廖东林 LIAO Dong-lin 王谋 WANG Mou 冯菊 FENG Ju

摘要：国内现阶段针对于内燃机活塞环表面处理各项技术研究逐步增多，为更好地选定其表面处理各项技术，实现各项技术优势更好地发挥，鉴于此，本文侧重于总结分析内燃机活塞环的表面有效处理技术总体研究及运用情况，期望可以为后续更多研究学者对此类课题的实践研究提供有价值的指导或者参考。

Abstract： At this stage， domestic researches on various technologies for the surface treatment of internal combustion engine piston rings are gradually increasing. In order to better select various surface treatment technologies and realize the better use of various technical advantages， this article focuses on the summary Analyzing the overall research and application of the effective surface treatment technology of internal combustion engine piston rings， it is hoped that it can provide valuable guidance or reference for more researchers in the future on the practical research of such topics.

关键词：活塞环;内燃机;表面;处理技术

Key words： piston ring;internal combustion engine;surface;processing technology

中图分类号：TK402                       文献标识码：A            文章编号：1674-957X（2021）22-0030-02

0  引言

国内各项科学技术现阶段得以持续的进步发展，内燃机活塞环表面处理层面各项技术也不断涌现，为能更好地选择及应用其表面处理科学技术，做好内燃机活塞环的表面有效处理技术综合分析，有着一定的现实意义和价值。

1  研究内燃机活塞环的表面有效处理技术现状

内燃机，从属动力机械的一种，机器内部使燃料燃烧，直接把所放出热能转换成动力热力的一种发动机。在广义层面，内燃机内含自由活塞发动机、旋转活塞发动机、旋转叶轮喷气发动机、往复活塞内燃机，但人们常提及到的内燃机通常为活塞内燃机。这种活塞内燃机普遍为复活塞式。这种活塞形式内燃机有效混合燃料及空气，并在汽缸内部充分燃烧，所释放出来热能，致使汽缸内部有高压高温燃气产生[1]。燃气膨胀过后，对活塞做功起到推动作用，经曲柄连杆或其余机构输出机械做功，对机械工作起到驱动作用。内燃机当中，活塞环从属重要构成部分，有着支撑、储油、封闭、导热各种作用。若无活塞环，则内燃机难以维持正常的运行。故制作内燃机活塞环汽机，要求制作材料务必有着优良导热特性、耐腐蚀特性、耐高温特性、耐腐蚀特性且易加工各项优势，可以和气缸材料整个表面磨合良好，如此才可确保有效发挥该活塞环自身价值。国内外现有内燃机活塞环多为球墨铸铁及专用钢材类型材料。球墨铸铁类型的活塞环，其耐磨特性优良，但球墨铸铁类型活塞环自身所具备力学特性及加工特性却往往无法满足于内燃机实现高速高载运行层面要求。相比较于球墨铸铁类型的活塞环，钢制类型的活塞有着优良耐腐蚀特性、环耐高温特性、力学性能及机械加工特性，但无优良耐磨特性，表面需经改性处理过后才可加工生产应用。国内内燃机的活塞环业现阶段均是以引入国外先进技术为基础所发展开来，内燃机活塞环在加工制造总体水平上仍和国外差距较大，内燃机活塞环多进口相应的专用钢材，故与生产实际情况相结合，实现表面处理科学技术的合理选定，其对活塞环自身使用特性的提升、优化，人力及生产成本的有效节约来说均有着积极作用。

