张卫伟

摘要：本文对汽车内燃机活塞基本特性进行分析，并对内燃机活塞材料性能对汽车活塞带来的影响加以阐述，进一步探究提升汽车内燃机活塞的表面防护效果与耐磨性能的方法，希望能为改善与优化汽车内燃机活塞性能及延长使用寿命提供有效建议。

关键词：汽车内燃机;活塞;表面防护;耐磨性能

中图分类号：U463.1                                   文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）16-0069-02

0  引言

汽车内燃机在发动机性能持续提升因素影响下，促使内燃机适用范围得到扩展，磨损是汽车内燃机使用过程中常出现的问题，其磨损程度过于严重，不仅对汽车内燃机正常功能使用造成不同程度影响，也难以保证汽车运行稳定与安全。如何有效提升汽车内燃机活塞的表面防护效果与耐磨性能，是目前各相关人员需要考虑的问题。

1  汽车内燃机活塞基本特性

活塞头部、活塞群部、活塞销座是汽车内燃机活塞主要构成，处于正常状态下的汽车发动机，其内燃机活塞配置会受到汽车发动机工作环境及具体要求影响，内燃机活塞配置存在一定差异性。一般情况下，差异性主要集中在内燃机活塞头，一方面是内燃机活塞顶部差异，为了能够让活塞适应多种内燃机较为恶劣的运行环境，无特殊要求下，通常设计师会选择以平顶或相似平顶的设计方式对活塞进行设计，采用平顶设计后的活塞在实际使用过程中，能够降低高温气体与活塞的接触范围，并在活塞平顶部位形成均匀分布的作用力;另一方面，基于平顶设计上更加复杂化的活塞形状，即为环槽，将活塞环在环槽上安装，其目的将混合气体转化为燃烧室所需气体，促进燃烧室内燃烧率提升，同时也能够起到降低爆破事故概率的作用[1]。举例说明，使用过程中的活塞，经常在凹槽处出现活塞头部，进而致使活塞出现漏气问题，极易导致其他杂质渗入活塞，影響燃烧室正常使用性能，并会缩减使用期限，降低汽车内燃机整体使用性能。基于此，为了延长汽车内燃机活塞使用期限及保证使用中活塞密封性，既能避免活塞中渗入其他杂质，又能有效提升活塞使用稳定性，从而为汽车行驶提供安全保障。

2  内燃机活塞材料性能对汽车活塞带来的影响

汽车内燃机活塞在长期快速且高频率工作状态下，加上自身润滑效果不到位，极易导致活塞磨损越来越严重，其中制成活塞的材料若是过于普通，不仅会降低活塞使用寿命，对汽车正常使用性能也会有着直接影响，难以保证汽车行驶安全与稳定。从目前制作内燃机活塞的材料来看，其种类繁多，在内燃机活塞制作过程中使用新型复合材料，能够将上述问题有效解决。现阶段复合材料是大多数汽车制造厂商主要采用的活塞制作材料，此类型材料具有较强耐腐蚀、耐高温、韧性高、抗磨损性等多项优点，随着内燃机活塞稳定性不断变差，促使汽车内容现象减小，随着时间推移，加剧了汽车内燃机活塞功能失效。

就汽车内燃机活塞制作而言，除了需要使用新型复合材料以外，也要不断调整与改进活塞裙部形状，有利于进一步优化汽车发动机结构，此方面情况需要给予重点关注。

3  强化汽车内燃机活塞表面防护效果及提升耐磨性能的有效方法

3.1 强化汽车内燃机活塞表面防护效果的方法

高耐磨性能、高耐腐蚀性能及韧性是等离子Ti+N最为明显的特征，为了改善汽车内燃机活塞复合材料表面性能，可通过对等离子Ti+N进行共渗处理，使其达到在汽车内燃机活塞复合层形成具有一定厚度纳米涂层，此涂层具有良好的致密性、均匀性，可促使汽车内燃机活塞表面耐磨性、韧性、耐腐蚀性与摩擦副交互程度大幅度提升，有助于延长汽车内燃机活塞使用寿命[2]。具体可参考以下几点：

