赵士钦 秘国芳 马力明
(石家庄金刚内燃机零部件集团有限公司)
〔内容摘要〕本文论述了各种表面处理技术在活塞加工生产过程中的应用，以及不同表面处理技术的特点对活塞使用性能的影响，并对活塞的表面处理加工生产及发展趋势进行了预测性分析。上海健身房阉割
〔关键词〕活塞 表面处理 耐磨性 寿命
建三江1 前言
活塞是内燃机连杆——活塞组中的重要零件。活塞的磨损一般表现在三个方面：活塞环槽磨损、顶部燃烧室烧毁、活塞裙部擦伤磨损。针对活塞的三种主要磨损方式，除了通过改善基体材料，以提高活塞 ，还有一个途径就是通过各种表面强化方式，提高活塞的抗高温氧化性能、抗腐蚀性能、耐磨损性能。 本文主要就广泛应用的铝合金材质活塞进行的表面处理技术进行介绍和探讨，希望得到各位专家和同行的指正。
2 各种表面处理技术综述
2.1 提高环槽耐磨性能的几种表面处理技术
在内燃机中活塞的工作条件相当恶劣，要承受高温、高压的冲击载荷，因此活塞环槽的主要磨损形式是，在使用过程中，活塞环在活塞环槽内的轴向冲击和径向及周向复杂运动的结果，导致配对摩擦表面的磨损增加，造成活塞密封作用和机械效率降低。
根据摩擦学的基本原理W=K×P×L 3Ρm
(式中:W：磨损量,K：摩擦系数,P：载荷,L：滑动量,Ρm：基体强度)可知，基体的摩擦磨损量与基体表面的摩擦系数、载荷、滑动量呈正比，与基体材料的强度、硬度等参数成反比。因此，为提高活塞环槽的耐磨性能，除了把活塞制成组合式或各种结构型式的镶嵌件来加固活塞之外，还可以通过表面处理，降低活塞环槽的摩擦系数，或提高活塞环槽表面硬度、强度来实现。常见的活塞环槽强化方式有:
1 镀铬 镀铬是最常见最普通的一种提高材料抗磨损性能的方法。众所周知，在一定条件下沉积的铬镀层具有很高的硬度和耐磨损性能，硬铬的硬度达到H v900～1200，是常用的硬度最高的镀层。基体强度的提高，可提高零件的耐磨性，延长使用寿命。据有关资料介绍(1)，活塞环槽侧面镀铬后，能明显减少环槽的磨损，在温度和载荷中等的发动机上，要用上述方法处理后，能减少活塞环槽磨损量的33%～60%。
镀铬工艺近年来发展很快，活塞环槽进行镀铬处理，关键有两个方面，一是铝合金表面的镀铬前处理，应保证镀铬层的结合力和其他性能；二是对镀铬工艺的选择和电镀工装的合理设计，包括配备适当的辅助阳极、保护阴极和绝缘屏蔽等措施。前者确保镀铬溶液的良好分散能力和覆盖能力，后者最大程度确保获得厚度均匀、性能良好的镀铬层。
2 镀锡 电沉积或化学沉积的锡镀层具有优良的润滑性能，活塞表面镀锡可以改善配副摩擦件之间的初期磨损性能，降低配副间的摩擦系数，从而达到减低活塞表面磨损量的目的。活塞镀锡一般采用化学镀锡的工艺方式，这是因为化学镀锡工艺简单，操作方便、节约能源、成本较低，另外化学镀的绕镀性好，特别适用于象活塞这种形状复杂的零件表面电镀处理。因此，化学镀锡作为减磨镀层广泛应用于活塞的表面处理。
3 微弧氧化 微弧氧化技术是近年来在阳极氧化基础上建立起来的一项金属材料表面处理新技术。它采用了等离子化学和电化学原理，直接在材料表面生成一层氧化膜，以提高材料的表面综合性能，有着广阔的市场和应用前景。铝及铝合金在进行微弧氧化过程中，表面形成一层具有一定厚度的微弧氧化层，氧化层主要由高温相Α-A l2O3和某些氧化液的化合物及少量的Χ-A l2O3组成。硬度和表面耐磨性能大大提高，可使铸铝活塞的表面耐磨性及使用寿命提高近一倍。同时，微弧氧化直接把基体金属烧结成氧化物陶瓷膜，不从外部引进陶瓷物料，同其他陶瓷膜制备技术不同，使微弧氧化膜既具有陶瓷膜的高性能，又保持了阳极氧化膜与基体的结合力。石家庄金刚集团已与国内高校完成活塞环槽
微弧氧化
81内燃机配件2001年第6期
样品的试制工作，装机试验性能良好，目前已进入批量生产前的准备阶段。
