汽車內(nèi)燃機活塞的表面防護與耐磨性能研究

孫艷 張二勇

摘要：從21世紀以來，我國在各個領(lǐng)域上都取得較大的成就，汽車行業(yè)也因此得到快速發(fā)展，在不斷提升制造技術(shù)的基礎(chǔ)上成本也在不斷降低，汽車銷售價格下降，這樣的條件下，促使更多人們采購汽車。就目前而言，人們對汽車的性能要求越來越高，更加重視汽車內(nèi)燃機使用性能。而活塞是內(nèi)燃機中一個重要的部件，一般會承載機械熱負荷和負荷，具有十分復雜的工作環(huán)境，為此要想有效提升汽車使用年限，提升活塞工作性能是很有必要的。本文將對活塞表面耐磨損和防護進行分析，主要研究其特征和產(chǎn)生的影響以及優(yōu)化實驗，僅供參考。

Abstract： Since the 21st century， my country has made great achievements in various fields， and the automobile industry has also developed rapidly. On the basis of continuous improvement of manufacturing technology， costs have also been continuously reduced， and automobile sales prices have fallen. Under such conditions ， To encourage more people to buy cars. At present， people have higher and higher requirements for the performance of automobiles， and pay more attention to the performance of automobile internal combustion engines. The piston is an important part of the internal combustion engine， which generally bears mechanical thermal load and load， and has a very complicated working environment. Therefore， in order to effectively improve the service life of the car， it is necessary to improve the working performance of the piston. This article will analyze the wear resistance and protection of the piston surface， mainly study its characteristics and effects， as well as optimization experiments， for reference only.

關(guān)鍵詞：汽車內(nèi)燃機;活塞;表面防護;耐磨性能

Key words： automobile internal combustion engine;piston;surface protection;wear resistance

中圖分類號：U464 ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0158-02

0 ?引言

在發(fā)動機性能持續(xù)提高的情況下，汽車內(nèi)燃機使用范圍也越來越大。在汽車內(nèi)燃機使用的過程中，磨損是主要影響其使用壽命的因素。若是內(nèi)燃機部件出現(xiàn)了磨損的問題，不僅會影響其正常使用功能，同時對汽車整體穩(wěn)定性和安全性也具有較大影響。在汽車使用中活塞是產(chǎn)生磨損量最大的一個部件，產(chǎn)生這種問題主要是由于內(nèi)燃機中活塞出現(xiàn)了一定的磨損，運行中導致內(nèi)燃機中活塞一味地吸收熱量，并且熱量得不到及時散發(fā)，導致活塞熱強度下降，從而引發(fā)活塞熱裂問題，同時在這樣的情況下，內(nèi)燃機中拉缸部件影響也比較大，存在這破裂的隱患，為汽車使用帶來巨大的安全風險。

1 ?內(nèi)燃機活塞特征

一般情況下汽車內(nèi)燃機活塞主要由三部分內(nèi)容組成，活塞頭部、活塞群部、活塞銷座，汽車發(fā)動機在正常情況下開始工作時，一般都會根據(jù)發(fā)動機工作環(huán)境和要求，內(nèi)燃機活塞也呈現(xiàn)出不同的配置。各個內(nèi)燃機活塞頭之間的區(qū)別一般有兩個部分，一部分是內(nèi)燃機活塞的頂部區(qū)別，設計師在進行設計時一般采用平頂或者與之相似的平頂設計，這種活塞能夠適應多種內(nèi)燃機的苛刻環(huán)境。另外，在使用過程中，采用平頂設計能夠降低與高溫氣體活塞接觸面積，并且產(chǎn)生的作用力在活塞平頂部位可以均勻分布。另一部分，類似平頂設計的活塞形狀上比較復雜，屬于一種環(huán)槽，主要是因為需要在環(huán)槽上面安裝活塞環(huán)，這樣設計的目的在于促使燃燒室中的混合氣體能夠轉(zhuǎn)換成所需要的氣體，這樣的環(huán)境中有利于提高燃燒室內(nèi)燃燒率，同時也能夠有效的降低發(fā)生爆破的幾率。例如，活塞在使用中頭部經(jīng)常會出現(xiàn)在凹槽，這樣就會導致活塞漏氣的情況，同時也會給其他物質(zhì)滲入的機會，比如說機油則會順著凹槽進入燃燒室，這樣就會大大縮減燃燒室的使用壽命，導致內(nèi)燃機使用性能減弱。因此，要想有效的提升活塞使用壽命，必然需要保證活塞在使用中的密封度，只有良好的密封性，才能夠防止其他物質(zhì)進入活塞，進而保證活塞的使用安全性和穩(wěn)定性，可在環(huán)槽上增加活塞環(huán)來實現(xiàn)。

