活塞环槽加工和强化处理技术
在内燃机中，活塞的工作条件十分恶劣，要承受高温、高压和冲击载荷。因此，活塞环槽磨损主要是在使用的过程中，活塞环在活塞环槽内的轴向冲击、径向冲击以及周向的复杂运动会导致配对的摩擦表面严重磨损。从而造成活塞密封效果和机械效率降低。所以内燃机工作的可靠性和使用的耐久性很大程度上与活塞环槽的磨损情况有关。针对活塞活塞环槽磨损这一问题，国内外都采取了一些改善活塞环槽磨损情况的措施。以下是一些现在国内外正在使用或研究的活塞环槽表面强化处理方法。
一、 激光表面淬火
激光表面淬火是激光表面改性处理的一种方法，激光改性处理始于上世纪六十年代，但是直到七十年代初第一台大功率激光器研制成功后，激光表面改性处理技术才得到了实际应用，并在近十多年取得了巨大的发展。这里仅就激光淬火技术做简要说明。
激光淬火是利用高能激光束使金属材料在超快加热和急冷条件下发生相变。 激光淬火从物理冶金角度来讲与常规淬火并无其他的不同之处，只不过是激光淬火是一个急热急冷的过程。因此激光热处理所得到的材料的硬化层硬度高、强度大。
实践表明：通过激光热处理后的活塞环槽的表面晶粒得到很好地细化并且马氏体高密度位错，从而使活塞环槽表面硬度可达58HRC, 使用寿命提高1.5倍以上。目前德国马勒集团、日本洋马公司均采用激光淬火对活塞环槽进行处理。
激光表面改性处理是一种高新的处理技术，它与其他常规处理技术相比较，既有其独特优点，又有一些不足与局限性。
（1）激光表面改性处理的强化效果好，由于激光表面处理冷却速度快，所
以材料的耐磨性和硬度可同时获得提高，表面硬度比常规处理硬化方法可提高15%～20%。
（2）被处理的材料变形小，因为激光加热速度快，所以材料的热影响区小，
硬化时变形以及应变都非常小。一般硬化后无需再加工。
（3）加工速度快、工艺周期短、生产效率高以及容易实现计算机控制。
（4）适用性灵活广泛，对大型零件表面积复杂零件和槽、孔、洞等特殊部
位均能适用，并且还可以对零件有选择的进行局部处理。
（5）对环境无污染，因为激光表面处理时是自冷却，无需常规淬火使用的
水或油等介质，所以不会出现大量的烟雾。
虽然激光表面处理有以上的优点，但是激光表面处理的加工所得到硬化层比较薄，一般只有1mm ，除此之外，激光加工的设备较为昂贵。
激光淬火技术从开始应用到现在已经有几十年的发展历程，但是这种技术的工艺参数还不完善，激光扫描后的残留在材料内部的残余应力的大小及影响因素的变化规律还未能得到系统的研究。激光淬火的数值模拟还在探索阶段，测温装置还难以精确反映相变硬化过程中温度场的全场分布以及淬火后的深度还有待提高。
二、 氮化处理
氮化处理工件是一种很普通的处理方式，这种处理技术实际上就是在一定温度下一点介质中是氮原子渗入到工件表层的一种化学处理工艺。又由于许多常规的氮化处理技术处理时间长，渗氮效果不好所以为了缩短氮化周期，并使氮化工艺不受钢种的限制，所以近十几年间人们在原来氮化工艺的基础上发展了软氮化以及离子氮化两种新的氮化工艺。
1、软氮化
软氮化处理活塞环槽实质上是以渗氮为主的低温碳氮共渗技术。环槽表面在渗入氮原子的同时还会渗入少量的碳原子。
软氮化的方法分为气体软氮化和液体软氮化。目前国内广泛采用的是气体软氮化，这种方法是在含有活性碳、氮原子气氛中进行低温碳氮共渗。常用的共渗介质有尿素、甲酰胺以及三乙醇胺。这些介质在软氮化温度下发生分解反应，产生活性碳、氮原子。活性碳氮原子被工件所吸收，然后通过扩散渗入工件表层，从而获得以氮为主的碳氮共渗层。
