汽車內(nèi)燃機(jī)活塞的表面防護(hù)與耐磨性能分析

張衛(wèi)偉

摘要：本文對汽車內(nèi)燃機(jī)活塞基本特性進(jìn)行分析，并對內(nèi)燃機(jī)活塞材料性能對汽車活塞帶來的影響加以闡述，進(jìn)一步探究提升汽車內(nèi)燃機(jī)活塞的表面防護(hù)效果與耐磨性能的方法，希望能為改善與優(yōu)化汽車內(nèi)燃機(jī)活塞性能及延長使用壽命提供有效建議。

關(guān)鍵詞：汽車內(nèi)燃機(jī);活塞;表面防護(hù);耐磨性能

中圖分類號：U463.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0069-02

0? 引言

汽車內(nèi)燃機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)性能持續(xù)提升因素影響下，促使內(nèi)燃機(jī)適用范圍得到擴(kuò)展，磨損是汽車內(nèi)燃機(jī)使用過程中常出現(xiàn)的問題，其磨損程度過于嚴(yán)重，不僅對汽車內(nèi)燃機(jī)正常功能使用造成不同程度影響，也難以保證汽車運(yùn)行穩(wěn)定與安全。如何有效提升汽車內(nèi)燃機(jī)活塞的表面防護(hù)效果與耐磨性能，是目前各相關(guān)人員需要考慮的問題。

1? 汽車內(nèi)燃機(jī)活塞基本特性

活塞頭部、活塞群部、活塞銷座是汽車內(nèi)燃機(jī)活塞主要構(gòu)成，處于正常狀態(tài)下的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，其內(nèi)燃機(jī)活塞配置會(huì)受到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境及具體要求影響，內(nèi)燃機(jī)活塞配置存在一定差異性。一般情況下，差異性主要集中在內(nèi)燃機(jī)活塞頭，一方面是內(nèi)燃機(jī)活塞頂部差異，為了能夠讓活塞適應(yīng)多種內(nèi)燃機(jī)較為惡劣的運(yùn)行環(huán)境，無特殊要求下，通常設(shè)計(jì)師會(huì)選擇以平頂或相似平頂?shù)脑O(shè)計(jì)方式對活塞進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用平頂設(shè)計(jì)后的活塞在實(shí)際使用過程中，能夠降低高溫氣體與活塞的接觸范圍，并在活塞平頂部位形成均勻分布的作用力;另一方面，基于平頂設(shè)計(jì)上更加復(fù)雜化的活塞形狀，即為環(huán)槽，將活塞環(huán)在環(huán)槽上安裝，其目的將混合氣體轉(zhuǎn)化為燃燒室所需氣體，促進(jìn)燃燒室內(nèi)燃燒率提升，同時(shí)也能夠起到降低爆破事故概率的作用[1]。舉例說明，使用過程中的活塞，經(jīng)常在凹槽處出現(xiàn)活塞頭部，進(jìn)而致使活塞出現(xiàn)漏氣問題，極易導(dǎo)致其他雜質(zhì)滲入活塞，影響燃燒室正常使用性能，并會(huì)縮減使用期限，降低汽車內(nèi)燃機(jī)整體使用性能?；诖?，為了延長汽車內(nèi)燃機(jī)活塞使用期限及保證使用中活塞密封性，既能避免活塞中滲入其他雜質(zhì)，又能有效提升活塞使用穩(wěn)定性，從而為汽車行駛提供安全保障。