2 ?內(nèi)燃機活塞選擇的材料對汽車活塞產(chǎn)生的影響

活塞在內(nèi)燃機內(nèi)氣缸中工作具有速度快、頻率高等特點，同時具有潤滑效果存在不良、接觸壓力變化較快的特征。內(nèi)燃機的活塞制作材料如果是選擇普通材料來完成，就會降低活塞使用時間，同時也會降低汽車正常使用性能，進而縮短汽車使用的壽命。然而就目前活塞制作材料而言，種類比較多，其中新型復合材料可以有效的解決上述問題，但是在汽車內(nèi)燃機活塞制作中，多數(shù)汽車制造廠家選用復合材料，主要是因為復合材料具有較強的耐高溫性、抗疲勞、抗斷能力高、韌度高、彈性強、抗腐蝕及磨損性能強的特點。同樣，活塞的不穩(wěn)定性不斷增加，汽車內(nèi)燃現(xiàn)象就會不斷縮小，這樣的情況下，汽車活塞發(fā)生失效的可能性就會逐漸增加。對汽車內(nèi)燃機活塞的制作來說，選擇符合材料是再合適不過的了，因此深入研究汽車內(nèi)燃機活塞性能與活塞選擇的復合材料之間的關(guān)系具有重要意義。在活塞結(jié)構(gòu)中，下端被稱之為活塞裙部，這個部位具有導向的作用，導向作用也就是說活塞可以在正常運動的過程中依然可以保持垂直狀態(tài)，正是具有這個導向作用，對活塞裙部制作要求比較高。再加上現(xiàn)如今，隨著汽車行業(yè)的普及，人們對汽車的要求也在不斷提升，在人們需求越來越高的情況下，設計師對發(fā)動機結(jié)構(gòu)平穩(wěn)運行更加重視，因此，通過改變活塞裙部形狀來優(yōu)化發(fā)動機結(jié)構(gòu)也是值得十分關(guān)注的一個問題。此外，在汽車內(nèi)燃機活塞裙部位置上方具有一個活塞銷座，這個銷座在整個活塞結(jié)構(gòu)中具有十分重要的作用，這個活塞銷座具有支撐作用，可以將活塞銷和連桿連接部位支撐起來。

3 ?簡述如何提高內(nèi)燃機活塞表面防護以及耐磨能力

隨著社會發(fā)展，國民經(jīng)濟不斷提升，幾乎每一個家庭具有一輛小汽車作為代步工具，小汽車為人們的出行帶來巨大的便利，同時也為人們帶來一定為危險。在小汽車中內(nèi)燃機是一個重要的結(jié)構(gòu)，而影響內(nèi)燃機性能的一個主要部件就是活塞，活塞部件對內(nèi)燃機正常運作起到重要作用。因此，汽車制造商在制作汽車部件時，不斷引進、借鑒發(fā)達國家先進科學技術(shù)，我國針對內(nèi)燃機活塞表面防護和耐磨性方面不斷提升研發(fā)力度，針對這一點，科學家們持續(xù)創(chuàng)新采用鋁合金來作為活塞制作材料，同時降低重力澆鑄環(huán)節(jié)中存在的缺陷，這種方式對汽車內(nèi)燃機活塞性能確實具有提升的作用，然而，科學家的目標是通過改變活塞基體組織的方式來提升其性能，上述內(nèi)容距離科學家研究目標人有一段距離。

現(xiàn)階段汽車內(nèi)燃機活塞主要存在的現(xiàn)狀有強度問題、導熱性能問題、磨損問題，針對這些問題各個國家的學者、科學家、專家、技術(shù)人員等都研究同一個理念，那就是利用液態(tài)鋁合金作為材料，通過壓鑄和擠壓的方式來制作內(nèi)燃機活賽，以此提升的內(nèi)燃機活塞磨損、強度、導熱性能等性能。通過文獻可知，壓鑄和擠壓這種生產(chǎn)工藝制作出的鋁合金零件厚度只能是在3-16mm之間，每個零件斷面制作厚度一般在16mm以下，比值都是在2.5倍以下。內(nèi)燃機中鋁活塞每個部位為了能夠適應各種不同的內(nèi)燃機型，其厚度通常在16mm以下，鋁活塞中具有三個比較重要的部位，其斷面厚度也是在2.5倍之上，由于液態(tài)鋁合金在壓模工藝中冷卻時間比較快，促使活塞中三個重要部位厚度不一致，進而導致活塞在擠壓和壓鑄環(huán)節(jié)中存在著一點氣孔，并且更大。就目前而言，這種實驗成果還需要跟進一步研發(fā)，針對活塞表面耐磨功效和防護并沒有較高的改善和優(yōu)化。汽車內(nèi)燃機的使用范圍越來越廣泛，充分體驗出了內(nèi)燃機具有的很多優(yōu)勢，內(nèi)燃機在實際使用中，經(jīng)常出現(xiàn)相關(guān)零部件失去功效的情況，產(chǎn)生這種問題主要是因為內(nèi)燃機活塞長時間磨損導致的，對內(nèi)燃機產(chǎn)生的影響比較大。在此基礎(chǔ)上，要想不斷創(chuàng)新，將離子Ti+N進行滲透，經(jīng)過大量實驗可知Ti-N共滲層有較高的磨損性能，可以有效的提升汽車內(nèi)燃機活塞耐磨性，下面將對Ti+N共滲實驗方式和實驗過程進行詳細分析。