软氮化发展至现在有许多值得肯定的优点，同时也存在一些问题。
（1）零件变形很小，处理前后零件精度没有明显的变化，还赋予零件耐磨、
耐疲劳、抗胶合以及抗擦伤等性能。
（2）处理时间短，并且软氮化层硬而且有一定的韧性，不易脱落。
（3）软氮化处理技术应用范围广，不受钢种的限制。
氮化表层的铁氮化合物比较薄，一般只有0.01～0.02mm 。并且氮化梯度较陡，除此之外氮化时还会产生有毒气体，因此在生产的过程中一定要注意设备的密封。
2、等离子氮化处理
等离子氮处理技术早在上世纪三十年代就已被发明，但是直到六十年代才得到应用，而我国则是在七十年代开始使用这项技术。
等离子氮化处理工件的原理：在真空容器中，以工件为阴极，真空容器壁为阳极，在两极之间施加100-1000V 的直流电压进而产生辉光放电。然后向真空容器内充入氮气与氢气的混合气体，由于辉光放电导致氮化炉内等离子体中部分氮、氢气体变成N +、H +阳离子，通过阴极表面附近产生的电压降，阳离子运动加速，然后高速碰撞工件，利用这种离子的碰撞溅射作用。可除去工件表面的氧化层等杂质。除此之外，利用离子的高速碰撞能量，工件被加热升温到氮化的温度。
等离子氮化的特点及存在的一些问题。
（1） 由于在真空中进行氮化，处理后的工件表面是非氧化的，所以无需进
行后续加工。
（2） 因为氮化时的温度并不是很高所以经等离子氮化处理的工件变形量
很小。
（3） 辉光氮化处理的工件外表面不生成化合物层，只生成扩散层，因此氮
化前后的粗糙度变化很小。
（4） 离子氮化处理环槽不仅可以有效地提高环槽表面的硬度、耐磨性以及
抗腐蚀能力而且还具有对环境污染小的优点。
但是等离子处理环槽表面时效率低且成本高。容易出现温度不均，还有可能因为工件的形状不同，导致氮化层均匀性差。
三、 活塞环槽高频淬火处理
活塞环槽高频淬火早在上世纪七十年代就已经得到普遍应用，活塞环槽高频淬火可有效的提高零件表面的硬度和耐磨性，达到外硬内韧的效果。并且还可以造成工件表面层处于压应力状态，提高工件的疲劳强度，延长工件寿命。
活塞环槽进行高频淬火时应将感应器置于活塞环槽中，旋转活塞，通过调整感应器在环槽中的位置，使感应器和环槽的表面有一定的间隙，利用电磁感应在
环槽表面产生涡流，同时由于集肤效应，从而对环槽表面迅速加热。当达到淬火温度时，向环槽表面喷水，淬火结束。
针对活塞环槽高频淬火的条件，船舶柴油机巨头MAN 公司对活塞环槽强化条件作了如下规定，活塞环槽采用高频淬火技术处理时一定要选取频率可调的并联谐振电源从而实现加热可控。保证冷却液流量可控从而实现冷却速度可控以便达到淬火后的硬度可控。制作带有屏蔽冷却流道的鼻型感应器实现硬化层深度可控。
活塞环槽高频淬火的优点及存在的问题：
（1） 淬火后得到的淬火层硬度高，
（2） 感应加热淬火后工件表面得到极细晶粒，从而使工件表面的硬度高、脆性低以及较高的疲劳强度。
（3） 工件表面不容易氧化和脱碳，且变形也小。
（4） 淬火后得到的淬火层深度容易控制，电流频率越高淬火层越薄，反之，淬火层则越厚，因此可通过调节电流频率控制淬火层的厚度。
四、 等离子硫化处理
等离子硫化处理也就是等离子渗流，这是我国独立发展的一项表面处理技术，等离子硫化处理是在真空条件下采用含硫气体辉光放电离子轰击的方法，使工件表面形成硫化层的一种金属表面处理技术。这种技术可以有效提高工件的自润滑性能，有利于减小摩擦，延长使用寿命。离子渗流可分为低温离子渗硫、中温离子渗流以及高温离子渗流。然而，我国目前对单纯的渗硫技术住集中在低温离子渗硫。在此仅对低温离子渗流作进一步说明。
