張衛(wèi)偉

摘要：本文對汽車內(nèi)燃機活塞基本特性進行分析，并對內(nèi)燃機活塞材料性能對汽車活塞帶來的影響加以闡述，進一步探究提升汽車內(nèi)燃機活塞的表面防護效果與耐磨性能的方法，希望能為改善與優(yōu)化汽車內(nèi)燃機活塞性能及延長使用壽命提供有效建議。

關鍵詞：汽車內(nèi)燃機;活塞;表面防護;耐磨性能

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

0? 引言

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

1? 汽車內(nèi)燃機活塞基本特性

活塞頭部、活塞群部、活塞銷座是汽車內(nèi)燃機活塞主要構(gòu)成，處于正常狀態(tài)下的汽車發(fā)動機，其內(nèi)燃機活塞配置會受到汽車發(fā)動機工作環(huán)境及具體要求影響，內(nèi)燃機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)燃機活塞頭，一方面是內(nèi)燃機活塞頂部差異，為了能夠讓活塞適應多種內(nèi)燃機較為惡劣的運行環(huán)境，無特殊要求下，通常設計師會選擇以平頂或相似平頂?shù)脑O計方式對活塞進行設計，采用平頂設計后的活塞在實際使用過程中，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，基于平頂設計上更加復雜化的活塞形狀，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，促進燃燒室內(nèi)燃燒率提升，同時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，進而致使活塞出現(xiàn)漏氣問題，極易導致其他雜質(zhì)滲入活塞，影響燃燒室正常使用性能，并會縮減使用期限，降低汽車內(nèi)燃機整體使用性能?；诖?，為了延長汽車內(nèi)燃機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)燃機活塞材料性能對汽車活塞帶來的影響

汽車內(nèi)燃機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，極易導致活塞磨損越來越嚴重，其中制成活塞的材料若是過于普通，不僅會降低活塞使用壽命，對汽車正常使用性能也會有著直接影響，難以保證汽車行駛安全與穩(wěn)定。從目前制作內(nèi)燃機活塞的材料來看，其種類繁多，在內(nèi)燃機活塞制作過程中使用新型復合材料，能夠?qū)⑸鲜鰡栴}有效解決?，F(xiàn)階段復合材料是大多數(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耐腐蝕、耐高溫、韌性高、抗磨損性等多項優(yōu)點，隨著內(nèi)燃機活塞穩(wěn)定性不斷變差，促使汽車內(nèi)容現(xiàn)象減小，隨著時間推移，加劇了汽車內(nèi)燃機活塞功能失效。

就汽車內(nèi)燃機活塞制作而言，除了需要使用新型復合材料以外，也要不斷調(diào)整與改進活塞裙部形狀，有利于進一步優(yōu)化汽車發(fā)動機結(jié)構(gòu)，此方面情況需要給予重點關注。

3? 強化汽車內(nèi)燃機活塞表面防護效果及提升耐磨性能的有效方法

3.1 強化汽車內(nèi)燃機活塞表面防護效果的方法

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)燃機活塞復合材料表面性能，可通過對等離子Ti+N進行共滲處理，使其達到在汽車內(nèi)燃機活塞復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)燃機活塞使用壽命[2]。具體可參考以下幾點：

第一，在應用等離子Ti+N共滲處理工藝對汽車內(nèi)燃機活塞復合表面性能進行優(yōu)化時，相關人員應對汽車內(nèi)燃機活塞實際運行情況精準掌握，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共滲配比等關鍵信息，在此基礎上評估經(jīng)等離子Ti+N共滲處理后汽車內(nèi)燃機活化塞并優(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工作核心，確保等離子Ti+N共滲處理工藝應用效果。為了有效去除汽車內(nèi)燃機活塞表面油污與多余雜質(zhì)，可在應用等離子Ti+N共滲處理工藝過程中，將汽車內(nèi)燃機活塞復合材料放在超聲波清洗池中進行清洗，進而保證汽車內(nèi)燃機活塞抗摩擦、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備上，使其達到對汽車內(nèi)燃機活塞維持正圓狀態(tài)進行控制的效果;利用賽璐璐填補汽車內(nèi)燃機活塞閉口縫隙，同時對封口位置、外圓面進行清洗封口處理，從根本上確保等離子Ti+N共滲處理工藝應用成效。

