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摘要：近年来，在社会经济快速发展的同时，我国的科学技术也取得了长足的进步。各种先进技术及高新设备不断涌出，不仅改变了人们的生活及生产方式，还极大的促进了社会生产力的提高。其中，就以活塞环表面处理技术来说，其在内燃机中的应用，有效了提高了内燃机活塞环的使用性能，同时也延长了内燃机活塞环的使用寿命，这不得不说是技术的一大革新。鉴于此，本文将对內燃机活塞环表面处理技术展开分析和探究，希望能够为我国科学技术的稳步前进提供一定助力。
关键词：内燃机;活塞环;表面处理技术
中图分类号：TK45+4.6 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）14-0038-02
0 引言
新时期，社会在发展，时代在进步，内燃机活塞环表面处理技术也应当与时俱进，积极引入新的理念和方法，在制作材料上作以改进，在使用性能上予以提高，以便其在内燃机中更好的发挥出支撑、储油、导热作用，从而适应社会的发展，满足现代生产的需求。出于这样的目的，本文就内燃机活塞环表面处理技术进行研究，具有一定的实践价值和现实意义。
1 内燃机活塞表面处理技术研究的必要性
研究其必要性之前，首先需要了解活塞环的具体作用。活塞环作为内燃机内部构件的主要组成部分，其能起到很重要的作用，如支撑、封闭、储油、导热等。换言之，没有活塞环，内燃机将无法正常运转。正因为如此，在内燃机活塞环的制作时，其材料应具备耐腐蚀、耐高温、耐腐蚀、导热性好、易加工等优良性能，以及能够与气缸材料表面进行较好的磨合[1]。有且只有这样，才能使活塞环应有的价值和作用彻底发挥出来。就目前来看，制备内燃机活塞环的基础材料主要以专用钢材和球墨铸铁为主。在其表面改性上，国内外采用了多种表面处理技术，如氮化、镀铬、喷钼、PVD 与 CVD 镀膜等，以便使内燃机活塞环的使用寿命和使用性能能够得到进一步提升。现如今，内燃机被人们提出了越来越高的要求。为了满足实际生产和应用的需要，相关技术人员应不断加大内燃机活塞表面处理技术研究力度，以便其能够更好的促进行业的发展。
2 内燃机活塞环研究现状
现阶段，专用钢材和球墨铸铁是国内外内燃机活塞环制备的主要材料。其中，通过球墨铸铁制作的活塞环，耐磨性较强，但美中不足的是这种活塞环在加工性能以及力学性能方面对内燃机高速、高载的发展要求是难以满足的。再来看，钢制活塞环，相比于球墨铸铁活塞环，其无论是耐腐蚀、耐高温，还是力学性能和加工性能上，都有着比较大的优势，但这种材料最大的缺点就是耐磨性不足，换句话来说，就是使用寿命并不长[2]。因此，对于这种材料，必须要进行表面的改性，才能投入到实际生产和应用之中。相比于国外，我国内燃机行业起步较晚，内燃机加工制造水平还有所不足。由于内燃机技术最先起源国外，我国也是在其技术基础上发展起来的，所以内燃机活塞环专用钢材的国产程度普遍较低。同时，相比于进口钢材，我国所生产的专用钢材在质量上还存在很大程度的差距，这也导致多数情况需要进口国外专用钢材来进行内燃机活塞环的制造[3]。因此，为减少这种情况的发生，需要加大活塞环表面处理技术的应用，以便在促进内燃机活塞环使用性能提升的同时，最大限度减少劳动力以及生产成本的投入。对于内燃机活塞环表面改性的方法有很多，主要有热喷涂钼涂层、镀铬、离子喷涂陶瓷涂层等。
3 内燃机活塞环表面处理技术
3.1 内燃机活塞环表面镀铬