第一，在应用等离子Ti+N共渗处理工艺对汽车内燃机活塞复合表面性能进行优化时，相关人员应对汽车内燃机活塞实际运行情况精准掌握，并对其综合考虑，根据等离子Ti+N颗粒粒度、等离子Ti+N共渗层结构、等离子Ti+N共渗配比等关键信息，在此基础上评估经等离子Ti+N共渗处理后汽车内燃机活化塞并优化。主要改善颗粒电泳性，并将最佳工艺参数获得及专业工艺装置制作作为此项工作核心，确保等离子Ti+N共渗处理工艺应用效果。为了有效去除汽车内燃机活塞表面油污与多余杂质，可在应用等离子Ti+N共渗处理工艺过程中，将汽车内燃机活塞复合材料放在超声波清洗池中进行清洗，进而保证汽车内燃机活塞抗摩擦、抗磨损能力。

第二，将盖板、心轴、专用哈呋等装置在电镀装夹设备上，使其达到对汽车内燃机活塞维持正圆状态进行控制的效果;利用赛璐璐填补汽车内燃机活塞闭口缝隙，同时对封口位置、外圆面进行清洗封口处理，从根本上确保等离子Ti+N共渗处理工艺应用成效。

第三，在进行等离子Ti+N共渗处理时，需要做好前期基础性处理工作，喷砂处理汽车内燃机活塞环，当其内燃机活塞环表面呈均匀灰色为最佳效果，待喷砂处理汽车内燃机活塞环后，需要对汽车内燃机活塞环用清洁水分进行清洁，其目的将多余喷砂颗粒从汽车内燃机活塞环复核表层去除。

第四，借助反向刻蚀作用，在处理槽中对汽车内燃机活塞环应用等离子Ti+N共渗处理工艺，处理槽内部含有硫酸1.5g/L;连接电压为4.5V;等离子Ti+N共渗处理时间为55s;反应温度为55.5℃。另外，待反向刻蚀处理完成后，为了进一步提升后续等离子Ti+N共渗处理成效，在入复合液槽内放入汽车内燃机活塞环，采取重复电镀处理。

3.2 提升汽车内燃机活塞耐磨性能的方法

3.2.1 耐磨性能实验

为了充分了解汽车内燃机活塞耐磨性能，将选取8ND48A-3A型耐磨合金铸铁活塞作为本次实验对象，并在实验过程中记录内燃机活塞性能变化，便于后续分析。8ND48A-3A型耐磨合金铸铁活塞主要化学成分参考表1。

通过利用电子显微镜观察处理后的汽车内燃机活塞表面复合材料样品，并进行组织分析。

对8ND48A-3A型耐磨合金铸铁活塞等离子Ti+N进行共渗实验时，首先，需要对8ND48A-3A型耐磨合金铸铁活塞材料组织进行处理，将经过行双辉等离子Ti渗透处理的原8ND48A-3A型耐磨合金铸铁活塞材料放置在渗透金属槽内，再次进行等离子Ti+N共渗处理，其目的是为确保等离子Ti+N共渗层均匀分布;与此同时，对Ti离子进行表面渗透时，实验人员需要控制原8ND48A-3A型耐磨合金铸铁活塞材料加热温度，时刻关注加热温度是否维持在845.0℃。根据实验中实际情况，及时对加热工件位置进行调整，控制源端电压为460～720V范围内，其中Ti离子渗透期间，实验人员需要将产生的放电气压控制在28.0Pa左右;两极间距为14.0mm，两极间气体为纯净氩气（由纯净氩气与纯净NH3混合而成的气体），纯净氩气与纯净NH3气体比例设置为3：2，待混合气体通入后，气压应保持在70Pa左右。650.0V、900.0V分别是工件加工电压与源端电压。实验人员要切记，渗透Ti离子过程中，需要维持好在纯净氩气中、纯净氩气与NH3混合气体中得原温度，其反应时间设置为120.0min。待进入冷却环节时，需要控制制纯净氩气环境中冷却温度，和室内温度保持一致[3]。