王世尧4 激光处理 随着激光技术的不断发展和进步，激光处理作为一种新兴技术越来越广泛的应用于工业化生产中。激光具有高度的单性、相干性、方向性和亮度，是一种聚焦性好、功率密度高、易于控制、能在大气中远距离传输的热源。激光在传输过程中是高度准直的，能够远距离传输而不显著扩束并能聚焦于一个小的光斑内。激光束的发散角可以小到几个毫弧度，光束基本上是平行的。根据激光辐射零件表面时的功率密度、辐射时间及方式不同，激光热处理可分为激光相变硬化、熔化快速凝固硬化、表面合金化和熔覆等。激光处理在活塞表面硬化强化中的应用已逐渐被开发出来。据介绍，国家863计划中有一项研究课题就是利用激光处理原理进行活塞环槽的激光合金化处理，以提高活塞环槽表面的耐热耐磨性能。、铬等合金元素预涂敷材料，然后进行激光热处理，使铝活塞环槽表面形成一层硬度高耐磨性好的合金层。据资料(2)介绍，经激光表面合金化的铝活塞，进行行车试验14.2万公里，活塞第一道环槽侧隙磨损仅为0.07～0.11mm，而未经激光合金化处理的活塞行车10万公里，其侧隙磨损量为0.35mm。这表明，通过激光合金化处理，可使活塞寿命提高两倍以上。
5 用电子束加工提高活塞环槽的耐磨性(3) 活塞环槽的强化过程如下：在经预热清洗去掉脏污、尘
埃、机油的活塞毛坯上，在未来的环槽处进行金属局部熔化，然后迅速结晶。强化时既可不对金属合金化，也可合金化。在电子束加工时活塞合金变成液态，其深度和宽度为以后车削环槽强化金属所必需的。德国V EB D rukgu ss und Ko lbenw erke公司研制了用电子束熔化表面法来强化共晶铝硅合金活塞第一道环槽上下端面的方法以及所需的工艺装备。该方法的特点是熔化时非合金化，且在预先车削过的环槽表面上进行。由于这样加工，在环槽表面形成细晶粒的合金组织，显微硬度提高35%，强度提高100%，从而显著提高表面的耐磨性。根据温度和其他条件，耐磨性可提高40%～120%。
另外，阿尔德涅的马弗列德研究所与焊接中心研究所(德国)共同研制了局部电子束强化工艺。在加工时将杆状或丝状焊料送入电子束的作用区，使熔融金属附加合金化。堆焊是在亚共晶或共晶成分的高硅铝活塞上进行的。在独联体，研究活塞环槽强化问题是在乌克兰科学院帕通电焊研究所。活塞堆焊的是АЛ25、AЛ10B和АЛ30合金，强化层的硬度较活塞基体金属的硬度提高1～2倍。
2.2 活塞顶部的处理
活塞顶部的主要失效形式是热裂，这是由于近年来，随着柴油机输出功率的提高，活塞尤其是活塞顶部承受的热应力与机械应力也相应增加，从而导致活塞顶燃烧室周壁的热裂问题日益严重。
为解决这一问题，人们已进行了近半个世纪的努力，除了通过改进活塞铸造技术，如用挤压铸造或锻造取代金属型重力铸造制造活塞毛坯、采用陶瓷纤维或陶瓷晶须增强金属来制造活塞以外，还采用表上海
面处理的方式改善顶部性能，如采用硬质阳极氧化处理改善顶部的耐热性能，用等离子喷涂耐热或绝热陶瓷降低活塞热损失和活塞温度。
1 活塞顶部的硬质阳极氧化 硬质阳极氧化(4)是在硫酸、草酸等溶液中，在电源的作用下，在活塞表面形成的一层隔热性能好的A l2O3层。这层氧化层具有以下特点:
1)隔热性好：膜层的导热性很低，约为纯铝的
1 3;
2)耐热性高：膜层熔点高达2050℃，可耐热1500℃以上;
3)膜层硬度高：显微硬度Hm高达4000～6000，而内层比外层高;
4)耐磨性好：膜层具有一定的孔隙率，膜层的孔隙可以吸附各种润滑剂，增加减磨能力，提高耐磨性。
5)绝缘性好：电阻系数大，经封闭处理后进穿电压达2000V，具有良好的绝缘性;
6)结合力高：膜层是从基体金属上直接生长起来的，与基体结合良好。
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由于硬质阳极氧化工艺非常简单，易于控制和操作，目前，活塞顶部硬质阳极氧化工艺在国内活塞生产行业应用较为普遍，尤其是石家庄金刚集团对活塞进行采取顶部阳极氧化处理已有十多年，形成了稳定的工艺。硬质阳极氧化也被人们认为是一种较为切实可行、简单方便有效的预防防止活塞顶部热裂失效的方法。
2 等离子喷涂陶瓷 等离子喷涂(4)(5)是利用非转移型等离子弧作热源，将粉末喷涂材料输送进入等离子气流内，使其被迅速加热并借助速度高达3600m s的膨胀等离子体，把熔化或未熔化状态的粉末喷到基材上形成涂层。等离子喷涂涂层和基层不发生冶金作用，喷涂时基材温度不超过200～
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赵士钦 秘国芳 马力明：活塞表面处理技术综述