内燃机活塞环表面镀铬技术，其主要目的是为了延长活塞环的使用寿命。具体来说，它通过在内燃机活塞环的外圆增设镀铬层，使活塞环摩擦面的性能得以优化，从而进一步增强内燃机活塞环的工作性能。经过有关试验证实：对活塞环的第一道环增加了镀铬层厚，不仅活塞环气缸套的磨损得以有效减少，活塞环的使用寿命也得到了显著的提高[4]。镀铬层结构紧密，其结晶中基本不会有杂质的残留，具有良好的耐腐蚀性和摩擦性能，硬度也有了明显的改善，最高可达到1000HV。在1935年Vanter·Hovst发明了一种可以提高镀铬层润滑性能的新工艺。在完成整体的镀铬层之后，进行极性反向通电的改变，能够使镀铬层表面上浸蚀出网。各个网之间相互连接，能够使其润滑能力得到进一步增强。另外，还有人做过这样的实验，就是利用多孔膜腐蚀或喷砂，使活塞环表面出现大大小小且不同形状的坑，或借助松孔镀铬层进行油量的存储，以便使缸套与内燃机活塞环能够保持良好的润滑性[5]。但是，电镀铬层工艺，在使用过程中会产生很大的毒性，即便是采取了必要的防范措施，还是会对环境造成一定的污染。并且，镀铬作业中，往往需要投入大量的人力，且耗能较高，整体经济效益并不是十分理想。实践证明，镀铬层并不坚固，反而比较脆，若其中有缺陷存在，碎裂脱落情况难免会发生，继而分解成很多的小颗粒，严重影响内燃机气缸的正常运行。
3.2 内燃机活塞环表面氮化处理
氮化处理技术，具有很多优点，如安全可靠、绿色无污染、经济效益高、工艺性强等。正因为如此多的优点，使得这种技术一经面世，便得到了行业人员的一致喜欢和高度追捧，并在一些发达国家得到了广泛的应用，以往那种环境破坏严重、耗能高的电镀铬工艺已逐渐被取代[6]。鉴于氮化处理技术的诸多好处，国内各相关企业也纷纷开始了内燃机活塞环表面氮化处理技术的研究和应用。表面氮化处理技术，可细分为三种处理方式：盐浴表面氮化、气体表面氮化以及离子表面氮化。先来说气体表面氮化处理，对于奥氏体不锈钢内燃机活塞环的表面处理是较为适用的。之所以这么说，是因为其经济安全、生产效率高、成本好控制，且对有毒物污染问题能予以有效的解决。相比于盐浴表面氮化、气体表面氧化，离子表面氧化不仅成本很难控制，加工生产率也不高，但其也有一定的优点，就是可以对内燃机的活塞环的表面进行选择性的氮化。如此一来，可有效降低内燃机活塞环整体氮化时产生的硬质侧面对活塞环槽内表面造成的磨损摩擦。同时，还能使内燃机活塞环的光密封度得到进一步提高。这种技术虽然在具体操作中并不难，但是运用表面氮化技术处理后的内燃机活塞环表面硬度会有所不足，从而也将不能对内燃机高速高载的使用要求予以满足。 3.3 内燃机活塞环PVD与CVD镀膜
这种技术，最早在20世纪80年代便已经得到了应用。当时，是通过PVD方法在内燃机活塞环表面上进行Ti N 陶瓷薄膜沉积。自此之后，陆续出现了PECVD/PCVD等新镀膜技术[7]。利用新镀膜技术，在内燃機活塞环表面进行BN、Cr N、Si N等陶瓷薄膜沉积，现如今这些技术已被广泛应用于实际生产之中。经过多年的实践，内燃机活塞环表面在经过陶瓷薄膜技术的处理后，其耐磨性能得到了很大程度的增强，磨损摩擦性能也得以明显改善。但是，如果制作工艺不佳，将会使陶瓷薄膜厚度不足，多数情况只有 3～5μm，这会导致活塞环承载力不能满足内燃机高速高载的要求。另外，受镀膜技术的限制，当前需要将陶瓷薄膜在内燃机活塞环的整体上沉积，但这种整体陶瓷薄膜活塞环在实际运行中时常会有咬缸现象的发生。由于生产成本高、施工工艺复杂等原因，使得陶瓷镀膜技术的发展与应用受到了很大的显著，从而也将难以发挥出其应有的价值和作用。
