顏俊先　 潘江如　馬婕

摘 要：科技進(jìn)步帶來(lái)的各行業(yè)的飛速發(fā)展。隨著汽車(chē)數(shù)量的增多，汽車(chē)制造技術(shù)提升的同時(shí)，其成本也在相應(yīng)下降。在汽車(chē)的選擇上，人們普遍于對(duì)汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)有高性能要求，而活塞作為汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)的重要部件，起所處的環(huán)境比較復(fù)雜。通常會(huì)在工作中會(huì)出現(xiàn)交變的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。所以我們要想提升汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)壽命，就應(yīng)該首先對(duì)汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)的活塞進(jìn)行有效的表面防護(hù)和耐磨度提升。本文結(jié)合汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)活塞的基本結(jié)構(gòu)分析，對(duì)活塞表面防護(hù)及耐磨性進(jìn)行了性能的探析，以供參考。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī);活塞;表面防護(hù);耐磨

前言：汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)是汽車(chē)的重要部件，其性能的可靠性取決于總體的耐磨程度。這主要是因?yàn)槠?chē)內(nèi)燃機(jī)的零部件在長(zhǎng)期工作中會(huì)經(jīng)常處于磨損的狀態(tài)，一旦磨損嚴(yán)重，就會(huì)影響汽車(chē)使用的安全性和可靠性?；钊趦?nèi)燃機(jī)中是重要的磨損部件，如果活塞在運(yùn)動(dòng)中不能將吸收的熱量及時(shí)散發(fā)，就會(huì)使其自身熱度增強(qiáng)而降低其耐磨損性能，最終會(huì)出現(xiàn)拉缸或者活塞熱烈等嚴(yán)重事故。所以必須從重視汽車(chē)的使用壽命和安全性角度對(duì)汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)性能進(jìn)行良好的優(yōu)化。

1汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)的活塞基本結(jié)構(gòu)

活塞在結(jié)構(gòu)上主要由頂部、裙部和銷(xiāo)座三部分。汽車(chē)一旦發(fā)動(dòng)，活塞會(huì)根據(jù)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行啟動(dòng)工作，從而實(shí)現(xiàn)自身的配置優(yōu)化?；钊^的設(shè)計(jì)一般會(huì)以平頂或者接近平頂?shù)男问綖橹鳎@樣能夠確?；钊m用于不同的燃燒室。另外，通過(guò)平頂或者接近平頂?shù)脑O(shè)計(jì)能夠降低活塞與高溫氣體的接觸面積。活塞在頂端的設(shè)計(jì)還有一個(gè)較為復(fù)雜的環(huán)槽形狀，活塞環(huán)安裝到環(huán)槽之后，環(huán)槽主要是為了實(shí)現(xiàn)燃燒室內(nèi)混合氣體需求的滿足，提升燃燒率，降低燃爆率。活塞出現(xiàn)凹槽、漏氣以及其他雜質(zhì)都會(huì)進(jìn)入到燃燒室，這時(shí)為了確保密閉性，就要在環(huán)槽上安裝一個(gè)活塞環(huán)。整個(gè)活塞的裙部具有導(dǎo)向作用，確?；钊谠谶\(yùn)動(dòng)中處于垂直狀態(tài)。活塞裙部的形狀能夠?qū)崿F(xiàn)汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)活塞研究。最后就是活塞的銷(xiāo)座，他作為支撐結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了銷(xiāo)座與連桿的銜接。銷(xiāo)座與活塞不同心時(shí)，汽車(chē)發(fā)動(dòng)時(shí)的噪音就比較小。通過(guò)將活塞向缸壁稍稍偏移，就能夠降低活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)缸壁的敲擊。

