连亚宣

摘要：现如今内燃机是机械材料中不可缺失的一部分，大多数行业和产品的生产的动力都需要内燃机提供，内燃机的组成结构其实一点都不复杂，为保证内燃机正常工作，作为核心部件活塞是最不可缺少的。直接影响内燃机寿命的就是活塞的性能。截至目前，我国现有的内燃机活塞材料多种多样，研究人员还在不断的进行现有材料的改进和新材料的研发。

关键词：机械材料;内燃机活塞;发展现状;展望

0  引言

众所周知，内燃机将向高效率、高承载力、高速、高使用年限方向发展，对活塞材料的耐久性提出更高的要求。但是隨着石油资源的不断消耗，政府和财务部对内燃机的燃用使用的关注度不断提高。除此之外，由于人们环保意识的不断提高，各国政府出台了一系列相应法规。

1  活塞材料性能

在工作中活塞常处于高温、高压的环境下工作，这就要求活塞材料具有足够的重量与质量，借此保证活塞的最小惯性[1]。活塞材料的导热性强，高温高压环境下具备耐腐蚀性和极强的散热能力。两个活塞工作时应具有较小的摩擦。随着温度的变化，活塞的尺寸与形状都要相应变小，相对重量小，且有极强的耐热性。

2  应用活塞的材料现状

2.1 铸铁材料应用现状  铸铁材料是内燃机活塞的铸造过程中最早被使用的，铸铁材料最大的优势即耐高温，在高温工作环境下仍然具备极强的强度。由于铸铁材料的相对质量太大，适用范围有一定限制[2]。目前铸铁活塞主要应用在舰船等大功率发动机上。

2.2 钢材料的应用现状  铸钢材料在高温环境下具有一定的耐磨性与耐腐蚀性，相对于铸铁材料具备较高的高温性。但是由于铸钢材料的相对密度较大、加工工艺繁琐、材料成本较高，这也在一定程度上限制了铸钢材料的发展，在实际生活生产中全铸钢材料更是很少被应用，现如今这种材料的活塞已经应用在了低速发动机上。

2.3 铝合金材料的应用现状  相对于铸钢材料和铸铁材料而言，铝合金材料有很大的改进。铝合金材料质量较低、体积较小，在使用范围上受限较小。在大多数行业的生产中，铸钢材料和铸铁材料早已不适用，更多时候使用的是铝合金材料。多元合金材料大多应用在铝合金中，这种材料的活塞在一定程度上可以延长其使用年限。但是铝合金的高温耐热性较低，所以专业人员在进行铝合金材料的研究后，在其中加入了更多强化元素。因为铝合金材料的耐高温性强、密度小，相对比较轻便。虽然铝合金材料在各个行业中皆以运用，但是随着时代的发展和科技的进步，铝合金材料还是存在较多不足，逐渐有新材料出现。

2.4 铝基复合材料的应用现状  研究人员在进行研究时，为改变活塞的相对耐磨性与耐腐蚀性，利用复合型技术对铝材料进行相对技术改进。目前市面上的复合材料大致有三种，分别为铝基复合材料、铝镁复合材料和碳复合材料。其中铝基复合材料具备耐磨性强，耐高温的特点;铝镁复合材料即是在镁基合金中加入颗粒等增强体材料，也具备一定的耐高温性和耐磨性;碳复合材料相比于前面两者具有导热性快，润滑性强，耐磨性低的特点[3]。这三种材料的成本都相对较低，具有耐高温和耐腐蚀性，它们都可以是较好的活塞材料。

2.5 陶瓷材料的应用现状  陶瓷是多种氧化物、碳化物等无机非金属材料的统称。具备质量轻、耐磨性强、隔热性强等优点。陶瓷活塞具有以下优点：①隔热性强，降低油耗，取消冷却系统，回收废气;②降低柴油机活塞工作时的温度;③改变废气排放方式。但是纯陶瓷具有延展性低、脆性大等方面的缺点。现如今，全陶瓷活塞还没有在内燃机加以应用，但是在特定发动机上得以运用。