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

第四，借助反向刻蝕作用，在處理槽中對汽車內(nèi)燃機活塞環(huán)應用等離子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共滲處理時間為55s;反應溫度為55.5℃。另外，待反向刻蝕處理完成后，為了進一步提升后續(xù)等離子Ti+N共滲處理成效，在入復合液槽內(nèi)放入汽車內(nèi)燃機活塞環(huán)，采取重復電鍍處理。

3.2 提升汽車內(nèi)燃機活塞耐磨性能的方法

3.2.1 耐磨性能實驗

為了充分了解汽車內(nèi)燃機活塞耐磨性能，將選取8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞作為本次實驗對象，并在實驗過程中記錄內(nèi)燃機活塞性能變化，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)燃機活塞表面復合材料樣品，并進行組織分析。

對8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞等離子Ti+N進行共滲實驗時，首先，需要對8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞材料組織進行處理，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，對Ti離子進行表面滲透時，實驗人員需要控制原8ND48A-3A型耐磨合金鑄鐵活塞材料加熱溫度，時刻關注加熱溫度是否維持在845.0℃。根據(jù)實驗中實際情況，及時對加熱工件位置進行調(diào)整，控制源端電壓為460～720V范圍內(nèi)，其中Ti離子滲透期間，實驗人員需要將產(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氣體比例設置為3：2，待混合氣體通入后，氣壓應保持在70Pa左右。650.0V、900.0V分別是工件加工電壓與源端電壓。實驗人員要切記，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，其反應時間設置為120.0min。待進入冷卻環(huán)節(jié)時，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，實驗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層截面組織、表面防護層形貌情況等。待分析完成后，為了精準量測原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合區(qū)域成分，可選擇牛津能譜分析儀器進行輔助，確保量測結(jié)果準確。在維持設定好的室內(nèi)溫度基礎上進行內(nèi)燃機活塞摩擦磨損實驗。

3.2.2 實驗結(jié)果

據(jù)表2上相關數(shù)據(jù)可知，基于相同摩擦磨損條件，汽車內(nèi)燃機活塞載荷顯示為12N、摩擦副為GCr15，對磨時間為18分鐘。通過分析汽車內(nèi)燃機活塞Ti-N共滲處理后的表面復合層能譜區(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)過磨損實驗，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驗階段一直出于一個較高區(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;因此，堆積磨削氧化現(xiàn)象也在磨損階段的汽車內(nèi)燃機活塞材料表層局部區(qū)域出現(xiàn)?；钊鸗i-N共滲后的表面復合層能譜參考表2。

通過分析上述實驗結(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，促使其表面有防護組織形成，其防護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)燃機活塞基礎材料主要物相，等離子Ti+N共滲處理后，汽車內(nèi)燃機活塞基礎材料除了原有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)均不如單一基礎材料，可說明汽車內(nèi)燃機活塞基礎材料等離子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)加強內(nèi)燃機性能研究，實現(xiàn)汽車內(nèi)燃機與活塞完美銜接，盡可能降低使用中活塞磨損程度，確?；钊δ苁褂檬冀K保持一個良好的狀態(tài)。

4? 結(jié)束語

綜上所述，內(nèi)燃機作為汽車重要組成設備，發(fā)揮著關鍵性功能作用，其內(nèi)燃機活塞磨損過于嚴重，降低汽車整體穩(wěn)定性同時，也會產(chǎn)生一定安全威脅，通過改善與優(yōu)化汽車內(nèi)燃機活塞表面防護效果以及提升耐磨性，不僅有利于延長內(nèi)燃機使用期限，也能起到促進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：

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

[2]張子成.汽車內(nèi)燃機活塞的表面防護與耐磨性能探析[J].中國標準化，2019（16）：235-236.

[3]王浩權.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.