1活塞材料選擇對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞耐磨影響分析

內(nèi)燃機(jī)上的活塞一旦運(yùn)動(dòng)速度較快，其高頻率的運(yùn)動(dòng)如果遇上不加的潤(rùn)滑，就會(huì)使接觸力點(diǎn)發(fā)生較大變化。所以如果使用普通的材料來(lái)制作活塞，那么活塞的耐用性強(qiáng)非常短暫。隨著材料科技的發(fā)展，目前應(yīng)用于活塞的材料主要是復(fù)合型材料。復(fù)合型材料耐高溫耐彈性，具有較強(qiáng)的耐磨性，所以在當(dāng)今通過(guò)對(duì)復(fù)合材料耐磨性的研究，有助于對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞性能的優(yōu)化。作為活塞主要部分的裙部可以確?；钊L(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)中的垂直狀態(tài)。所以裙部材料的性能要求也非常高。如何通過(guò)對(duì)裙部形狀的改變來(lái)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，也是設(shè)計(jì)人員高度重視的問(wèn)題。而對(duì)于而作為內(nèi)燃機(jī)重要結(jié)構(gòu)的活塞銷(xiāo)座，是將活塞與連桿連接的地方，這部分的材料研究也非常重要。在實(shí)際的汽車(chē)使用中，內(nèi)燃機(jī)相關(guān)的部件也會(huì)出現(xiàn)失效。這主要是由于活塞磨損嚴(yán)重而影響了內(nèi)燃機(jī)的性能。為此，我們可以通過(guò)，Ti-N共滲層的分析來(lái)提升內(nèi)燃機(jī)活塞的表面防護(hù)與耐磨性能。以下將從等離子Ti+N的共滲性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析。

2性能實(shí)驗(yàn)方法及所用的材料

2.1實(shí)驗(yàn)介紹

通過(guò)等離子Ti+N共滲透法汽實(shí)時(shí)，對(duì)汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)活塞所用材料進(jìn)行耐磨性能的分析和防護(hù)處理措施確定，目的是提升內(nèi)燃機(jī)活塞的防護(hù)與耐磨性能。

2.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

首先，先利用同一個(gè)金屬滲透爐將實(shí)驗(yàn)所用的基本材料以等離子滲Ti的形式進(jìn)行完全充分處理。Ti結(jié)束處理后再及時(shí)對(duì)其進(jìn)行Ti+N的共滲處理。這兩個(gè)過(guò)程都是以雙輝等離子進(jìn)行滲透的形式開(kāi)展的。其次，借助比較先進(jìn)的現(xiàn)代掃描儀對(duì)經(jīng)過(guò)共滲處理后的Ti+N材料做不同角度的分析，并對(duì)分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算，找出其中的成發(fā)分微區(qū)。最后，要對(duì)所實(shí)驗(yàn)的材料進(jìn)行物理成像的結(jié)果分析，這個(gè)過(guò)程中要借助先進(jìn)的x射線衍射儀器。但同時(shí)要注意的是，要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)過(guò)程的連續(xù)性觀察，能夠?qū)i+N經(jīng)過(guò)共滲處理后的材料通過(guò)對(duì)汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程材料受損的模擬操作來(lái)分析汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)活塞做往復(fù)性運(yùn)動(dòng)時(shí)其表面所產(chǎn)生的磨損情況，并對(duì)這些連續(xù)觀察的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和全方面分析。