260℃，不会造成基体变形，并且工艺稳定，结合强度可达40～70M Pa。一般认为，适合于活塞顶部等离子喷涂的陶瓷材料为三氧化二铝、二氧化锆等陶瓷组成材料。这些材料本身能够承受很高温度而不会发生氧化和软化，同时还具备很低的导热系数，能有效提高活塞顶部的耐热性，同时起到隔热作用，以降低活塞温度，防止顶部烧损及产生裂纹。
2.3 活塞裙部的失效方式及表面强化
活塞裙部的主要失效方式是拉缸，这种现象以运动初期居多，再者寒冷天气下的冷启动往往也会发生拉缸现象，其原因是汽缸壁与活塞之间缺乏润滑油膜。活塞裙部经镀锡、镀铅、喷涂二硫化钼、聚四氟乙烯塑料或石墨等自润滑材料后，能显著降低起动与运转时的功率消耗，提高滑行速度；同时能起到起动快，提高汽缸压力，防止敲缸与拉缸的作用。
1 镀锡 活塞表面镀锡可以采用化学方法，也可以采用电化学方法，其中化学镀锡法在活塞的表面处理中应用较广，因为它具有效率高、成本低、方法简单、易于掌握等优点。
化学镀锡是将铝活塞浸渍在锡酸钠或锡酸钾热溶液中通过化学反应形成镀锡层的过程。化学浸锡层质软且孔隙率较高，软质金属层具有良好的润滑特性，且能吸附较多的润滑剂。石家庄金刚集团生产的部分活塞为整体化学镀锡活塞。
2 镀铅 镀铅层(3)与镀锡层的性质基本一样，均为质软镀层，对润滑剂具有良好的吸附性，有利于活塞与气缸的初期磨合和冷启动。不同的是，由于铅的熔点(327℃)比锡的熔点(270℃)高，因此，在热负荷较高的发动机活塞裙部使用更为合适。但是由于铅会导致污染，人们更倾向于采用镀锡层。
3 喷涂二硫化钼 二硫化钼涂层(3)(4)是一种优质的固体润滑剂，具有摩擦系数小(约为0.05左右)、减摩性好等优点，它能改善磨合状况及减少拉缸故障，并可使缸套的耐磨性提高1～2倍。另外，二硫化钼涂层的摩擦系数随负荷与速度的提高而逐步降低。并且成膜性好，与基体金属的附着力较强。在
木结构设计规范
400℃以下的高温中性能稳定性好。适合用于对高强度高负荷的发动机活塞进行表面处理。常用的二硫化钼涂覆方法有三种：电泳法和喷涂法和印刷法。
目前，上海科尔本施密特活塞有限公司、上海内燃机研究所、石家庄金刚集团都正在开发活塞二硫化钼涂层技术。
4 活塞裙部喷涂石墨 石墨涂层(4)具有良好的自润滑性能，具有较低的摩擦系数，约为0.11，并且石墨涂层具有良好的导热性和化学稳定性，能有效降低发动机冷起动时的磨损，改善活塞与缸套间的初期磨合性能。但石墨涂层随温度的升高，摩擦系数有增大的趋势。活塞裙部进行石墨处理尤其适用于寒冷地区的发动机活塞裙部处理。
活塞裙部石墨处理一般采用喷涂方式。由于石墨涂层的附着力及成膜性均不是很好，因此，活塞裙部在进行石墨喷涂前，均应进行特殊处理才能保证石墨层的结合力。
活塞裙部喷涂石墨是一项较成熟的工艺，拥有此技术的国内活塞生产厂家有很多，如石家庄金刚集团等。
5 活塞裙部喷涂聚四氟乙烯涂层 聚四氟乙烯树脂(4)又称特富龙，也是一种广泛使用的二次覆层材料，自润滑性高，摩擦系数相对较小，一般对金属的摩擦系数为0.10左右，特点是具有突出的表面不
粘结性，并且化学稳定性及耐高温性好。因此，以聚四氟乙烯树脂对发动机零部件进行涂覆处理，在很多国家已相当广泛应用。
聚四氟乙烯树脂涂层的应用方式一般有两种：电泳法和湿热喷涂法。
3 结束语
以上是针对活塞的磨损及失效方式，国内外活塞生产厂家一般采取的防护措施的简要总结。具体到某一种产品的表面强化方式，还应结合发动机的特点及配对摩擦副的具体情况，通过做完整、系统的试验工作才能确定。比如经过长期实践人们普遍认为，镀铬层与铸铁金属表面为一合理的摩擦副，又如，某公司经过长期测试表明，内孔镀铬缸套与采用铁淦氧处理的活塞环相配性能较佳。因此，很难明确的说出那种表面强化方式对活塞来说是最好的。作者希望通过本文能为各位同行提供一个活塞表面处理选择的提示，并请广大同行指正。
参考文献
1 《摩擦、磨损与润滑手册》机械工业出版社 汪一麟等译
2 《铝活塞激光表面合金化关键技术的研究》机械工业局北京机电研究所 唐传芳等
3 《用电子束加工提高内燃机活塞环槽的耐磨性》国外内燃机2001.2
4 《新型铝活塞》国防工业出版社 刘达利等
5 《内燃机活塞、活塞环、轴瓦》武汉汽车配件厂教育中心编
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