2  内燃机活塞环的表面有效处理技术运用情况

2.1 在应用原则层面

伴随现代科技持续进步发展，涌现出更多全新工艺及技术，广泛引入至内燃机活塞环当中，尤其是对其耐磨特性起到良好优化作用的表面强化处理各项技术，涉及到较多全新工艺技术及材料，但实际应用期间仍需遵守各项基本原则，以便于更好地发挥各项技术优势，更好地处理内燃机活塞环的表面。一是，所选定技术工艺务必与内燃机自身有着良好匹配性，新型的耐磨涂层应用，务必以不会对正常使用缸套产生影响为基础，尽量将活塞环实际使用寿命有效延长。所选定技术，务必能够将内燃机自身性能提升，如将油耗降低、排放各种污染物得以减少等，切勿仅仅侧重于将活塞环实际耐磨特性增强，致使其余特性受损现象产生[2];二是，注重各项技术手段科学选定，制作方法切勿与环保有冲突产生，也就是制作整个过程均应当尽量将有毒气体及物质排放有效减少，切勿污染到周边环境，且应注重工艺品质及生产效率的有效提升;三是，重视成本控制。企业从事生产主要目的便是实现更多效益获取，故选定各项技术期间，务必着重考虑到使用寿命、工艺及材料成本各个层面，以各项技术的高效运用下，确保理想收益得以实现。

2.2 在镀铬技术层面

内燃机活塞环所在表面的镀铬技术，其对活塞环实际使用寿命可起到延长作用。镀铬技术之下，对内燃机活塞环外圆部分增设相应镀铬层，优化活塞环整个摩擦面实际性能，对内燃机活塞环总体工作性能起到有效增强的作用。经大量试验分析均证明了，活塞环首道环增设相应镀铬层厚，可减少活塞环的气缸套所受到磨损，明显延长内燃机活塞环实际使用寿命。镀铬层有着极具紧密性结构，结晶内部未残留杂质，摩擦特性及耐腐蚀特性均优良，有效改善其硬度，1000HV为最高。经过大量对此项技术深入研究，对镀铬层实际润滑特性起到有效强化作用全新工艺被研发出来，镀铬层整体完成过后，改变极性的反向通电， 确保镀铬层整个表面能够浸蚀出网[3]。各网互相连接，可增强它自身润滑特性。借助喷砂或者多孔膜的腐蚀，活塞环所在表面會有形状及大小不一的坑产生，通过松孔的镀铬层来存储油量，可确内燃机活塞环及缸套维持优良润滑特性，但镀铬层处理工艺运用期间，所产生毒性相对较大，即便积极落实防范工作，仍然会污染到环境。镀铬技术操作期间，所需人力较大，有着较高耗能，经济可行性较差。大量实践研究表明了镀铬层十分脆弱，坚固性较差，倘若潜在着缺陷问题，则极易产生碎裂脱落现象，大量小颗粒会被分解出来，对内燃机内部气缸运行会产生影响。

2.3 在氮化处理技术层面

内燃机活塞环所在表面的氮化处理技术所具备优势集中表现为较强工艺性、可靠性、安全性、高经济性、无污染性，故此项技术被研发出来后，获取业内人士广泛关注及青睐，广泛运用至部分发达国家当中，逐步代替原有高耗能、破坏环境的电镀铬层技术工艺。因氮化处理技术自身优势较为突出，故国内企业便热衷于研究及运用内燃机活塞环所在表面的氮化处理技术。此项技术手段所涉及到处理手段有三种，即离子表面、气体表面、盐浴表面这几种氮化处理手段。气体表面的氮化处理，其比较适宜应用至不锈钢奥氏体内燃机活塞环所在表面处理，大部分是因其有着高生产效率、安全性及经济性突出、可更好地把控成本，能够处理有毒物相关污染层面问题[1]。在一定程度上，与气体及盐浴表面的氮化处理手段，离子表面的氮化处理手段往往很难把控成本，且加工生产效率低，但能够选择性对内燃机活塞环所在表面实施有效氮化处理，以至于整体对内燃机活塞环实施氮化处理期间所产生硬质侧面，其针对于活塞环槽的内表面所产生摩擦及磨损能够得以减少，有效提升内燃机活塞环整体光密封度，此项技术实操便捷，但对内燃机活塞环实施氮化处理过后，表面硬度下降，将无法满足于内燃机的高载高速层面使用需求，故具体选用期间务必予以着重考虑。