3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和結(jié)果

通過(guò)以上的材料實(shí)驗(yàn)，我們結(jié)合內(nèi)燃機(jī)活塞表面在經(jīng)過(guò)了Ti與Ti+N共滲后的材料數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)共滲后的材料其氣孔已經(jīng)看不到，反而在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)泡狀。通過(guò)進(jìn)一步的精確測(cè)算推理得出，汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)活塞的表面大多都具有一層14μm厚的合金。合金層較為均勻的組織結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)與活塞基礎(chǔ)材料的完全貼合。再結(jié)合材料的物理及化學(xué)分析我們得出了結(jié)論：Cu元素成分含量與其表面的距離成正比關(guān)系。如何實(shí)現(xiàn)兩者之間的最優(yōu)比例優(yōu)化還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)算。而N、B兩種元素則與表面的距離呈現(xiàn)反比例關(guān)系。Ti元素在活塞表面材料的分布上隨著表面的距離增大會(huì)呈現(xiàn)先加后減的趨勢(shì)。BeCu是活塞基礎(chǔ)重要組成，他通過(guò)Ti+N的共滲處理后表面就形成了BeCu 與 TiN 的相吻合狀態(tài)，這充分說(shuō)明了汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)活塞材料中雙輝等離子在經(jīng)過(guò)供認(rèn)處理后形成了一個(gè)TiN 合金層。而這個(gè)合金層是影響活塞表面防護(hù)與性能的關(guān)鍵。同等條件下。Tr end和金屬層厚度。及寬度。都比內(nèi)燃機(jī)活塞的基礎(chǔ)材料磨很小。通過(guò)活塞表面經(jīng)過(guò)Ti與Ti+N共滲后所發(fā)生的變化來(lái)看，活塞表面的防護(hù)與耐磨性能因其汽車(chē)活塞表面經(jīng)過(guò)T2與TM的貢獻(xiàn)處理后合金層變得更加光滑，平整，而不會(huì)出現(xiàn)脫落，從而實(shí)現(xiàn)了內(nèi)燃機(jī)表面防護(hù)與耐磨性能的提升。

4提升汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)活塞表面的防護(hù)處理

為保證后續(xù)等離子 Ti+N 共滲處理效果，可在反向刻蝕處理之后，將汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)放入復(fù)合液槽內(nèi)進(jìn)行重復(fù)電鍍。即選擇 190 g/L 硫酸鎳、55 g/L 氯化鎳、35 g/L 硼酸、1.5 g/L 納米碳、0.25 g/L 無(wú)機(jī)分散劑、35 g/L 亞磷酸等物質(zhì) [2] ?？刂茝?fù)合液槽內(nèi)酸堿值為 1.5～1.7，溫度在（55～65）℃，脈寬在 2.0 ms，平均電。后，以反向刻蝕的方式，將汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)放入等離子Ti+N 共滲處理槽中。等離子 Ti+N 共滲處理槽內(nèi)有硫酸 1.5 g/L。同時(shí)連接 4.5 V 電壓，控制汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)在等離子 Ti+N 共滲處理槽內(nèi)反應(yīng)時(shí)間在 55 s 左右，反應(yīng)溫度在 55.5 ℃左右。等離子 Ti+N 具有高耐磨性能、高耐腐蝕性能、良好的自潤(rùn)滑納米增強(qiáng)相及韌性。通過(guò)等離子 Ti+N 共滲處理對(duì)汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)活塞復(fù)合表面進(jìn)行改性處理，可在汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)活塞復(fù)合層形成致密、均勻鑲嵌的納米涂層，從而進(jìn)一步提高汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)活塞表面耐磨性、韌性、耐腐蝕性及與摩擦副的交互程度，進(jìn)而提高汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)活塞應(yīng)用年限。

5結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，汽車(chē)制造業(yè)也面臨著激烈的競(jìng)爭(zhēng)。通過(guò)提升汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)活塞的表面耐磨性以及防護(hù)性能，能夠使企業(yè)在當(dāng)今的發(fā)展中處于優(yōu)勢(shì)技術(shù)力量。通過(guò)提升汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)活塞表面的防腐與耐磨，可以降低汽車(chē)運(yùn)行中的噪音，容易贏得氣消費(fèi)者的信賴和認(rèn)可。而這些性能的改變，將會(huì)給汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)一個(gè)全新的發(fā)展機(jī)遇。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬素娟，田榮.不同表面處理工藝對(duì)汽車(chē)零部件用20CrMnTi鋼耐磨損性能的影響[J].鑄造技術(shù)藝，2015，36（7）：1706-1710.

[2]姚遠(yuǎn).汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)活塞的表面防護(hù)與耐磨性能[J].汽車(chē)與駕駛維修（維修版），2018（04）：150.

[3]于江江，杜超博.汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)活塞的表面防護(hù)與耐磨性能研究[J].鑄造技術(shù)，2017，38（06）：1352-1355.