3.4 内燃机活塞环热喷涂钼涂层
对于内燃机活塞环表面的喷钼，国内外主要采用两种方式，分别为火焰喷涂和等离子喷涂。这样一来，内燃机活塞环便会具有耐高温、耐磨以及不拉伤气缸等特点。钼涂层能够与基体有效的结合在一起，孔隙率可达到10-15%，储油效果良好。但其不免也存在一些缺点，即相比于镀铬环，喷钼环有着很高的磨损，温度过高的话会出现氧化剥落现象。如果活塞环中缺少润滑油，会加剧喷钼环的摩擦、磨损。由此可见，该技术并不具备良好的抗磨损性能。这也使得纯钼涂层，对于内燃机活塞环高速、高载的要求是很难满足的。为了应对此种问题，国内外众多相关研究所以及企业对钼与其他材料的复合涂层展开了深入的研究，以期可以取得理想的效果。
3.5 内燃机活塞环等离子喷涂陶瓷涂层
工业陶瓷微粒、合成树脂是陶瓷涂层的主要组成部分，采用等离子喷涂技术在内燃机活塞环表面进行陶瓷涂层的喷涂，能使活塞环的各方面性能得到显著的提升，如机械性能、加工性能、耐磨性能等。并且，当气缸与内燃机活塞环发生摩擦时，陶瓷涂层表面被磨掉的微粒直径小于或等于油膜的厚度，被磨掉的微粒并不会破坏油膜的形成。陶瓷涂层具有相当多的优点，包括硬度高、耐腐蚀、耐高温、隔热好、支撑性能好、生产率高等，能够对内燃机活塞环的使用要求予以充分满足。在对陶瓷涂层材料的应力剥落问题予以妥善解决之后，通过对等离子喷涂技术的合理利用，能够最大程度的满足内燃机高速、高载的要求。目前，在对等离子喷涂陶瓷涂层的研究上，国内外均达到了一定的高度。
4 内燃机活塞环表面处理技术的应用原则
随着科学技术的不断发展，各种新技术、新工艺不断涌出，在内燃机活塞环上得到了广泛的应用，特别是以提高耐磨性能为目的的表面强化技术，其更是积极引进了各种新工程材料和新工艺方法。但需要注意的是，在新技术的应用方面应遵循以下原则：
其一，新技术的应用需要与内燃机本身相匹配。使用新型耐磨涂层，应致力于在不影响缸套正常使用的前提上，尽可能的提升活塞环的使用寿命。另外，新技术的使用，应有助于提高内燃机的整体性能，比如减少污染物的排放、降低油耗等，切不可因一味的追求活塞环的高耐磨性，而导致其他性能受损。
其二，合理选择各种新工艺方法。制造方法不能与环境保护发生冲突，换言之，制作过程应减少有毒物质、气体的排放，不能对周围的环境造成污染。同时，采用新工艺方法，应有利于提高生产效率，提升工艺质量。
其三，控制生产成本。企业进行生产的目的，主要在于获得更好的经济效益。因此，在对新技术的应用上，应对其材料成本、工艺成本、使用寿命等予以综合分析，在确保自身能够取得理想收益的前提下，才能考虑应用此技术。
5 结束语
总的来说，在社会经济高速发展的背景下，人们对汽车内燃机的安全性、环保型、耐用性等方面提出了更好的要求。为此，作为内燃机生产厂家，应致力于内燃机活塞环使用性能的提升，通过新材料的选用，新表面处理技术的研发，延长活塞环的使用寿命以及实用性能，使其能够对内燃机高速、高载的要求予以充分满足，从而有效的推动我国汽车产业的健康发展。
参考文献：
[1]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（21）：57-60.
[2]唐令，何鹏飞，马国政，等.缸套-活塞环摩擦副表面性能强化研究进展[J].表面技术，2019，48（008）：185-198.