低温离子渗硫主要是指温度在200摄氏度左右的渗硫。将待渗硫的干净零件放入低温真空容器内的阴极板上，将真空容器壁接在阳极上，然后向容器壁内充入含硫气体，在阴阳两极上加高压脉冲电源。当电压达到某一数值时，硫气就会在电场的作用下电离成硫离子。硫离子运动到阴极附近时受极压的作用而加速，被加速的硫离子轰击金属表面与铁原子发生反应生成含有FeS 的渗硫层。
等离子渗硫处理的特点如下：
（1）硫化层有效地隔阻了金属之间的直接接触，从而降低了黏着磨损的倾向。
（2）由于在渗硫处理的过程中有FeS 生成，所以离子硫化后的金属表面具有优良的自润滑性能以及较高的熔点。
（3）在真空条件下进行，确保零件表面粗糙度不改变，作为零件的最终处理工序不影响零件的尺寸精度。
（4）工件进行离子渗硫处理后的变形量小，并且不会改变零件的组织。
（5）离子硫化处理的设备简单，操作方便，处理后得到的渗硫层质量稳定可靠。
五、表面喷涂处理
喷涂处理是一种应用普遍且古老的处理技术，经过近百年的发展与推广，金属表面喷涂技术已经发展成为一项相当成熟的技术。在这个过程中也不断的提出新的技术。例如：超音速火焰喷涂、冷喷涂、等离子喷涂以及热喷涂技术等，目前由于热喷涂技术应用最为广泛，所以在此只针对该技术做简要阐述。
热喷涂技术处理零件时的原理：利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态并一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体的表面形成涂层。这种处理技术可以普通的表面制造一个特殊的工作表面从而达到防腐、耐磨、减摩以及抗高温等性能。
喷涂技术表面处理的特点以及应用中存在的问题
（1） 技术设备轻便，可以现场施工。
（2） 喷涂操作的程序少，施工时间短，处理效率高。
（3） 喷涂过程中机体表面受热程度较小而且可以控制，因此可以在各种各
材料上进行喷涂，并且基体组织基本不受影响，被处理零件的变形也
小。
（4） 由于喷涂的温度跨度大，所以可被选为涂层的材料范围广。
尽管喷涂技术处理工件时在应用中有很多优点，但是由于涂层的与基体材料之间的弹性模量和膨胀系数的巨大差异，导致涂层与基体之间的结合力较弱，容易出现开裂与脱落现象。因此限制了某些处理工艺的推广。
参考文献:
何科杉，李镇杰，赵娜. 车辆机械零件激光表面改性研究进展[J].材料热处理及技术，2012.
谭勇敢，王文虎，彭春华. 重载货运机车柴油机活塞的研究[J].内燃机与配件，2011.
杨英. 活塞环槽强化处理技术研究[J].内燃机车，2011.
玉本圭司（日）. 等离子体氮化处理技术[J].国外机车车辆工艺，2010. 宋立平. 激光表面改性及其应用[J].物理与工程，2010.
何柏林，孙佳，史建平. 工模具材料激光表面强化处理应用与发展[J].材料热处理技术，2009.
郝巧玲，申超英，王守忠. 活塞环槽的激光表面硬化研究[J].材料热处理技术，2009.
谭勇敢，王文虎，彭春华，杨林生，顾立强. 重在货运机车柴油机活塞研究[J]，机车车辆工艺，2009.
杨英，迟兴国. 机车柴油机活塞的技术发展与创新[J].内燃机学报，2008. 河田一喜（日）. 渗碳处理、氮化处理新技术[J].国外机车车辆工艺，2008. 焦德志.280型内燃机活塞钢顶环槽抗磨减摩涂层及其摩擦副摩擦学性能的研究
[D]，2008.
