孫艷 張二勇

摘要：從21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)在各個(gè)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(jià)格下降，這樣的條件下，促使更多人們采購(gòu)汽車。就目前而言，人們對(duì)汽車的性能要求越來(lái)越高，更加重視汽車內(nèi)燃機(jī)使用性能。而活塞是內(nèi)燃機(jī)中一個(gè)重要的部件，一般會(huì)承載機(jī)械熱負(fù)荷和負(fù)荷，具有十分復(fù)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(duì)活塞表面耐磨損和防護(hù)進(jìn)行分析，主要研究其特征和產(chǎn)生的影響以及優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，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(jī);活塞;表面防護(hù);耐磨性能

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

中圖分類號(hào)：U464 ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）09-0158-02

0 ?引言

在發(fā)動(dòng)機(jī)性能持續(xù)提高的情況下，汽車內(nèi)燃機(jī)使用范圍也越來(lái)越大。在汽車內(nèi)燃機(jī)使用的過(guò)程中，磨損是主要影響其使用壽命的因素。若是內(nèi)燃機(jī)部件出現(xiàn)了磨損的問(wèn)題，不僅會(huì)影響其正常使用功能，同時(shí)對(duì)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(gè)部件，產(chǎn)生這種問(wèn)題主要是由于內(nèi)燃機(jī)中活塞出現(xiàn)了一定的磨損，運(yùn)行中導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)中活塞一味地吸收熱量，并且熱量得不到及時(shí)散發(fā)，導(dǎo)致活塞熱強(qiáng)度下降，從而引發(fā)活塞熱裂問(wèn)題，同時(shí)在這樣的情況下，內(nèi)燃機(jī)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(lái)巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 ?內(nèi)燃機(jī)活塞特征

一般情況下汽車內(nèi)燃機(jī)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(dòng)機(jī)在正常情況下開始工作時(shí)，一般都會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境和要求，內(nèi)燃機(jī)活塞也呈現(xiàn)出不同的配置。各個(gè)內(nèi)燃機(jī)活塞頭之間的區(qū)別一般有兩個(gè)部分，一部分是內(nèi)燃機(jī)活塞的頂部區(qū)別，設(shè)計(jì)師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)一般采用平頂或者與之相似的平頂設(shè)計(jì)，這種活塞能夠適應(yīng)多種內(nèi)燃機(jī)的苛刻環(huán)境。另外，在使用過(guò)程中，采用平頂設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的活塞形狀上比較復(fù)雜，屬于一種環(huán)槽，主要是因?yàn)樾枰诃h(huán)槽上面安裝活塞環(huán)，這樣設(shè)計(jì)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(shí)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(huì)出現(xiàn)在凹槽，這樣就會(huì)導(dǎo)致活塞漏氣的情況，同時(shí)也會(huì)給其他物質(zhì)滲入的機(jī)會(huì)，比如說(shuō)機(jī)油則會(huì)順著凹槽進(jìn)入燃燒室，這樣就會(huì)大大縮減燃燒室的使用壽命，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)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(jìn)入活塞，進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 ?內(nèi)燃機(jī)活塞選擇的材料對(duì)汽車活塞產(chǎn)生的影響