共渗处理完原8ND48A-3A型耐磨合金铸铁活塞材料等离子Ti+N后，实验人员需要利用扫描电子显微镜分析共渗处理后的8ND48A-3A型耐磨合金铸铁活塞材料等离子Ti+N模块，主要包括活塞表面防护层截面组织、表面防护层形貌情况等。待分析完成后，为了精准量测原8ND48A-3A型耐磨合金铸铁活塞材料等离子Ti+N共渗处理后的表面复合区域成分，可选择牛津能谱分析仪器進行辅助，确保量测结果准确。在维持设定好的室内温度基础上进行内燃机活塞摩擦磨损实验。

3.2.2 实验结果

据表2上相关数据可知，基于相同摩擦磨损条件，汽车内燃机活塞载荷显示为12N、摩擦副为GCr15，对磨时间为18分钟。通过分析汽车内燃机活塞Ti-N共渗处理后的表面复合层能谱区域分布情况，得出原8ND48A-3A型耐磨合金铸铁活塞材料表面复合层磨损痕迹产生变化，呈光滑分布状态，从材料表面复合层磨损整体情况上来看，磨损痕迹分布较为平整，其磨损碎屑剥离情况并不明显。从摩擦副磨损能谱情况的角度上分析，摩擦副具经过磨损实验，其磨损痕迹比较突出，伴有大量磨损碎屑;磨损局部区域的碎屑附着情况较为明显。

磨损温度在摩擦磨损实验阶段一直出于一个较高区间内，共渗处理后的原8ND48A-3A型耐磨合金铸铁活塞材料等离子Ti+N，其Ti和N等元素均在摩擦副具内存在，摩擦磨损阶段其局部区域产生氧化反应;因此，堆积磨削氧化现象也在磨损阶段的汽车内燃机活塞材料表层局部区域出现。活塞Ti-N共渗后的表面复合层能谱参考表2。

通过分析上述实验结果，由此可知，经过共渗处理等离子Ti+N，可使具有一定厚度的合金层在汽车内燃机活塞基层上形成，测得合金层厚度约为12～16μm范围区间。鉴于汽车内燃机活塞基层合金层与基体界二者之间具有良好结合性，促使其表面有防护组织形成，其防护组织具有良好的致密性、均匀性。在逐步提升表面距离作用下，促使Cu元素含量在汽车内燃机活塞表面逐渐增多，其中N元素含量下降较为明显，B元素和N元素之间保持一致性的变化速率，Ti元素含量呈由上至下变化趋势。

BeCu是汽车内燃机活塞基础材料主要物相，等离子Ti+N共渗处理后，汽车内燃机活塞基础材料除了原有BeCu以外，Ti+N在材料中明显增加。相较于单一BeCu的基础材料，由BeCu+Ti+N共同渗透基层，其磨损体积、抗磨损能力等表现均不如单一基础材料，可说明汽车内燃机活塞基础材料等离子Ti+N共渗处理后，其活塞抗磨损、抗磨擦性能均有大幅度提升。虽然汽车内燃机活塞在现阶段具有良好的市场发展前景，但仍需持续加强内燃机性能研究，实现汽车内燃机与活塞完美衔接，尽可能降低使用中活塞磨损程度，确保活塞功能使用始终保持一个良好的状态。

4  结束语

综上所述，内燃机作为汽车重要组成设备，发挥着关键性功能作用，其内燃机活塞磨损过于严重，降低汽车整体稳定性同时，也会产生一定安全威胁，通过改善与优化汽车内燃机活塞表面防护效果以及提升耐磨性，不仅有利于延长内燃机使用期限，也能起到促进汽车整体性能提升的作用，从而将活塞功能作用最大限度发挥。

参考文献：

[1]孙艳，张二勇.汽车内燃机活塞的表面防护与耐磨性能研究[J].内燃机与配件，2021（09）：158-159.

[2]张子成.汽车内燃机活塞的表面防护与耐磨性能探析[J].中国标准化，2019（16）：235-236.

[3]王浩权.汽车内燃机活塞表面防护及耐磨性能分析[J].设备管理与维修，2019（04）：163-165.