郭金宝，王树青，宋树峰，吴国栋，魏弟清. 点燃式发动机活塞顶环槽磨损的研究[J].内燃机与动力装置，2008.
活塞环槽加工和强化处理技术
在内燃机中，活塞的工作条件十分恶劣，要承受高温、高压和冲击载荷。因此，活塞环槽磨损主要是在使用的过程中，活塞环在活塞环槽内的轴向冲击、径向冲击以及周向的复杂运动会导致配对的摩擦表面严重磨损。从而造成活塞密封效果和机械效率降低。所以内燃机工作的可靠性和使用的耐久性很大程度上与活塞环槽的磨损情况有关。针对活塞活塞环槽磨损这一问题，国内外都采取了一些改善活塞环槽磨损情况的措施。以下是一些现在国内外正在使用或研究的活塞环槽表面强化处理方法。
一、 激光表面淬火
激光表面淬火是激光表面改性处理的一种方法，激光改性处理始于上世纪六十年代，但是直到七十年代初第一台大功率激光器研制成功后，激光表面改性处理技术才得到了实际应用，并在近十多年取得了巨大的发展。这里仅就激光淬火技术做简要说明。
激光淬火是利用高能激光束使金属材料在超快加热和急冷条件下发生相变。 激光淬火从物理冶金角度来讲与常规淬火并无其他的不同之处，只不过是激光淬火是一个急热急冷的过程。因此激光热处理所得到的材料的硬化层硬度高、强度大。
实践表明：通过激光热处理后的活塞环槽的表面晶粒得到很好地细化并且马氏体高密度位错，从而使活塞环槽表面硬度可达58HRC, 使用寿命提高1.5倍以上。目前德国马勒集团、日本洋马公司均采用激光淬火对活塞环槽进行处理。
激光表面改性处理是一种高新的处理技术，它与其他常规处理技术相比较，既有其独特优点，又有一些不足与局限性。
（1）激光表面改性处理的强化效果好，由于激光表面处理冷却速度快，所
以材料的耐磨性和硬度可同时获得提高，表面硬度比常规处理硬化方法可提高15%～20%。
（2）被处理的材料变形小，因为激光加热速度快，所以材料的热影响区小，
硬化时变形以及应变都非常小。一般硬化后无需再加工。
（3）加工速度快、工艺周期短、生产效率高以及容易实现计算机控制。
（4）适用性灵活广泛，对大型零件表面积复杂零件和槽、孔、洞等特殊部
位均能适用，并且还可以对零件有选择的进行局部处理。
（5）对环境无污染，因为激光表面处理时是自冷却，无需常规淬火使用的
水或油等介质，所以不会出现大量的烟雾。
虽然激光表面处理有以上的优点，但是激光表面处理的加工所得到硬化层比较薄，一般只有1mm ，除此之外，激光加工的设备较为昂贵。
激光淬火技术从开始应用到现在已经有几十年的发展历程，但是这种技术的工艺参数还不完善，激光扫描后的残留在材料内部的残余应力的大小及影响因素的变化规律还未能得到系统的研究。激光淬火的数值模拟还在探索阶段，测温装置还难以精确反映相变硬化过程中温度场的全场分布以及淬火后的深度还有待提高。
二、 氮化处理
氮化处理工件是一种很普通的处理方式，这种处理技术实际上就是在一定温度下一点介质中是氮原子渗入到工件表层的一种化学处理工艺。又由于许多常规的氮化处理技术处理时间长，渗氮效果不好所以为了缩短氮化周期，并使氮化工艺不受钢种的限制，所以近十几年间人们在原来氮化工艺的基础上发展了软氮化以及离子氮化两种新的氮化工艺。
1、软氮化
软氮化处理活塞环槽实质上是以渗氮为主的低温碳氮共渗技术。环槽表面在渗入氮原子的同时还会渗入少量的碳原子。
