機械材料中內(nèi)燃機活塞材料的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

連亞宣

摘要：現(xiàn)如今內(nèi)燃機是機械材料中不可缺失的一部分，大多數(shù)行業(yè)和產(chǎn)品的生產(chǎn)的動力都需要內(nèi)燃機提供，內(nèi)燃機的組成結構其實一點都不復雜，為保證內(nèi)燃機正常工作，作為核心部件活塞是最不可缺少的。直接影響內(nèi)燃機壽命的就是活塞的性能。截至目前，我國現(xiàn)有的內(nèi)燃機活塞材料多種多樣，研究人員還在不斷的進行現(xiàn)有材料的改進和新材料的研發(fā)。

關鍵詞：機械材料;內(nèi)燃機活塞;發(fā)展現(xiàn)狀;展望

0? 引言

眾所周知，內(nèi)燃機將向高效率、高承載力、高速、高使用年限方向發(fā)展，對活塞材料的耐久性提出更高的要求。但是隨著石油資源的不斷消耗，政府和財務部對內(nèi)燃機的燃用使用的關注度不斷提高。除此之外，由于人們環(huán)保意識的不斷提高，各國政府出臺了一系列相應法規(guī)。

1? 活塞材料性能

在工作中活塞常處于高溫、高壓的環(huán)境下工作，這就要求活塞材料具有足夠的重量與質量，借此保證活塞的最小慣性[1]。活塞材料的導熱性強，高溫高壓環(huán)境下具備耐腐蝕性和極強的散熱能力。兩個活塞工作時應具有較小的摩擦。隨著溫度的變化，活塞的尺寸與形狀都要相應變小，相對重量小，且有極強的耐熱性。

2? 應用活塞的材料現(xiàn)狀

2.1 鑄鐵材料應用現(xiàn)狀? 鑄鐵材料是內(nèi)燃機活塞的鑄造過程中最早被使用的，鑄鐵材料最大的優(yōu)勢即耐高溫，在高溫工作環(huán)境下仍然具備極強的強度。由于鑄鐵材料的相對質量太大，適用范圍有一定限制[2]。目前鑄鐵活塞主要應用在艦船等大功率發(fā)動機上。

2.2 鋼材料的應用現(xiàn)狀? 鑄鋼材料在高溫環(huán)境下具有一定的耐磨性與耐腐蝕性，相對于鑄鐵材料具備較高的高溫性。但是由于鑄鋼材料的相對密度較大、加工工藝繁瑣、材料成本較高，這也在一定程度上限制了鑄鋼材料的發(fā)展，在實際生活生產(chǎn)中全鑄鋼材料更是很少被應用，現(xiàn)如今這種材料的活塞已經(jīng)應用在了低速發(fā)動機上。

2.3 鋁合金材料的應用現(xiàn)狀? 相對于鑄鋼材料和鑄鐵材料而言，鋁合金材料有很大的改進。鋁合金材料質量較低、體積較小，在使用范圍上受限較小。在大多數(shù)行業(yè)的生產(chǎn)中，鑄鋼材料和鑄鐵材料早已不適用，更多時候使用的是鋁合金材料。多元合金材料大多應用在鋁合金中，這種材料的活塞在一定程度上可以延長其使用年限。但是鋁合金的高溫耐熱性較低，所以專業(yè)人員在進行鋁合金材料的研究后，在其中加入了更多強化元素。因為鋁合金材料的耐高溫性強、密度小，相對比較輕便。雖然鋁合金材料在各個行業(yè)中皆以運用，但是隨著時代的發(fā)展和科技的進步，鋁合金材料還是存在較多不足，逐漸有新材料出現(xiàn)。

2.4 鋁基復合材料的應用現(xiàn)狀? 研究人員在進行研究時，為改變活塞的相對耐磨性與耐腐蝕性，利用復合型技術對鋁材料進行相對技術改進。目前市面上的復合材料大致有三種，分別為鋁基復合材料、鋁鎂復合材料和碳復合材料。其中鋁基復合材料具備耐磨性強，耐高溫的特點;鋁鎂復合材料即是在鎂基合金中加入顆粒等增強體材料，也具備一定的耐高溫性和耐磨性;碳復合材料相比于前面兩者具有導熱性快，潤滑性強，耐磨性低的特點[3]。這三種材料的成本都相對較低，具有耐高溫和耐腐蝕性，它們都可以是較好的活塞材料。

2.5 陶瓷材料的應用現(xiàn)狀? 陶瓷是多種氧化物、碳化物等無機非金屬材料的統(tǒng)稱。具備質量輕、耐磨性強、隔熱性強等優(yōu)點。陶瓷活塞具有以下優(yōu)點：①隔熱性強，降低油耗，取消冷卻系統(tǒng)，回收廢氣;②降低柴油機活塞工作時的溫度;③改變廢氣排放方式。但是純陶瓷具有延展性低、脆性大等方面的缺點?，F(xiàn)如今，全陶瓷活塞還沒有在內(nèi)燃機加以應用，但是在特定發(fā)動機上得以運用。