[3]江仁埔，郭智威，饶响，等.表面织构对缸套-活塞环摩擦学性能的影响[J].内燃机学报，2018，036（005）：471-479.
[4]茆骏亚.活塞环表面处理技术的研究现状及发展趋势[J]. 内燃机与配件，2018，271（19）：56-57.
[5]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）：12，15.
关键词：内燃机;活塞环;表面处理技术
中图分类号：TK45+4.6 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）14-0038-02
0 引言
新时期，社会在发展，时代在进步，内燃机活塞环表面处理技术也应当与时俱进，积极引入新的理念和方法，在制作材料上作以改进，在使用性能上予以提高，以便其在内燃机中更好的发挥出支撑、储油、导热作用，从而适应社会的发展，满足现代生产的需求。出于这样的目的，本文就内燃机活塞环表面处理技术进行研究，具有一定的实践价值和现实意义。
1 内燃机活塞表面处理技术研究的必要性
研究其必要性之前，首先需要了解活塞环的具体作用。活塞环作为内燃机内部构件的主要组成部分，其能起到很重要的作用，如支撑、封闭、储油、导热等。换言之，没有活塞环，内燃机将无法正常运转。正因为如此，在内燃机活塞环的制作时，其材料应具备耐腐蚀、耐高温、耐腐蚀、导热性好、易加工等优良性能，以及能够与气缸材料表面进行较好的磨合[1]。有且只有这样，才能使活塞环应有的价值和作用彻底发挥出来。就目前来看，制备内燃机活塞环的基础材料主要以专用钢材和球墨铸铁为主。在其表面改性上，国内外采用了多种表面处理技术，如氮化、镀铬、喷钼、PVD 与 CVD 镀膜等，以便使内燃机活塞环的使用寿命和使用性能能够得到进一步提升。现如今，内燃机被人们提出了越来越高的要求。为了满足实际生产和应用的需要，相关技术人员应不断加大内燃机活塞表面处理技术研究力度，以便其能够更好的促进行业的发展。
2 内燃机活塞环研究现状
现阶段，专用钢材和球墨铸铁是国内外内燃机活塞环制备的主要材料。其中，通过球墨铸铁制作的活塞环，耐磨性较强，但美中不足的是这种活塞环在加工性能以及力学性能方面对内燃机高速、高载的发展要求是难以满足的。再来看，钢制活塞环，相比于球墨铸铁活塞环，其无论是耐腐蚀、耐高温，还是力学性能和加工性能上，都有着比较大的优势，但这种材料最大的缺点就是耐磨性不足，换句话来说，就是使用寿命并不长[2]。因此，对于这种材料，必须要进行表面的改性，才能投入到实际生产和应用之中。相比于国外，我国内燃机行业起步较晚，内燃机加工制造水平还有所不足。由于内燃机技术最先起源国外，我国也是在其技术基础上发展起来的，所以内燃机活塞环专用钢材的国产程度普遍较低。同时，相比于进口钢材，我国所生产的专用钢材在质量上还存在很大程度的差距，这也导致多数情况需要进口国外专用钢材来进行内燃机活塞环的制造[3]。因此，为减少这种情况的发生，需要加大活塞环表面处理技术的应用，以便在促进内燃机活塞环使用性能提升的同时，最大限度减少劳动力以及生产成本的投入。对于内燃机活塞环表面改性的方法有很多，主要有热喷涂钼涂层、镀铬、离子喷涂陶瓷涂层等。
3 内燃机活塞环表面处理技术
3.1 内燃机活塞环表面镀铬