软氮化的方法分为气体软氮化和液体软氮化。目前国内广泛采用的是气体软氮化，这种方法是在含有活性碳、氮原子气氛中进行低温碳氮共渗。常用的共渗介质有尿素、甲酰胺以及三乙醇胺。这些介质在软氮化温度下发生分解反应，产生活性碳、氮原子。活性碳氮原子被工件所吸收，然后通过扩散渗入工件表层，从而获得以氮为主的碳氮共渗层。
软氮化发展至现在有许多值得肯定的优点，同时也存在一些问题。
（1）零件变形很小，处理前后零件精度没有明显的变化，还赋予零件耐磨、
耐疲劳、抗胶合以及抗擦伤等性能。
（2）处理时间短，并且软氮化层硬而且有一定的韧性，不易脱落。
（3）软氮化处理技术应用范围广，不受钢种的限制。
氮化表层的铁氮化合物比较薄，一般只有0.01～0.02mm 。并且氮化梯度较陡，除此之外氮化时还会产生有毒气体，因此在生产的过程中一定要注意设备的密封。
2、等离子氮化处理
等离子氮处理技术早在上世纪三十年代就已被发明，但是直到六十年代才得到应用，而我国则是在七十年代开始使用这项技术。
等离子氮化处理工件的原理：在真空容器中，以工件为阴极，真空容器壁为阳极，在两极之间施加100-1000V 的直流电压进而产生辉光放电。然后向真空容器内充入氮气与氢气的混合气体，由于辉光放电导致氮化炉内等离子体中部分氮、氢气体变成N +、H +阳离子，通过阴极表面附近产生的电压降，阳离子运动加速，然后高速碰撞工件，利用这种离子的碰撞溅射作用。可除去工件表面的氧化层等杂质。除此之外，利用离子的高速碰撞能量，工件被加热升温到氮化的温度。
等离子氮化的特点及存在的一些问题。
（1） 由于在真空中进行氮化，处理后的工件表面是非氧化的，所以无需进
行后续加工。
（2） 因为氮化时的温度并不是很高所以经等离子氮化处理的工件变形量
很小。
（3） 辉光氮化处理的工件外表面不生成化合物层，只生成扩散层，因此氮
化前后的粗糙度变化很小。
（4） 离子氮化处理环槽不仅可以有效地提高环槽表面的硬度、耐磨性以及
抗腐蚀能力而且还具有对环境污染小的优点。
但是等离子处理环槽表面时效率低且成本高。容易出现温度不均，还有可能因为工件的形状不同，导致氮化层均匀性差。
三、 活塞环槽高频淬火处理
活塞环槽高频淬火早在上世纪七十年代就已经得到普遍应用，活塞环槽高频淬火可有效的提高零件表面的硬度和耐磨性，达到外硬内韧的效果。并且还可以造成工件表面层处于压应力状态，提高工件的疲劳强度，延长工件寿命。
活塞环槽进行高频淬火时应将感应器置于活塞环槽中，旋转活塞，通过调整感应器在环槽中的位置，使感应器和环槽的表面有一定的间隙，利用电磁感应在
环槽表面产生涡流，同时由于集肤效应，从而对环槽表面迅速加热。当达到淬火温度时，向环槽表面喷水，淬火结束。
针对活塞环槽高频淬火的条件，船舶柴油机巨头MAN 公司对活塞环槽强化条件作了如下规定，活塞环槽采用高频淬火技术处理时一定要选取频率可调的并联谐振电源从而实现加热可控。保证冷却液流量可控从而实现冷却速度可控以便达到淬火后的硬度可控。制作带有屏蔽冷却流道的鼻型感应器实现硬化层深度可控。
活塞环槽高频淬火的优点及存在的问题：
（1） 淬火后得到的淬火层硬度高，
（2） 感应加热淬火后工件表面得到极细晶粒，从而使工件表面的硬度高、脆性低以及较高的疲劳强度。
（3） 工件表面不容易氧化和脱碳，且变形也小。
（4） 淬火后得到的淬火层深度容易控制，电流频率越高淬火层越薄，反之，淬火层则越厚，因此可通过调节电流频率控制淬火层的厚度。
四、 等离子硫化处理