活塞在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)氣缸中工作具有速度快、頻率高等特點(diǎn)，同時(shí)具有潤(rùn)滑效果存在不良、接觸壓力變化較快的特征。內(nèi)燃機(jī)的活塞制作材料如果是選擇普通材料來(lái)完成，就會(huì)降低活塞使用時(shí)間，同時(shí)也會(huì)降低汽車正常使用性能，進(jìn)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(fù)合材料可以有效的解決上述問(wèn)題，但是在汽車內(nèi)燃機(jī)活塞制作中，多數(shù)汽車制造廠家選用復(fù)合材料，主要是因?yàn)閺?fù)合材料具有較強(qiáng)的耐高溫性、抗疲勞、抗斷能力高、韌度高、彈性強(qiáng)、抗腐蝕及磨損性能強(qiáng)的特點(diǎn)。同樣，活塞的不穩(wěn)定性不斷增加，汽車內(nèi)燃現(xiàn)象就會(huì)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(huì)逐漸增加。對(duì)汽車內(nèi)燃機(jī)活塞的制作來(lái)說(shuō)，選擇符合材料是再合適不過(guò)的了，因此深入研究汽車內(nèi)燃機(jī)活塞性能與活塞選擇的復(fù)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(gè)部位具有導(dǎo)向的作用，導(dǎo)向作用也就是說(shuō)活塞可以在正常運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中依然可以保持垂直狀態(tài)，正是具有這個(gè)導(dǎo)向作用，對(duì)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(duì)汽車的要求也在不斷提升，在人們需求越來(lái)越高的情況下，設(shè)計(jì)師對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)行更加重視，因此，通過(guò)改變活塞裙部形狀來(lái)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)也是值得十分關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。此外，在汽車內(nèi)燃機(jī)活塞裙部位置上方具有一個(gè)活塞銷座，這個(gè)銷座在整個(gè)活塞結(jié)構(gòu)中具有十分重要的作用，這個(gè)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(lái)。

3 ?簡(jiǎn)述如何提高內(nèi)燃機(jī)活塞表面防護(hù)以及耐磨能力

隨著社會(huì)發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷提升，幾乎每一個(gè)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(lái)巨大的便利，同時(shí)也為人們帶來(lái)一定為危險(xiǎn)。在小汽車中內(nèi)燃機(jī)是一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)，而影響內(nèi)燃機(jī)性能的一個(gè)主要部件就是活塞，活塞部件對(duì)內(nèi)燃機(jī)正常運(yùn)作起到重要作用。因此，汽車制造商在制作汽車部件時(shí)，不斷引進(jìn)、借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，我國(guó)針對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞表面防護(hù)和耐磨性方面不斷提升研發(fā)力度，針對(duì)這一點(diǎn)，科學(xué)家們持續(xù)創(chuàng)新采用鋁合金來(lái)作為活塞制作材料，同時(shí)降低重力澆鑄環(huán)節(jié)中存在的缺陷，這種方式對(duì)汽車內(nèi)燃機(jī)活塞性能確實(shí)具有提升的作用，然而，科學(xué)家的目標(biāo)是通過(guò)改變活塞基體組織的方式來(lái)提升其性能，上述內(nèi)容距離科學(xué)家研究目標(biāo)人有一段距離。

現(xiàn)階段汽車內(nèi)燃機(jī)活塞主要存在的現(xiàn)狀有強(qiáng)度問(wèn)題、導(dǎo)熱性能問(wèn)題、磨損問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題各個(gè)國(guó)家的學(xué)者、科學(xué)家、專家、技術(shù)人員等都研究同一個(gè)理念，那就是利用液態(tài)鋁合金作為材料，通過(guò)壓鑄和擠壓的方式來(lái)制作內(nèi)燃機(jī)活賽，以此提升的內(nèi)燃機(jī)活塞磨損、強(qiáng)度、導(dǎo)熱性能等性能。通過(guò)文獻(xiàn)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(gè)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(jī)中鋁活塞每個(gè)部位為了能夠適應(yīng)各種不同的內(nèi)燃機(jī)型，其厚度通常在16mm以下，鋁活塞中具有三個(gè)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(shí)間比較快，促使活塞中三個(gè)重要部位厚度不一致，進(jìn)而導(dǎo)致活塞在擠壓和壓鑄環(huán)節(jié)中存在著一點(diǎn)氣孔，并且更大。就目前而言，這種實(shí)驗(yàn)成果還需要跟進(jìn)一步研發(fā)，針對(duì)活塞表面耐磨功效和防護(hù)并沒(méi)有較高的改善和優(yōu)化。汽車內(nèi)燃機(jī)的使用范圍越來(lái)越廣泛，充分體驗(yàn)出了內(nèi)燃機(jī)具有的很多優(yōu)勢(shì)，內(nèi)燃機(jī)在實(shí)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(wèn)題主要是因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)活塞長(zhǎng)時(shí)間磨損導(dǎo)致的，對(duì)內(nèi)燃機(jī)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(jìn)行滲透，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)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(jī)活塞耐磨性，下面將對(duì)Ti+N共滲實(shí)驗(yàn)方式和實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 等離子Ti+N實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)選擇的材料