2? 內(nèi)燃機(jī)活塞材料性能對汽車活塞帶來的影響

汽車內(nèi)燃機(jī)活塞在長期快速且高頻率工作狀態(tài)下，加上自身潤滑效果不到位，極易導(dǎo)致活塞磨損越來越嚴(yán)重，其中制成活塞的材料若是過于普通，不僅會(huì)降低活塞使用壽命，對汽車正常使用性能也會(huì)有著直接影響，難以保證汽車行駛安全與穩(wěn)定。從目前制作內(nèi)燃機(jī)活塞的材料來看，其種類繁多，在內(nèi)燃機(jī)活塞制作過程中使用新型復(fù)合材料，能夠?qū)⑸鲜鰡栴}有效解決?，F(xiàn)階段復(fù)合材料是大多數(shù)汽車制造廠商主要采用的活塞制作材料，此類型材料具有較強(qiáng)耐腐蝕、耐高溫、韌性高、抗磨損性等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，隨著內(nèi)燃機(jī)活塞穩(wěn)定性不斷變差，促使汽車內(nèi)容現(xiàn)象減小，隨著時(shí)間推移，加劇了汽車內(nèi)燃機(jī)活塞功能失效。

就汽車內(nèi)燃機(jī)活塞制作而言，除了需要使用新型復(fù)合材料以外，也要不斷調(diào)整與改進(jìn)活塞裙部形狀，有利于進(jìn)一步優(yōu)化汽車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，此方面情況需要給予重點(diǎn)關(guān)注。

3? 強(qiáng)化汽車內(nèi)燃機(jī)活塞表面防護(hù)效果及提升耐磨性能的有效方法

3.1 強(qiáng)化汽車內(nèi)燃機(jī)活塞表面防護(hù)效果的方法

高耐磨性能、高耐腐蝕性能及韌性是等離子Ti+N最為明顯的特征，為了改善汽車內(nèi)燃機(jī)活塞復(fù)合材料表面性能，可通過對等離子Ti+N進(jìn)行共滲處理，使其達(dá)到在汽車內(nèi)燃機(jī)活塞復(fù)合層形成具有一定厚度納米涂層，此涂層具有良好的致密性、均勻性，可促使汽車內(nèi)燃機(jī)活塞表面耐磨性、韌性、耐腐蝕性與摩擦副交互程度大幅度提升，有助于延長汽車內(nèi)燃機(jī)活塞使用壽命[2]。具體可參考以下幾點(diǎn)：

第一，在應(yīng)用等離子Ti+N共滲處理工藝對汽車內(nèi)燃機(jī)活塞復(fù)合表面性能進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)對汽車內(nèi)燃機(jī)活塞實(shí)際運(yùn)行情況精準(zhǔn)掌握，并對其綜合考慮，根據(jù)等離子Ti+N顆粒粒度、等離子Ti+N共滲層結(jié)構(gòu)、等離子Ti+N共滲配比等關(guān)鍵信息，在此基礎(chǔ)上評估經(jīng)等離子Ti+N共滲處理后汽車內(nèi)燃機(jī)活化塞并優(yōu)化。主要改善顆粒電泳性，并將最佳工藝參數(shù)獲得及專業(yè)工藝裝置制作作為此項(xiàng)工作核心，確保等離子Ti+N共滲處理工藝應(yīng)用效果。為了有效去除汽車內(nèi)燃機(jī)活塞表面油污與多余雜質(zhì)，可在應(yīng)用等離子Ti+N共滲處理工藝過程中，將汽車內(nèi)燃機(jī)活塞復(fù)合材料放在超聲波清洗池中進(jìn)行清洗，進(jìn)而保證汽車內(nèi)燃機(jī)活塞抗摩擦、抗磨損能力。

第二，將蓋板、心軸、專用哈呋等裝置在電鍍裝夾設(shè)備上，使其達(dá)到對汽車內(nèi)燃機(jī)活塞維持正圓狀態(tài)進(jìn)行控制的效果;利用賽璐璐填補(bǔ)汽車內(nèi)燃機(jī)活塞閉口縫隙，同時(shí)對封口位置、外圓面進(jìn)行清洗封口處理，從根本上確保等離子Ti+N共滲處理工藝應(yīng)用成效。