2.6 陶瓷、金屬梯度材料的應用現(xiàn)狀? 采用等離子化學其相對沉積技術后，在活塞表面滲透碳化硼和碳化硅后，在零件表面陶瓷隨即衍變成金屬梯度功能材料，這種技術可以在梯度方向特定要求上使材料的力學性能發(fā)生改變。這種材料在一定程度上可以有效降低零件表面的摩擦，增強零件的耐腐蝕性，這種材料耐久性強，現(xiàn)如今已經(jīng)被應用在發(fā)動機上。

2.7 碳材料的應用現(xiàn)狀? 現(xiàn)如今，碳材料是一種相對先進的復合材料，在航空航天等領域成功應用，在民用領域具有開闊地應用前景，具備和石墨材料所具有的一切性能外，還具有相對較高的力學性。

碳材料及其復合材料除了性能相對優(yōu)良外，造價成本相對較低。研究學者研究得知，如果碳材料及其復合材料活塞生產(chǎn)量達到十萬級量產(chǎn)規(guī)模，相對每件活塞的成本也就相對提升。如果將活塞的量產(chǎn)規(guī)模擴大到百萬件，則每件活塞人工的成本就會相比于之前有所降低。但是鋁合金活塞材料相比之下不會降低，以此可以看出碳材料及其碳復合材料活塞的應用前景十分明朗。

3? 應用狀況

3.1 電鍍鐒? 為提高其使用年限和使用壽命，能明顯改善鍍鉻層活塞環(huán)的耐磨性。因為鍍烙層組織小，結構密度大，雜質含量低，具有較強的耐腐蝕性，摩擦系數(shù)較低?？梢灾苯釉诨钊h(huán)鍍鉻后進行陽極松孔化，深化鍍烙層上本來就有的網(wǎng)狀裂紋，從而提高鍍化層潤滑油的存儲量。但是由于鍍化層相對脆性大，容易發(fā)生脫落現(xiàn)象。除此之外，由于電烙鍍在制作工藝上耗能大，具有較強的毒性，即便是采取相對措施，也在很大程度上對人體和環(huán)境造成很大危害，還會加劇磨損。所以這種工藝相對在很多國家均被禁止，國內(nèi)的生產(chǎn)也逐漸取消了這種工藝的運用。

3.2 表面氮化處理? 氮化處理技術多以經(jīng)濟可靠著稱，對環(huán)境具有一定友好型，近年來得到了國內(nèi)外業(yè)界廣泛關注。大多數(shù)發(fā)達國家在近年來，已經(jīng)在活塞環(huán)上對氮化處理技術成功應用，借此工藝取代了對環(huán)境具有很大污染性的鍍烙工藝，在我國這種工藝也被很多企業(yè)加以開發(fā)與研究。氮化處理主要以氣體氮化、鹽浴氮化、離子氮化等3種方式存在。其中氣體氮化主要以馬氏體不銹鋼材料處理為主，馬氏體不銹鋼活塞環(huán)在國內(nèi)外均采用這種技術;奧氏體不銹鋼活塞環(huán)處理則大多采用鹽浴氮化技術，其優(yōu)勢在于成本相對較低、生產(chǎn)效率高等，有毒污染物也在很大程度上得到削弱;相較于氣體氮化和鹽浴氮化，離子氮化具有成本高效率低的缺點。但是由于離子相對體積較小，可以單方面氮化活塞表面和外周面，避免活塞內(nèi)槽磨損，對活塞密封度有利，但是由于滲透厚度相對較低，不能滿足大功率大電機的需求。

3.3 PVC、CVD鍍膜處理? PVD鍍膜主要是利用tin鍍膜在活塞表面形成沉積而得名，西方發(fā)達國家早在20年代末就加以使用并達到量產(chǎn)化，此外還出現(xiàn)了很多新興技術，例如PCVD、PECVD。事實證明，bn、sin等陶瓷薄膜可以在一定程度上提升內(nèi)膜壁的耐磨性，減少相對摩擦系數(shù)。但是由于制作薄膜的成本較高，厚度也相對較低，很大程度上不能滿足高燃內(nèi)燃機的需求。除此之外，由于制作工藝繁瑣，且只能在整體上進行沉積，產(chǎn)生薄膜，且造價高昂，在一定程度上限制了鍍膜活塞的廣泛推廣和應用。

3.4 熱噴涂鉬涂層? 顧名思義，熱淚鍍層即采用高溫噴涂等制作工藝，將mo元素噴涂在活塞環(huán)表面，其具有保護氣缸套、耐磨性強等特點，也具備良好的儲油能力。但是，mo涂層活塞在一定程度上磨損程度較大，高溫高壓下易產(chǎn)生氧化脫落現(xiàn)象，在缺少潤滑油的情況下，相對磨損程度更大，不能滿足發(fā)展需求。

