娄合伟 张德栓
上汽通用（沈阳）北盛汽车有限公司 辽宁 沈阳 110044
摘要：众所周知，内燃机将向高效率、高承载力、高速、高使用年限方向发展，对活塞材料的耐久性提出更高的要求。但是随着石油资源的不断消耗，政府和财务部对内燃机的燃用使用的关注度不断提高。除此之外，由于人们环保意识的不断提高，各国政府出台了一系列相应法规。
关键词：机械材料；内燃机活塞材料；现状与展望
引言
活塞销长期处于高温环境和应力作用下，会改变其体积状态，并在一定程度上促使其与连杆衬套相互配合的间隙发生一定改变，而导致活塞销的摩擦面出现严重磨损甚至要死的情况则是润滑条件变差引起的，这也是活塞销在使用过程中出现的主要形式之一。另外活塞销的主要失效形式则是疲劳断裂，发生这一情况则是由于较大的冲击震动以及活塞销在交变载荷下的材料和组织等出现问题等引发的。因此要想提升活塞销的使用效果，保证其质量需要在设计阶段对其原材料的质量严格进行控制，在不断优化加工容易的基础上提升活塞销的硬度和强度。
1活塞材料性能
在工作中活塞常处于高温、高压的环境下工作，这就要求活塞材料具有足够的重量与质量，借此保证活塞的最小惯性。活塞材料的导热性强，高温高压环境下具备耐腐蚀性和极强的散热能力。两个活塞工作时应具有较小的摩擦。随着温度的变化，活塞的尺寸与形状都要相应变小，相对重量小，且有极强的耐热性。
2当前的内燃机活塞材料研究
我们知道铸铁和铸铁是内燃机的第一个活塞材料，铸铁和铸铁具有很强的热性能。但是，这两种材料的共同缺点是质量高，愚蠢程度较大，从而大大增加了消耗，进而增加了内燃机的空间，因而不适用于小型机器。此外，质量高的活塞导致制造成本高，工艺比较复杂，无法满足内燃机的简单要求。第二，当今我国的环境质量非常重要，汽车工业中内燃机的广泛应用也对排放产生影响，因此内燃机活塞材料的重组是环境保护的必要条件。鉴于这些事实，研究人员重新设计了内燃机活塞的材料，改造了内燃机活塞的材料，并出于各种性能原因，将新材料用于内燃机活塞的制造。当然，目前我国使用的铸铁和铸件还有一部分，新活塞材料很可能处于研究阶段，是一个普遍的问题。下面我将进一步分析内燃机的主要活塞材料。
3铝合金材料的应用现状
相对于铸钢材料和铸铁材料而言，铝合金材料有很大的改进。铝合金材料质量较低、体积较小，在使用范围上受限较小。在大多数行业的生产中，铸钢材料和铸铁材料早已不适用，更多时候使用的是铝合金材料。多元合金材料大多应用在铝合金中，这种材料的活塞在一定程度上可以延长其使用年限。但是铝合金的高温耐热性较低，所以专业人员在进行铝合金材料的研究后，在其中加入了更多强化元素。因为铝合金材料的耐高温性强、密度小，相对比较轻便。虽然铝合金材料在各个行业中皆以运用，但是随着时代的发展和科技的进步，铝合金材料还是存在较多不足，逐渐有新材料出现。
4以电渣重融冶炼不断提升材料纯净度和紧密性
通常低碳合金钢在电炉熔炼过程中具有较大的脱氧难度，主要是因为其含碳量相对较低，针对这一问题有必要在应用电炉的基础上加用电渣重融的冶炼方法达到提升材料纯净度的目标，同时以减轻偏析对材料的紧密度和均匀性进行合理优化。
在进行电渣重融这一工序，非金属夹杂的能力会得到明显的提高，而渣层则是能够对存在于钢中的杂质以分配定律重新分配，产生渣洗作用，并促使钢中的杂质浓度降低。为了有效改善非金属夹杂的分布特性，还需要积极做好脱氧脱硫工作，与此同时进行定向凝固。另外在结晶器和水冷板发挥强冷的作用下，能够促使材料晶粒在电渣重融之后更加细小均匀，对减轻宏观和微观偏析等极为有利，并在一定程度上能够提升低碳合金钢的纯净度要求。