第三，在進(jìn)行等離子Ti+N共滲處理時(shí)，需要做好前期基礎(chǔ)性處理工作，噴砂處理汽車內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)，當(dāng)其內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面呈均勻灰色為最佳效果，待噴砂處理汽車內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)后，需要對汽車內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)用清潔水分進(jìn)行清潔，其目的將多余噴砂顆粒從汽車內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)復(fù)核表層去除。

第四，借助反向刻蝕作用，在處理槽中對汽車內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)應(yīng)用等離子Ti+N共滲處理工藝，處理槽內(nèi)部含有硫酸1.5g/L;連接電壓為4.5V;等離子Ti+N共滲處理時(shí)間為55s;反應(yīng)溫度為55.5℃。另外，待反向刻蝕處理完成后，為了進(jìn)一步提升后續(xù)等離子Ti+N共滲處理成效，在入復(fù)合液槽內(nèi)放入汽車內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)，采取重復(fù)電鍍處理。

3.2 提升汽車內(nèi)燃機(jī)活塞耐磨性能的方法

3.2.1 耐磨性能實(shí)驗(yàn)

為了充分了解汽車內(nèi)燃機(jī)活塞耐磨性能，將選取8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞作為本次實(shí)驗(yàn)對象，并在實(shí)驗(yàn)過程中記錄內(nèi)燃機(jī)活塞性能變化，便于后續(xù)分析。8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞主要化學(xué)成分參考表1。

通過利用電子顯微鏡觀察處理后的汽車內(nèi)燃機(jī)活塞表面復(fù)合材料樣品，并進(jìn)行組織分析。

對8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞等離子Ti+N進(jìn)行共滲實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先，需要對8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞材料組織進(jìn)行處理，將經(jīng)過行雙輝等離子Ti滲透處理的原8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞材料放置在滲透金屬槽內(nèi)，再次進(jìn)行等離子Ti+N共滲處理，其目的是為確保等離子Ti+N共滲層均勻分布;與此同時(shí)，對Ti離子進(jìn)行表面滲透時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員需要控制原8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞材料加熱溫度，時(shí)刻關(guān)注加熱溫度是否維持在845.0℃。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中實(shí)際情況，及時(shí)對加熱工件位置進(jìn)行調(diào)整，控制源端電壓為460～720V范圍內(nèi)，其中Ti離子滲透期間，實(shí)驗(yàn)人員需要將產(chǎn)生的放電氣壓控制在28.0Pa左右;兩極間距為14.0mm，兩極間氣體為純凈氬氣（由純凈氬氣與純凈NH3混合而成的氣體），純凈氬氣與純凈NH3氣體比例設(shè)置為3：2，待混合氣體通入后，氣壓應(yīng)保持在70Pa左右。650.0V、900.0V分別是工件加工電壓與源端電壓。實(shí)驗(yàn)人員要切記，滲透Ti離子過程中，需要維持好在純凈氬氣中、純凈氬氣與NH3混合氣體中得原溫度，其反應(yīng)時(shí)間設(shè)置為120.0min。待進(jìn)入冷卻環(huán)節(jié)時(shí)，需要控制制純凈氬氣環(huán)境中冷卻溫度，和室內(nèi)溫度保持一致[3]。

共滲處理完原8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞材料等離子Ti+N后，實(shí)驗(yàn)人員需要利用掃描電子顯微鏡分析共滲處理后的8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞材料等離子Ti+N模塊，主要包括活塞表面防護(hù)層截面組織、表面防護(hù)層形貌情況等。待分析完成后，為了精準(zhǔn)量測原8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞材料等離子Ti+N共滲處理后的表面復(fù)合區(qū)域成分，可選擇牛津能譜分析儀器進(jìn)行輔助，確保量測結(jié)果準(zhǔn)確。在維持設(shè)定好的室內(nèi)溫度基礎(chǔ)上進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)活塞摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