内燃机活塞环表面镀铬技术，其主要目的是为了延长活塞环的使用寿命。具体来说，它通过在内燃机活塞环的外圆增设镀铬层，使活塞环摩擦面的性能得以优化，从而进一步增强内燃机活塞环的工作性能。经过有关试验证实：对活塞环的第一道环增加了镀铬层厚，不仅活塞环气缸套的磨损得以有效减少，活塞环的使用寿命也得到了显著的提高[4]。镀铬层结构紧密，其结晶中基本不会有杂质的残留，具有良好的耐腐蚀性和摩擦性能，硬度也有了明显的改善，最高可达到1000HV。在1935年Vanter·Hovst发明了一种可以提高镀铬层润滑性能的新工艺。在完成整体的镀铬层之后，进行极性反向通电的改变，能够使镀铬层表面上浸蚀出网。各个网之间相互连接，能够使其润滑能力得到进一步增强。另外，还有人做过这样的实验，就是利用多孔膜腐蚀或喷砂，使活塞环表面出现大大小小且不同形状的坑，或借助松孔镀铬层进行油量的存储，以便使缸套与内燃机活塞环能够保持良好的润滑性[5]。但是，电镀铬层工艺，在使用过程中会产生很大的毒性，即便是采取了必要的防范措施，还是会对环境造成一定的污染。并且，镀铬作业中，往往需要投入大量的人力，且耗能较高，整体经济效益并不是十分理想。实践证明，镀铬层并不坚固，反而比较脆，若其中有缺陷存在，碎裂脱落情况难免会发生，继而分解成很多的小颗粒，严重影响内燃机气缸的正常运行。
3.2 内燃机活塞环表面氮化处理
氮化处理技术，具有很多优点，如安全可靠、绿色无污染、经济效益高、工艺性强等。正因为如此多的优点，使得这种技术一经面世，便得到了行业人员的一致喜欢和高度追捧，并在一些发达国家得到了广泛的应用，以往那种环境破坏严重、耗能高的电镀铬工艺已逐渐被取代[6]。鉴于氮化处理技术的诸多好处，国内各相关企业也纷纷开始了内燃机活塞环表面氮化处理技术的研究和应用。表面氮化处理技术，可细分为三种处理方式：盐浴表面氮化、气体表面氮化以及离子表面氮化。先来说气体表面氮化处理，对于奥氏体不锈钢内燃机活塞环的表面处理是较为适用的。之所以这么说，是因为其经济安全、生产效率高、成本好控制，且对有毒物污染问题能予以有效的解决。相比于盐浴表面氮化、气体表面氧化，离子表面氧化不仅成本很难控制，加工生产率也不高，但其也有一定的优点，就是可以对内燃机的活塞环的表面进行选择性的氮化。如此一来，可有效降低内燃机活塞环整体氮化时产生的硬质侧面对活塞环槽内表面造成的磨损摩擦。同时，还能使内燃机活塞环的光密封度得到进一步提高。这种技术虽然在具体操作中并不难，但是运用表面氮化技术处理后的内燃机活塞环表面硬度会有所不足，从而也将不能对内燃机高速高载的使用要求予以满足。 3.3 内燃机活塞环PVD与CVD镀膜
这种技术，最早在20世纪80年代便已经得到了应用。当时，是通过PVD方法在内燃机活塞环表面上进行Ti N 陶瓷薄膜沉积。自此之后，陆续出现了PECVD/PCVD等新镀膜技术[7]。利用新镀膜技术，在内燃機活塞环表面进行BN、Cr N、Si N等陶瓷薄膜沉积，现如今这些技术已被广泛应用于实际生产之中。经过多年的实践，内燃机活塞环表面在经过陶瓷薄膜技术的处理后，其耐磨性能得到了很大程度的增强，磨损摩擦性能也得以明显改善。但是，如果制作工艺不佳，将会使陶瓷薄膜厚度不足，多数情况只有 3～5μm，这会导致活塞环承载力不能满足内燃机高速高载的要求。另外，受镀膜技术的限制，当前需要将陶瓷薄膜在内燃机活塞环的整体上沉积，但这种整体陶瓷薄膜活塞环在实际运行中时常会有咬缸现象的发生。由于生产成本高、施工工艺复杂等原因，使得陶瓷镀膜技术的发展与应用受到了很大的显著，从而也将难以发挥出其应有的价值和作用。
3.4 内燃机活塞环热喷涂钼涂层