2.6 陶瓷、金属梯度材料的应用现状  采用等离子化学其相对沉积技术后，在活塞表面渗透碳化硼和碳化硅后，在零件表面陶瓷随即衍变成金属梯度功能材料，这种技术可以在梯度方向特定要求上使材料的力学性能发生改变。这种材料在一定程度上可以有效降低零件表面的摩擦，增强零件的耐腐蚀性，这种材料耐久性强，现如今已经被应用在发动机上。

2.7 碳材料的应用现状  现如今，碳材料是一种相对先进的复合材料，在航空航天等领域成功应用，在民用领域具有开阔地应用前景，具备和石墨材料所具有的一切性能外，还具有相对较高的力学性。

碳材料及其复合材料除了性能相对优良外，造价成本相对较低。研究学者研究得知，如果碳材料及其复合材料活塞生产量达到十万级量产规模，相对每件活塞的成本也就相对提升。如果将活塞的量产规模扩大到百万件，则每件活塞人工的成本就会相比于之前有所降低。但是铝合金活塞材料相比之下不会降低，以此可以看出碳材料及其碳复合材料活塞的应用前景十分明朗。

3  应用状况

3.1 电镀铹  为提高其使用年限和使用寿命，能明显改善镀铬层活塞环的耐磨性。因为镀烙层组织小，结构密度大，杂质含量低，具有较强的耐腐蚀性，摩擦系数较低。可以直接在活塞环镀铬后进行阳极松孔化，深化镀烙层上本来就有的网状裂纹，从而提高镀化层润滑油的存储量。但是由于镀化层相对脆性大，容易发生脱落现象。除此之外，由于电烙镀在制作工艺上耗能大，具有较强的毒性，即便是采取相对措施，也在很大程度上对人体和环境造成很大危害，还会加剧磨损。所以这种工艺相对在很多国家均被禁止，国内的生产也逐渐取消了这种工艺的运用。

3.2 表面氮化处理  氮化处理技术多以经济可靠著称，对环境具有一定友好型，近年来得到了国内外业界广泛关注。大多数发达国家在近年来，已经在活塞环上对氮化处理技术成功应用，借此工艺取代了对环境具有很大污染性的镀烙工艺，在我国这种工艺也被很多企业加以开发与研究。氮化处理主要以气体氮化、盐浴氮化、离子氮化等3种方式存在。其中气体氮化主要以马氏体不锈钢材料处理为主，马氏体不锈钢活塞环在国内外均采用这种技术;奥氏体不锈钢活塞环处理则大多采用盐浴氮化技术，其优势在于成本相对较低、生产效率高等，有毒污染物也在很大程度上得到削弱;相较于气体氮化和盐浴氮化，离子氮化具有成本高效率低的缺点。但是由于离子相对体积较小，可以单方面氮化活塞表面和外周面，避免活塞内槽磨损，对活塞密封度有利，但是由于渗透厚度相对较低，不能满足大功率大电机的需求。

3.3 PVC、CVD镀膜处理  PVD镀膜主要是利用tin镀膜在活塞表面形成沉积而得名，西方发达国家早在20年代末就加以使用并达到量产化，此外还出现了很多新兴技术，例如PCVD、PECVD。事实证明，bn、sin等陶瓷薄膜可以在一定程度上提升内膜壁的耐磨性，减少相对摩擦系数。但是由于制作薄膜的成本较高，厚度也相对较低，很大程度上不能满足高燃内燃机的需求。除此之外，由于制作工艺繁琐，且只能在整体上进行沉积，产生薄膜，且造价高昂，在一定程度上限制了镀膜活塞的广泛推广和应用。

3.4 热喷涂钼涂层  顾名思义，热泪镀层即采用高温喷涂等制作工艺，将mo元素喷涂在活塞环表面，其具有保护气缸套、耐磨性强等特点，也具备良好的储油能力。但是，mo涂层活塞在一定程度上磨损程度较大，高温高压下易产生氧化脱落现象，在缺少润滑油的情况下，相对磨损程度更大，不能满足发展需求。