據(jù)表2上相關(guān)數(shù)據(jù)可知，基于相同摩擦磨損條件，汽車內(nèi)燃機(jī)活塞載荷顯示為12N、摩擦副為GCr15，對磨時(shí)間為18分鐘。通過分析汽車內(nèi)燃機(jī)活塞Ti-N共滲處理后的表面復(fù)合層能譜區(qū)域分布情況，得出原8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞材料表面復(fù)合層磨損痕跡產(chǎn)生變化，呈光滑分布狀態(tài)，從材料表面復(fù)合層磨損整體情況上來看，磨損痕跡分布較為平整，其磨損碎屑剝離情況并不明顯。從摩擦副磨損能譜情況的角度上分析，摩擦副具經(jīng)過磨損實(shí)驗(yàn)，其磨損痕跡比較突出，伴有大量磨損碎屑;磨損局部區(qū)域的碎屑附著情況較為明顯。

磨損溫度在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)階段一直出于一個(gè)較高區(qū)間內(nèi)，共滲處理后的原8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞材料等離子Ti+N，其Ti和N等元素均在摩擦副具內(nèi)存在，摩擦磨損階段其局部區(qū)域產(chǎn)生氧化反應(yīng);因此，堆積磨削氧化現(xiàn)象也在磨損階段的汽車內(nèi)燃機(jī)活塞材料表層局部區(qū)域出現(xiàn)?；钊鸗i-N共滲后的表面復(fù)合層能譜參考表2。

通過分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由此可知，經(jīng)過共滲處理等離子Ti+N，可使具有一定厚度的合金層在汽車內(nèi)燃機(jī)活塞基層上形成，測得合金層厚度約為12～16μm范圍區(qū)間。鑒于汽車內(nèi)燃機(jī)活塞基層合金層與基體界二者之間具有良好結(jié)合性，促使其表面有防護(hù)組織形成，其防護(hù)組織具有良好的致密性、均勻性。在逐步提升表面距離作用下，促使Cu元素含量在汽車內(nèi)燃機(jī)活塞表面逐漸增多，其中N元素含量下降較為明顯，B元素和N元素之間保持一致性的變化速率，Ti元素含量呈由上至下變化趨勢。

BeCu是汽車內(nèi)燃機(jī)活塞基礎(chǔ)材料主要物相，等離子Ti+N共滲處理后，汽車內(nèi)燃機(jī)活塞基礎(chǔ)材料除了原有BeCu以外，Ti+N在材料中明顯增加。相較于單一BeCu的基礎(chǔ)材料，由BeCu+Ti+N共同滲透基層，其磨損體積、抗磨損能力等表現(xiàn)均不如單一基礎(chǔ)材料，可說明汽車內(nèi)燃機(jī)活塞基礎(chǔ)材料等離子Ti+N共滲處理后，其活塞抗磨損、抗磨擦性能均有大幅度提升。雖然汽車內(nèi)燃機(jī)活塞在現(xiàn)階段具有良好的市場發(fā)展前景，但仍需持續(xù)加強(qiáng)內(nèi)燃機(jī)性能研究，實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)燃機(jī)與活塞完美銜接，盡可能降低使用中活塞磨損程度，確保活塞功能使用始終保持一個(gè)良好的狀態(tài)。

4? 結(jié)束語

綜上所述，內(nèi)燃機(jī)作為汽車重要組成設(shè)備，發(fā)揮著關(guān)鍵性功能作用，其內(nèi)燃機(jī)活塞磨損過于嚴(yán)重，降低汽車整體穩(wěn)定性同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一定安全威脅，通過改善與優(yōu)化汽車內(nèi)燃機(jī)活塞表面防護(hù)效果以及提升耐磨性，不僅有利于延長內(nèi)燃機(jī)使用期限，也能起到促進(jìn)汽車整體性能提升的作用，從而將活塞功能作用最大限度發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫艷，張二勇.汽車內(nèi)燃機(jī)活塞的表面防護(hù)與耐磨性能研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（09）：158-159.

[2]張子成.汽車內(nèi)燃機(jī)活塞的表面防護(hù)與耐磨性能探析[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2019（16）：235-236.

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