本次試驗(yàn)主要目標(biāo)是為了提升內(nèi)燃機(jī)中活塞部件表面耐磨性以及防護(hù)處理，選用等離子Ti+N共滲方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方法主要有以下三個(gè)步驟：第一，選用滲金金屬爐，在同一個(gè)爐子中將基本材料和Ti離子進(jìn)行充分的滲透，在處理完Ti離子滲透工序以后進(jìn)行Ti和N離子共滲的處理工藝，這兩個(gè)制作環(huán)節(jié)得到實(shí)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(yùn)用現(xiàn)代掃描儀科學(xué)設(shè)備，對(duì)Ti+N共滲材料進(jìn)行掃描，實(shí)施全面性的分析研究，采集相關(guān)測(cè)算數(shù)據(jù)，找到存在區(qū)別的成分。第三，運(yùn)用X射線設(shè)備，根據(jù)物理成像結(jié)果進(jìn)行深入分析，對(duì)經(jīng)過(guò)處理以后的Ti+N共滲材料在使用過(guò)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(jī)正常運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可知，經(jīng)過(guò)處理的Ti與Ti+N共滲材料制作出來(lái)的內(nèi)燃機(jī)活塞與未經(jīng)過(guò)處理制作出來(lái)的活塞相多比，經(jīng)過(guò)前者制作的活塞表面明顯沒(méi)有氣孔，但是存在著一些泡狀現(xiàn)狀， 經(jīng)過(guò)精準(zhǔn)測(cè)量可以得到在汽車內(nèi)燃機(jī)活塞表面材質(zhì)上具有厚度為14μm的合金材質(zhì)，并且這個(gè)合金層分布較為均勻，能夠完全適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)活塞制作需求，通過(guò)對(duì)表面合金層相鄰的區(qū)域進(jìn)行化學(xué)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(yuǎn)近成正比，目前還沒(méi)有二者之間的比例關(guān)系式，仍需要進(jìn)行跟深入的實(shí)驗(yàn)計(jì)算出來(lái)。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(jī)中活塞部件主要組成元素就是BeCu，這兩種元素經(jīng)過(guò)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(shuō)經(jīng)過(guò)等離子共滲工藝處理以后內(nèi)燃機(jī)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(hù)的作用。這種活塞只有在磨損達(dá)到355μm直徑的時(shí)候，才會(huì)出現(xiàn)磨損屑，并且在活塞部分表面上能夠看到相應(yīng)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(shì)，其磨痕無(wú)論是深度還是寬度都比較低。通過(guò)對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞表面的觀察，經(jīng)過(guò)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(hù)能力主要是通過(guò)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(guò)大量的摩擦也不會(huì)脫漏，產(chǎn)生的磨痕也是比較光滑平整，進(jìn)而提升活塞表面功能，促使活塞使用壽命得以延長(zhǎng)。

4 ?結(jié)論

綜上所述，汽車在使用的過(guò)程中內(nèi)燃機(jī)具有重要的作用，并且在內(nèi)燃機(jī)活塞的作用也比較大，活塞的耐磨性和表面防護(hù)對(duì)于內(nèi)燃機(jī)使用壽命起到關(guān)鍵性作用。這兩點(diǎn)內(nèi)容也是設(shè)計(jì)師需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，有效的提升活塞耐磨性可以降低相應(yīng)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(chǎng)中能夠站穩(wěn)腳步的因素。因此還需要加大內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)力度，促使內(nèi)燃機(jī)和活塞之間能夠完美適應(yīng)，將功效充分發(fā)揮出來(lái)，讓人們?cè)谑褂眠^(guò)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。

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作者簡(jiǎn)介：孫艷（1982-），女，江蘇連云港人，本科，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械和汽車維修。