3.5 等离子喷涂陶瓷涂层  截止目前，国内外研究人员在等离子喷涂陶瓷涂层活塞环研究上已经是一大热点之一。因为陶瓷材料自身硬度强、耐热性强、耐伤性强等方面的优势。既不会引起活塞环的变形，又能够在活塞环表面制备出摩擦磨损性能优越的陶瓷涂层，而且涂层的厚度较厚，能够满足高载荷发动机的承载要求。研究表明，与铸铁环相比，等离子喷涂的涂层使活塞组的摩擦减少30%，燃料消耗减少大约3%，机油的消耗减少50%，磨损速率极低，每小时仅几个纳米。陶瓷涂层活塞环在国外发展很快，美国、日本和德国都有陶瓷涂层活塞环专利。在活塞表面运用等离子陶瓷喷涂技术在未来的应用前景十分开阔，在未来，随着节能减排、经济可循环利用的活塞表面处理技术将会更多的加以运用。

4  降低摩擦消耗

降低活塞系统的摩擦对降低燃油耗有三种直接性帮助：

第一种：减小活塞接触面积。在工作过程中活塞直接大面积与缸套发生相对摩擦。减少接触面积，不仅在很大程度上可以降低活塞摩擦损耗程度，更能降低活塞本身的相对重量[4]。也是目前研究人员对活塞结构研究的主要方向，但是优于活塞接触面积相对较小，很容易导致压力增大，导致一系列高风险问题出现，所以急需找到一个相对临界值。

第二种：同时具备耐磨性和低摩擦性涂层。在工作时活塞中部直接接触缸套，产生摩擦，而耐磨性涂层可以直接降低工作时产生的相对摩擦功，降低安全风险。现在的生产中大多采用石墨涂层混合粘结剂作为活塞涂层，但是使用寿命不足以覆盖整个结构的使用寿命，在基础阶段的磨合时就基本上被磨损殆尽了，随着主对耐磨降摩的要求进一步提高，对涂层性能也相对提出了更高的要求，不仅要求进一步降摩擦、且耐磨损性能要达到可覆盖内燃机整个生命周期。

第三种：增加间隙。截至目前，汽油发动机大多采用缸体加铸铁缸套。膨胀程度大约是铝合金的3倍不止[5]。活塞与缸套之间的缝隙在工作过程中相对变小，甚至超过规定范围，进一步加深对活塞和缸套的损耗。但是增大相对缝隙则可以有效较低磨损，提高内燃机和活塞的使用寿命，更能相对降噪。目前借助二阶运动可以在很大程度上实现降低噪音的目的。

5  对活塞材料发展的展望

现如今，随着劳动方式的改变，机械行业的主要研究方向主要是内燃机材料的选择与新材料的研发。在某种意义上对内燃机的需求就会相應改变。为减少成本，尽可能的延长使用寿命，降低能量损耗也就是重中之重。在实际应用中，内燃机活塞材料的市场发展前景逐渐向好。作为内燃机结构的主要部件，在进行科学的研究后，才能更大程度上增强活塞性能。因为国家环境的发展目标是节能减排，为顺应发展趋势，传统材料不再具备很大的市场比重，复合型材料和陶瓷材料前景可观，但是还存在一系列问题，但是随着科技的进步，未来内燃机活塞材料发展还是非常明朗的。现如今，内燃机活塞材料种类多种多样。但是这些材料必须同时具备较高的耐高温性、耐磨性，以及相对条件下的耐受性。只有这样才能极大程度上保证活塞材料的使用年限。虽然现在传统材料还是占据较大面积的市场，但是在不久的将来，新型材料势必会取代传统材料。

6  结语

随着资源的相对紧张化和节能减排理念的提出，复合材料的未来发展前景一片向好。只有改变活塞材料，才能从根本上解决消耗大、隐患危险系数高等风险，也可以对科学、进步和生产水平提高起到很大程度的帮助，内燃机活塞材料改革势在必行，更顺应了大时代的发展。

参考文献：

[1]郭国庆，谢敬佩，等.内燃机活塞材料及其相关技术[J].拖拉机与农用运输车，2015（3）.

[2]陈刚，贺跃辉，等.发动机活塞和缸套材料及其加工工艺研究现状[J].粉末冶金材料科学与工程，2017（8）.

[3]汤春峰，曲选辉，段柏华.内燃机活塞环材料及其表面处理[J].内燃机配件，2017（05）.

[4]赖华清.活塞材料的应用及发展[J].上海汽车，2015（12）.

[5]纳微米混杂增强铝基复合材料及其应用[J].西安工业大学学报，2019（2）.