3.5 等離子噴涂陶瓷涂層? 截止目前，國內(nèi)外研究人員在等離子噴涂陶瓷涂層活塞環(huán)研究上已經(jīng)是一大熱點之一。因為陶瓷材料自身硬度強、耐熱性強、耐傷性強等方面的優(yōu)勢。既不會引起活塞環(huán)的變形，又能夠在活塞環(huán)表面制備出摩擦磨損性能優(yōu)越的陶瓷涂層，而且涂層的厚度較厚，能夠滿足高載荷發(fā)動機的承載要求。研究表明，與鑄鐵環(huán)相比，等離子噴涂的涂層使活塞組的摩擦減少30%，燃料消耗減少大約3%，機油的消耗減少50%，磨損速率極低，每小時僅幾個納米。陶瓷涂層活塞環(huán)在國外發(fā)展很快，美國、日本和德國都有陶瓷涂層活塞環(huán)專利。在活塞表面運用等離子陶瓷噴涂技術在未來的應用前景十分開闊，在未來，隨著節(jié)能減排、經(jīng)濟可循環(huán)利用的活塞表面處理技術將會更多的加以運用。

4? 降低摩擦消耗

降低活塞系統(tǒng)的摩擦對降低燃油耗有三種直接性幫助：

第一種：減小活塞接觸面積。在工作過程中活塞直接大面積與缸套發(fā)生相對摩擦。減少接觸面積，不僅在很大程度上可以降低活塞摩擦損耗程度，更能降低活塞本身的相對重量[4]。也是目前研究人員對活塞結構研究的主要方向，但是優(yōu)于活塞接觸面積相對較小，很容易導致壓力增大，導致一系列高風險問題出現(xiàn)，所以急需找到一個相對臨界值。

第二種：同時具備耐磨性和低摩擦性涂層。在工作時活塞中部直接接觸缸套，產(chǎn)生摩擦，而耐磨性涂層可以直接降低工作時產(chǎn)生的相對摩擦功，降低安全風險。現(xiàn)在的生產(chǎn)中大多采用石墨涂層混合粘結劑作為活塞涂層，但是使用壽命不足以覆蓋整個結構的使用壽命，在基礎階段的磨合時就基本上被磨損殆盡了，隨著主對耐磨降摩的要求進一步提高，對涂層性能也相對提出了更高的要求，不僅要求進一步降摩擦、且耐磨損性能要達到可覆蓋內(nèi)燃機整個生命周期。

第三種：增加間隙。截至目前，汽油發(fā)動機大多采用缸體加鑄鐵缸套。膨脹程度大約是鋁合金的3倍不止[5]。活塞與缸套之間的縫隙在工作過程中相對變小，甚至超過規(guī)定范圍，進一步加深對活塞和缸套的損耗。但是增大相對縫隙則可以有效較低磨損，提高內(nèi)燃機和活塞的使用壽命，更能相對降噪。目前借助二階運動可以在很大程度上實現(xiàn)降低噪音的目的。

5? 對活塞材料發(fā)展的展望

現(xiàn)如今，隨著勞動方式的改變，機械行業(yè)的主要研究方向主要是內(nèi)燃機材料的選擇與新材料的研發(fā)。在某種意義上對內(nèi)燃機的需求就會相應改變。為減少成本，盡可能的延長使用壽命，降低能量損耗也就是重中之重。在實際應用中，內(nèi)燃機活塞材料的市場發(fā)展前景逐漸向好。作為內(nèi)燃機結構的主要部件，在進行科學的研究后，才能更大程度上增強活塞性能。因為國家環(huán)境的發(fā)展目標是節(jié)能減排，為順應發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)材料不再具備很大的市場比重，復合型材料和陶瓷材料前景可觀，但是還存在一系列問題，但是隨著科技的進步，未來內(nèi)燃機活塞材料發(fā)展還是非常明朗的?，F(xiàn)如今，內(nèi)燃機活塞材料種類多種多樣。但是這些材料必須同時具備較高的耐高溫性、耐磨性，以及相對條件下的耐受性。只有這樣才能極大程度上保證活塞材料的使用年限。雖然現(xiàn)在傳統(tǒng)材料還是占據(jù)較大面積的市場，但是在不久的將來，新型材料勢必會取代傳統(tǒng)材料。

6? 結語

隨著資源的相對緊張化和節(jié)能減排理念的提出，復合材料的未來發(fā)展前景一片向好。只有改變活塞材料，才能從根本上解決消耗大、隱患危險系數(shù)高等風險，也可以對科學、進步和生產(chǎn)水平提高起到很大程度的幫助，內(nèi)燃機活塞材料改革勢在必行，更順應了大時代的發(fā)展。

參考文獻：

[1]郭國慶，謝敬佩，等.內(nèi)燃機活塞材料及其相關技術[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2015（3）.

[2]陳剛，賀躍輝，等.發(fā)動機活塞和缸套材料及其加工工藝研究現(xiàn)狀[J].粉末冶金材料科學與工程，2017（8）.

[3]湯春峰，曲選輝，段柏華.內(nèi)燃機活塞環(huán)材料及其表面處理[J].內(nèi)燃機配件，2017（05）.

[4]賴華清.活塞材料的應用及發(fā)展[J].上海汽車，2015（12）.

[5]納微米混雜增強鋁基復合材料及其應用[J].西安工業(yè)大學學報，2019（2）.