对于内燃机活塞环表面的喷钼，国内外主要采用两种方式，分别为火焰喷涂和等离子喷涂。这样一来，内燃机活塞环便会具有耐高温、耐磨以及不拉伤气缸等特点。钼涂层能够与基体有效的结合在一起，孔隙率可达到10-15%，储油效果良好。但其不免也存在一些缺点，即相比于镀铬环，喷钼环有着很高的磨损，温度过高的话会出现氧化剥落现象。如果活塞环中缺少润滑油，会加剧喷钼环的摩擦、磨损。由此可见，该技术并不具备良好的抗磨损性能。这也使得纯钼涂层，对于内燃机活塞环高速、高载的要求是很难满足的。为了应对此种问题，国内外众多相关研究所以及企业对钼与其他材料的复合涂层展开了深入的研究，以期可以取得理想的效果。
3.5 内燃机活塞环等离子喷涂陶瓷涂层
工业陶瓷微粒、合成树脂是陶瓷涂层的主要组成部分，采用等离子喷涂技术在内燃机活塞环表面进行陶瓷涂层的喷涂，能使活塞环的各方面性能得到显著的提升，如机械性能、加工性能、耐磨性能等。并且，当气缸与内燃机活塞环发生摩擦时，陶瓷涂层表面被磨掉的微粒直径小于或等于油膜的厚度，被磨掉的微粒并不会破坏油膜的形成。陶瓷涂层具有相当多的优点，包括硬度高、耐腐蚀、耐高温、隔热好、支撑性能好、生产率高等，能够对内燃机活塞环的使用要求予以充分满足。在对陶瓷涂层材料的应力剥落问题予以妥善解决之后，通过对等离子喷涂技术的合理利用，能够最大程度的满足内燃机高速、高载的要求。目前，在对等离子喷涂陶瓷涂层的研究上，国内外均达到了一定的高度。
4 内燃机活塞环表面处理技术的应用原则
随着科学技术的不断发展，各种新技术、新工艺不断涌出，在内燃机活塞环上得到了广泛的应用，特别是以提高耐磨性能为目的的表面强化技术，其更是积极引进了各种新工程材料和新工艺方法。但需要注意的是，在新技术的应用方面应遵循以下原则：
其一，新技术的应用需要与内燃机本身相匹配。使用新型耐磨涂层，应致力于在不影响缸套正常使用的前提上，尽可能的提升活塞环的使用寿命。另外，新技术的使用，应有助于提高内燃机的整体性能，比如减少污染物的排放、降低油耗等，切不可因一味的追求活塞环的高耐磨性，而导致其他性能受损。
其二，合理选择各种新工艺方法。制造方法不能与环境保护发生冲突，换言之，制作过程应减少有毒物质、气体的排放，不能对周围的环境造成污染。同时，采用新工艺方法，应有利于提高生产效率，提升工艺质量。
其三，控制生产成本。企业进行生产的目的，主要在于获得更好的经济效益。因此，在对新技术的应用上，应对其材料成本、工艺成本、使用寿命等予以综合分析，在确保自身能够取得理想收益的前提下，才能考虑应用此技术。
5 结束语
总的来说，在社会经济高速发展的背景下，人们对汽车内燃机的安全性、环保型、耐用性等方面提出了更好的要求。为此，作为内燃机生产厂家，应致力于内燃机活塞环使用性能的提升，通过新材料的选用，新表面处理技术的研发，延长活塞环的使用寿命以及实用性能，使其能够对内燃机高速、高载的要求予以充分满足，从而有效的推动我国汽车产业的健康发展。
参考文献：
[1]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（21）：57-60.
[2]唐令，何鹏飞，马国政，等.缸套-活塞环摩擦副表面性能强化研究进展[J].表面技术，2019，48（008）：185-198.
[3]江仁埔，郭智威，饶响，等.表面织构对缸套-活塞环摩擦学性能的影响[J].内燃机学报，2018，036（005）：471-479.
[4]茆骏亚.活塞环表面处理技术的研究现状及发展趋势[J]. 内燃机与配件，2018，271（19）：56-57.
[5]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）：12，15.