5对内燃机活塞材料发展的展望
内燃机活塞式材料的选择和开发将是机械行业研究开发的主要方向，如果集约化工作方式发生变化，在某种意义上也意味着社会对内燃机的需求更大。这将提高内燃机的性能，降低能耗，并尽可能延长内燃机的使用寿命，进而降低维护和制造成本。从这些事实中我们可以看出内燃机活塞的发展前景很好，活塞作为内燃机的主体，只有对材料进行科学合理的研究，才能提高活塞的整体性能。总体而言，活塞整体的发展与时间要求密切相关，今后一定会着眼于减少能源节约和发展规模较小、成本较低的建设项目，因此活塞在这些领域的研究未来也会有所发展。在这些领域，传统铸铁、铸铁和铝合金不大可能具有竞争力。在这种情况下，塑料和陶瓷材料将前景看好，所制造的活塞从高温到耐久性都会大幅提高。但是，在这些积极发展前景的背后，可能还会出现研究资金和技术引进等问题，以及内燃机活塞材料开发所需的产品成本等问题。但是，总的来说，活塞材料今后会进一步改进，将来会很客观。
6降低摩擦消耗
降低活塞系统的摩擦对降低燃油耗有三种直接性帮助：第一种：减小活塞接触面积。在工作过程中活塞直接大面积与缸套发生相对摩擦。减少接触面积，不仅在很大程度上可以降低活塞摩擦损耗程度，更能降低活塞本身的相对重量[4]。也是目前研究人员对活塞结构研究的主要方向，但是优于活塞接触面积相对较小，很容易导致压力增大，导致一系列高风险问题出现，所以急需找到一个相对临界值。第二种：同时具备耐磨性和低摩擦性涂层。在工作时活塞中部直接接触缸套，产生摩擦，而耐磨性涂层可以直接降低工作时产生的相对摩擦功，降低安全风险。现在的生产中大多采用石墨涂层混合粘结剂作为活塞涂层，但是使用寿命不足以覆盖整个结构的使用寿命，在基础阶段的磨合时就基本上被磨损殆尽了，随着主对耐磨降摩的要求进一步提高，对涂层性能也相对提出了更高的要求，不仅要求进一步降摩擦、且耐磨损性能要达到可覆盖内燃机整个生命周期。第三种：增加间隙。截至目前，汽油发动机大多采用缸体加铸铁缸套。膨胀程度大约是铝合金的3倍不止。活塞与缸套之间的缝隙在工作过程中相对变小，甚至超过规定范围，进一步加深对活塞和缸套的损耗。但是增大相对缝隙则可以有效较低磨损，提高内燃机和活塞的使用寿命，更能相对降噪。目前借助二阶运动可以在很大程度上实现降低噪音的目的。
结束语
总的来说，应该指出的是，尽管活塞材料范围广泛，但活塞材料必须具有耐高温性、耐磨性和质量等特点，才能保证较长的寿命。当今机械行业，铁、钢、铝仍是行业的一大部分，但在不久的将来，这些复合材料等新材料将取代传统材料。虽然这些燃烧模型目前正在研究中，但它们在某些行业中提供的优势是传统活塞材料的更好替代方案。概括地说，这些新型活塞材料在大多数行业都可以买到，今后解决技术问题、研究费用和生产成本时，推动内燃机的发展和更新。
参考文献
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[3]吴思翰,孔琳,刘涛,侯志杰.浅谈切削铝活塞刀具材料的选择[J].内燃机与配件,2018(21):110-111.
[4]葛超峰,杨满盈,李庭勇.汽油机活塞技术的现状与展望[J].内燃机与动力装置,2018,35(05):88-94.
[5]闫建.轻质机械活塞材料的成分及热处理工艺优化[J].热加工工艺,2018,47(08):189-191+196.