3.1 等離子Ti+N實驗方法和實驗選擇的材料

本次試驗主要目標是為了提升內(nèi)燃機中活塞部件表面耐磨性以及防護處理，選用等離子Ti+N共滲方式進行實驗。實驗方法主要有以下三個步驟：第一，選用滲金金屬爐，在同一個爐子中將基本材料和Ti離子進行充分的滲透，在處理完Ti離子滲透工序以后進行Ti和N離子共滲的處理工藝，這兩個制作環(huán)節(jié)得到實現(xiàn)，主要是利用雙輝等離子滲透方法得以完成。第二，充分運用現(xiàn)代掃描儀科學設備，對Ti+N共滲材料進行掃描，實施全面性的分析研究，采集相關(guān)測算數(shù)據(jù)，找到存在區(qū)別的成分。第三，運用X射線設備，根據(jù)物理成像結(jié)果進行深入分析，對經(jīng)過處理以后的Ti+N共滲材料在使用過程中連續(xù)觀察，主要觀察這種材料制作的活塞在內(nèi)燃機正常運動下，活塞表明磨損情況，并做好觀察記錄。

3.2 深入分析上述實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)

通過上述實驗可知，經(jīng)過處理的Ti與Ti+N共滲材料制作出來的內(nèi)燃機活塞與未經(jīng)過處理制作出來的活塞相多比，經(jīng)過前者制作的活塞表面明顯沒有氣孔，但是存在著一些泡狀現(xiàn)狀， 經(jīng)過精準測量可以得到在汽車內(nèi)燃機活塞表面材質(zhì)上具有厚度為14μm的合金材質(zhì)，并且這個合金層分布較為均勻，能夠完全適應內(nèi)燃機活塞制作需求，通過對表面合金層相鄰的區(qū)域進行化學方法及物理方法分析，可以得到的結(jié)論是，相鄰區(qū)域中Cu元素的含量和距表面遠近成正比，目前還沒有二者之間的比例關(guān)系式，仍需要進行跟深入的實驗計算出來。與表面距離成反比的元素是N、B兩種元素，Ti元素的含量則是根據(jù)表面距離加大，呈現(xiàn)出先增加后減少現(xiàn)狀。

汽車內(nèi)燃機中活塞部件主要組成元素就是BeCu，這兩種元素經(jīng)過Ti+N共滲工藝加工以后，在活塞表面上就形成了一種的Ti+N和BeCu相混合的物質(zhì)，也就是說經(jīng)過等離子共滲工藝處理以后內(nèi)燃機活塞表面材質(zhì)是由TiN合金層組成的，在活塞表面上存在的這種合金層起到的耐磨和防護的作用。這種活塞只有在磨損達到355μm直徑的時候，才會出現(xiàn)磨損屑，并且在活塞部分表面上能夠看到相應磨損特性，在同樣的條件下，TiN合金層與傳統(tǒng)活塞使用的材質(zhì)在磨痕方面上具有較高的優(yōu)勢，其磨痕無論是深度還是寬度都比較低。通過對內(nèi)燃機活塞表面的觀察，經(jīng)過Ti和Ti+N共滲工藝處理以后表面耐磨性能更高，由此可知能夠有效提高活塞表面耐磨性和防護能力主要是通過Ti和Ti+N共滲工藝形成一層合金層，在這種合金層即使經(jīng)過大量的摩擦也不會脫漏，產(chǎn)生的磨痕也是比較光滑平整，進而提升活塞表面功能，促使活塞使用壽命得以延長。

4 ?結(jié)論

綜上所述，汽車在使用的過程中內(nèi)燃機具有重要的作用，并且在內(nèi)燃機活塞的作用也比較大，活塞的耐磨性和表面防護對于內(nèi)燃機使用壽命起到關(guān)鍵性作用。這兩點內(nèi)容也是設計師需要重點考慮的問題，有效的提升活塞耐磨性可以降低相應阻力，可以從整體上提升汽車使用性能，并且也具有降低噪音的效果，這也是活塞在市場中能夠站穩(wěn)腳步的因素。因此還需要加大內(nèi)燃機的研發(fā)力度，促使內(nèi)燃機和活塞之間能夠完美適應，將功效充分發(fā)揮出來，讓人們在使用過程中更具有穩(wěn)定性和安全性。若是在此基礎(chǔ)上促使活塞功能更加良好，能夠充分滿足汽車的需求，那么這將是汽車行業(yè)的一次創(chuàng)新發(fā)展。

參考文獻：

[1]王浩權(quán).汽車內(nèi)燃機活塞表面防護及耐磨性能分析[J].設備管理與維修，2019（04）：163-165.

[2]李展望.汽車內(nèi)燃機活塞的表面防護與耐磨性能[J].內(nèi)燃機與配件，2019（03）：35-36.

[3]褚福利.探究汽車內(nèi)燃機活塞的表面防護與耐磨性能[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018（36）：225.

[4]姚遠.汽車內(nèi)燃機活塞的表面防護與耐磨性能[J].汽車與駕駛維修（維修版），2018（04）：150.

作者簡介：孫艷（1982-），女，江蘇連云港人，本科，講師，研究方向為機械和汽車維修。