2.4 在PVD和CVD镀膜技术层面

PVD和CVD镀膜技术，80年代早期便已应用开来，主要是借助PVD技术，对内燃机活塞环所在表面实施陶瓷薄膜TiN沉积处理。而后，PVD和CVD的全新镀膜处理技术便被研发出来，借助此项技术，对内燃机活塞环所在表面实施SiN、CrN、BN相应陶瓷薄膜的有效沉积处理，现阶段在生产过程已广泛运用此项技术手段。历经多年实践研究，对内燃机活塞环所在表面实施陶瓷薄膜有效处理过后，增强自身耐磨特性，还改善其磨损摩擦特性。但因制作工艺仍有欠缺，以至于陶瓷薄膜实际厚度较为不足，大部分均为3～5μm，以至于活塞环自身承载力难以满足于内燃机实现高载高速性运行需求，且因受镀膜处理技术层面限制，内燃机活塞环当中，陶瓷膜需要整体沉积，但却极易产生咬缸问题。因复杂的施工工艺、较高生产成本因素存在，以至于限制了陶瓷镀膜处理技术应用发展，其真实价值难以得到更好地发挥，今后仍然需增加对此方面的进一步研究优化。

2.5 在钼涂技术层面

内燃机活塞环所在表面位置喷钼处理，现阶段以等离子、火焰这两种喷涂手段为主。内燃机活塞环往往自身有着不会拉伤到气缸、耐磨和耐高温相关特性。钼涂层，其可有效结合基体，孔隙率在10～15%左右，有着优良储油效果，但相比较镀铬环，磨损高，过高温度环境下，氧化剥落极易产生。活塞环内部若润滑油较少，则喷钼环会加剧摩擦磨损[4]。可以说，此项技术手段抗磨损特性相对较差，纯钼涂层无法更好地满足于内燃机活塞环实现高载高速运行层面需求。在今后仍然需增加对此方面的深入研究，尤其侧重于研究钼和其余相应材料复合涂层实践研究，以便于获取更具理想化研究成果。

2.6 在等离子形式喷涂陶瓷的涂层技术层面

陶瓷涂层当中，合成树脂、陶瓷微粒均属于重要构成部分，喷涂技术之下，围绕着内燃机活塞环所在表面实施陶瓷涂层有效喷涂处理，有效提升活塞环自身耐磨特性、加工特性、机械特性。气缸和内燃机活塞环若有摩擦产生情况下，陶瓷涂层所在表面所摩擦掉微粒实际直径通常≤油膜厚度，该部分被摩擦掉微粒并不会对油膜形成产生破坏作用。陶瓷涂层优势集中表现于高生产率、优良支撑特性、隔热特性、耐高温及耐腐蚀特性、高硬度性，能够充分满足于内燃机活塞环實际应用需求，能够处理好陶瓷涂层部位材料所产生应力剥落层面问题。

3  结语

综上所述，内燃机活塞环的表面有效处理技术现阶段以镀铬技术、氮化处理技术、PVD和CVD镀膜技术、钼涂技术、等离子形式喷涂陶瓷的涂层技术等为主，不同处理技术均有着各自优势及缺陷，需结合实际处理需求及情况予以合理选定，如此才可确保对内燃机活塞环的表面实现更为科学合理化的处理。

参考文献：

[1]王文亚，李金龙.对内燃机活塞环表面的超声电镀进行声场分析[J].内燃机与配件，2019，22（015）：125-126.

[2]薛茂权，黄之德，倪贵华，杨峰，王乾.活塞环表面处理及摩擦学性能研究进展[J].电镀与涂饰，2020，39（021）：579-580.

[3]崔建华，盛超立，刘根.内燃机零部件不同表面处理膜层的耐磨性试验研究[J].现代制造技术与装备，2020（002）：124-125.

[4]赵小峰，刘国强，王大江，石小明，段成林，刘宗举.铝活塞环槽表面Ni-SiC耐磨涂层的制备及性能试验研究[J].内燃机与动力装置，2020，37（004）：589-593.