2 活塞环材料技术

活塞环的材料主要是灰铸铁，但随着对活塞环机械性能的要求越来越高，逐渐出现了合金铸铁、钢材、复合材料和粉末冶金材料等新型材料，这些材料较适用于制造高性能活塞环的材料。

2.1 铸铁活塞环

铸铁是制作活塞环的传统材料之一，由于其具有耐磨性好、工艺性好和低成本的特点，因此早期在活塞环的制造上获得了广泛应用。铸铁活塞环因材料本身含有石墨，带有自润滑性，可以改善表面磨损度，但其强度不高。为了满足性能要求，可在铸铁材料中加入一些诸如Cu、Cr、Mn、Mo等合金元素，并相应地进行一定的热处理[7]。目前，已经开发出了铬钼球墨铸铁、钼铜球墨铸铁、高硅铁素体球墨铸铁等合金铸铁材料，随着高强度发动机的发展，适用于各种特殊要求的活塞环合金铸铁材料有待于开发。

2.2 钢活塞环

随着对机械动力性需求的不断增大，内燃机部件的结构强度要求与日俱增。由于钢活塞环的耐热性能、耐磨性能以及力学性能均较好，并且还符合节能减排、环境友好型材料的要求，由此，钢逐渐应用于制作活塞环的材料，目前制造活塞环的钢材主要有碳素钢、低合金钢以及不锈钢，主要用于制造气环和钢带组合油环[8-9]。

2.3 复合材料和粉末冶金材料

对于活塞环复杂多变的极端工况要求，目前的科技水平很难开发单一一种材料来符合上述要求。因此，对特殊部位采用复合材料显得尤为重要。当润滑情况不好，活塞环磨损比较严重时，在其外表面上开一工艺槽，向内填充一种具有多孔性的铁淦氧材料[9-10]，可以吸附适量的润滑油，避免缺油时发生的粘着磨损,并且有效地减少磨损量。

同样地，粉末冶金材料也是为了改善活塞环表面的磨损情况而被新研发的一种活塞环材料。它通过加入各种不同的金属元素以及石墨等非金属材料来提升其表面的多孔吸附特性，从而改善活塞环的磨损情况，但粉末冶金材料的多孔性也会带来较大的不利影响，它会降低活塞环的导热性，从而不利于活塞环散热,由于活塞环本身所处环境温度较高，而导热能力降低后，活塞环长期工作在较高的热负荷状态下，降低了活塞环的强度。因此,该类型材料的使用需要在可靠润滑及材料孔隙间作出平衡选择。

3 活塞环表面处理技术

3.1 表面镀铬

表面镀铬是最初使用的一种对活塞环表面进行强化以满足使用性能要求的活塞环表面处理技术，它通过在活塞环外圆表面覆铬层来降低表面摩擦系数，改善活塞环外表面的磨损情况，延长其有效使用时间。但由于目前工艺水平的限制，镀铬的成功率相对较低，废品率的居高不下会造成极大浪费。此外，还会产生重金属废液，污染环境，且铬镀层与活塞环基体的贴合度不够好，容易脱落[5][7]，因此，在发达国家该方式已被禁止。而我国在活塞环表面处理技术方面还不够成熟，一些厂家仍然在使用。不过，目前政府对环境友好型制造业大力提倡和扶持，在工艺得到巨大提升之前，该项工艺发展前景不太明朗。

3.2 表面氮化处理

活塞环的表面氮化方式主要有3种，包括离子氮化法，盐浴法及气体表面处理法[11-13]。离子表面氮化加工生产效率较低，且成本不易控制，但离子表面氮化有较大的优点，它可以选择性地氮化指定的某部分活塞环外表面，避免对不需要强化的表面进行氮化，更有利于活塞环的减磨。表面氮化处理技术安全、可靠、成本低、无环境污染，淘汰了表面镀铬工艺以后，Yufu Xu等提出选择表面氮化处理技术来强化活塞环的外表面[14]。但是，该项工艺最大的缺点是会降低金属表面的硬度，且渗氮层的厚度及均匀性难以得到精确的控制，不能很好的满足某些频繁工况的要求，难以大量推广。

3.3 表面喷钼

刘志英等提出对活塞环表面喷钼有火焰喷涂和等离子喷涂两种方式[1]，钼涂层熔点低，硬度高，具有良好的耐磨损性，并且与基体环的结合良好。但是，喷钼活塞环长期工作在高温状态下，钼涂层因氧化导致维持时间不长容易脱落。润滑状态不好时喷钼活塞环的摩擦系数比较大，相应地，磨损情况较为严重。研究人员也在不断研究改进钼涂层的可用性，并取得了一定的成果。国外学者M.Tas等研究[14]发现,在Mo粉中加入Cu粉和Al-Si合金粉末，可以得到了Cu-Al2和Cu9Al4两种减磨材料，使涂层具有较为良好的耐磨性,并且，该种减磨材料的应用还能降低生产成本，因此，深入研究钼粉合金元素的复合性能是开发出具有良好性能活塞环的重要研究方向。

文章来源：《现代制造技术与装备》 网址: http://www.xdzzjsyzb.cn/qikandaodu/2020/1001/620.html