)效益高、工藝性強(qiáng)等。正因?yàn)槿绱硕嗟膬?yōu)點(diǎn)，使得這種技術(shù)一經(jīng)面世，便得到了行業(yè)人員的一致喜歡和高度追捧，并在一些發(fā)達(dá)國家得到了廣泛的應(yīng)用，以往那種環(huán)境破壞嚴(yán)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(shù)的諸多好處，國內(nèi)各相關(guān)企業(yè)也紛紛開始了內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面氮化處理技術(shù)的研究和應(yīng)用。表面氮化處理技術(shù)，可細(xì)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(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的表面處理是較為適用的。之所以這么說，是因?yàn)槠浣?jīng)濟(jì)安全、生產(chǎn)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(chǎn)率也不高，但其也有一定的優(yōu)點(diǎn)，就是可以對內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)的表面進(jìn)行選擇性的氮化。如此一來，可有效降低內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)整體氮化時(shí)產(chǎn)生的硬質(zhì)側(cè)面對活塞環(huán)槽內(nèi)表面造成的磨損摩擦。同時(shí)，還能使內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的光密封度得到進(jìn)一步提高。這種技術(shù)雖然在具體操作中并不難，但是運(yùn)用表面氮化技術(shù)處理后的內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面硬度會(huì)有所不足，從而也將不能對內(nèi)燃機(jī)高速高載的使用要求予以滿足。

3.3 內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)PVD與CVD鍍膜

這種技術(shù)，最早在20世紀(jì)80年代便已經(jīng)得到了應(yīng)用。當(dāng)時(shí)，是通過PVD方法在內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面上進(jìn)行Ti N 陶瓷薄膜沉積。自此之后，陸續(xù)出現(xiàn)了PECVD/PCVD等新鍍膜技術(shù)[7]。利用新鍍膜技術(shù)，在內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面進(jìn)行BN、Cr N、Si N等陶瓷薄膜沉積，現(xiàn)如今這些技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)之中。經(jīng)過多年的實(shí)踐，內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面在經(jīng)過陶瓷薄膜技術(shù)的處理后，其耐磨性能得到了很大程度的增強(qiáng)，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(huì)使陶瓷薄膜厚度不足，多數(shù)情況只有 3～5μm，這會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)承載力不能滿足內(nèi)燃機(jī)高速高載的要求。另外，受鍍膜技術(shù)的限制，當(dāng)前需要將陶瓷薄膜在內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的整體上沉積，但這種整體陶瓷薄膜活塞環(huán)在實(shí)際運(yùn)行中時(shí)常會(huì)有咬缸現(xiàn)象的發(fā)生。由于生產(chǎn)成本高、施工工藝復(fù)雜等原因，使得陶瓷鍍膜技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用受到了很大的顯著，從而也將難以發(fā)揮出其應(yīng)有的價(jià)值和作用。

3.4 內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)熱噴涂鉬涂層

對于內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面的噴鉬，國內(nèi)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(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)便會(huì)具有耐高溫、耐磨以及不拉傷氣缸等特點(diǎn)。鉬涂層能夠與基體有效的結(jié)合在一起，孔隙率可達(dá)到10-15%，儲(chǔ)油效果良好。但其不免也存在一些缺點(diǎn)，即相比于鍍鉻環(huán)，噴鉬環(huán)有著很高的磨損，溫度過高的話會(huì)出現(xiàn)氧化剝落現(xiàn)象。如果活塞環(huán)中缺少潤滑油，會(huì)加劇噴鉬環(huán)的摩擦、磨損。由此可見，該技術(shù)并不具備良好的抗磨損性能。這也使得純鉬涂層，對于內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)高速、高載的要求是很難滿足的。為了應(yīng)對此種問題，國內(nèi)外眾多相關(guān)研究所以及企業(yè)對鉬與其他材料的復(fù)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(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)等離子噴涂陶瓷涂層

工業(yè)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(shù)在內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面進(jìn)行陶瓷涂層的噴涂，能使活塞環(huán)的各方面性能得到顯著的提升，如機(jī)械性能、加工性能、耐磨性能等。并且，當(dāng)氣缸與內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)發(fā)生摩擦?xí)r，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(huì)破壞油膜的形成。陶瓷涂層具有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，包括硬度高、耐腐蝕、耐高溫、隔熱好、支撐性能好、生產(chǎn)率高等，能夠?qū)?nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的使用要求予以充分滿足。在對陶瓷涂層材料的應(yīng)力剝落問題予以妥善解決之后，通過對等離子噴涂技術(shù)的合理利用，能夠最大程度的滿足內(nèi)燃機(jī)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(nèi)外均達(dá)到了一定的高度。

4? 內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面處理技術(shù)的應(yīng)用原則

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新技術(shù)、新工藝不斷涌出，在內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)上得到了廣泛的應(yīng)用，特別是以提高耐磨性能為目的的表面強(qiáng)化技術(shù)，其更是積極引進(jìn)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(shù)的應(yīng)用方面應(yīng)遵循以下原則：

其一，新技術(shù)的應(yīng)用需要與內(nèi)燃機(jī)本身相匹配。使用新型耐磨涂層，應(yīng)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(huán)的使用壽命。另外，新技術(shù)的使用，應(yīng)有助于提高內(nèi)燃機(jī)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(huán)的高耐磨性，而導(dǎo)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(huán)境保護(hù)發(fā)生沖突，換言之，制作過程應(yīng)減少有毒物質(zhì)、氣體的排放，不能對周圍的環(huán)境造成污染。同時(shí)，采用新工藝方法，應(yīng)有利于提高生產(chǎn)效率，提升工藝質(zhì)量。

其三，控制生產(chǎn)成本。企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)的目的，主要在于獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在對新技術(shù)的應(yīng)用上，應(yīng)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(yīng)用此技術(shù)。

5? 結(jié)束語

總的來說，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，人們對汽車內(nèi)燃機(jī)的安全性、環(huán)保型、耐用性等方面提出了更好的要求。為此，作為內(nèi)燃機(jī)生產(chǎn)廠家，應(yīng)致力于內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)使用性能的提升，通過新材料的選用，新表面處理技術(shù)的研發(fā)，延長活塞環(huán)的使用壽命以及實(shí)用性能，使其能夠?qū)?nèi)燃機(jī)高速、高載的要求予以充分滿足，從而有效的推動(dòng)我國汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]薛茂權(quán)，黃之德，倪貴華，楊峰，王乾.活塞環(huán)表面處理及摩擦學(xué)性能研究進(jìn)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(huán)摩擦副表面性能強(qiáng)化研究進(jìn)展[J].表面技術(shù)，2019，48（008）：185-198.

[3]江仁埔，郭智威，饒響，等.表面織構(gòu)對缸套-活塞環(huán)摩擦學(xué)性能的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2018，036（005）：471-479.

[4]茆駿亞.活塞環(huán)表面處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2018，271（19）：56-57.

[5]崔建華，盛超立，劉根.內(nèi)燃機(jī)零部件不同表面處理膜層的耐磨性試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2020（002）：12，15.