等离子硫化处理也就是等离子渗流，这是我国独立发展的一项表面处理技术，等离子硫化处理是在真空条件下采用含硫气体辉光放电离子轰击的方法，使工件表面形成硫化层的一种金属表面处理技术。这种技术可以有效提高工件的自润滑性能，有利于减小摩擦，延长使用寿命。离子渗流可分为低温离子渗硫、中温离子渗流以及高温离子渗流。然而，我国目前对单纯的渗硫技术住集中在低温离子渗硫。在此仅对低温离子渗流作进一步说明。
低温离子渗硫主要是指温度在200摄氏度左右的渗硫。将待渗硫的干净零件放入低温真空容器内的阴极板上，将真空容器壁接在阳极上，然后向容器壁内充入含硫气体，在阴阳两极上加高压脉冲电源。当电压达到某一数值时，硫气就会在电场的作用下电离成硫离子。硫离子运动到阴极附近时受极压的作用而加速，被加速的硫离子轰击金属表面与铁原子发生反应生成含有FeS 的渗硫层。
等离子渗硫处理的特点如下：
（1）硫化层有效地隔阻了金属之间的直接接触，从而降低了黏着磨损的倾向。
（2）由于在渗硫处理的过程中有FeS 生成，所以离子硫化后的金属表面具有优良的自润滑性能以及较高的熔点。
（3）在真空条件下进行，确保零件表面粗糙度不改变，作为零件的最终处理工序不影响零件的尺寸精度。
（4）工件进行离子渗硫处理后的变形量小，并且不会改变零件的组织。
（5）离子硫化处理的设备简单，操作方便，处理后得到的渗硫层质量稳定可靠。
五、表面喷涂处理
喷涂处理是一种应用普遍且古老的处理技术，经过近百年的发展与推广，金属表面喷涂技术已经发展成为一项相当成熟的技术。在这个过程中也不断的提出新的技术。例如：超音速火焰喷涂、冷喷涂、等离子喷涂以及热喷涂技术等，目前由于热喷涂技术应用最为广泛，所以在此只针对该技术做简要阐述。
热喷涂技术处理零件时的原理：利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态并一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体的表面形成涂层。这种处理技术可以普通的表面制造一个特殊的工作表面从而达到防腐、耐磨、减摩以及抗高温等性能。
喷涂技术表面处理的特点以及应用中存在的问题
（1） 技术设备轻便，可以现场施工。
（2） 喷涂操作的程序少，施工时间短，处理效率高。
（3） 喷涂过程中机体表面受热程度较小而且可以控制，因此可以在各种各
材料上进行喷涂，并且基体组织基本不受影响，被处理零件的变形也
小。
（4） 由于喷涂的温度跨度大，所以可被选为涂层的材料范围广。
尽管喷涂技术处理工件时在应用中有很多优点，但是由于涂层的与基体材料之间的弹性模量和膨胀系数的巨大差异，导致涂层与基体之间的结合力较弱，容易出现开裂与脱落现象。因此限制了某些处理工艺的推广。
参考文献:
何科杉，李镇杰，赵娜. 车辆机械零件激光表面改性研究进展[J].材料热处理及技术，2012.
谭勇敢，王文虎，彭春华. 重载货运机车柴油机活塞的研究[J].内燃机与配件，2011.
杨英. 活塞环槽强化处理技术研究[J].内燃机车，2011.
玉本圭司（日）. 等离子体氮化处理技术[J].国外机车车辆工艺，2010. 宋立平. 激光表面改性及其应用[J].物理与工程，2010.
何柏林，孙佳，史建平. 工模具材料激光表面强化处理应用与发展[J].材料热处理技术，2009.
郝巧玲，申超英，王守忠. 活塞环槽的激光表面硬化研究[J].材料热处理技术，2009.
谭勇敢，王文虎，彭春华，杨林生，顾立强. 重在货运机车柴油机活塞研究[J]，机车车辆工艺，2009.
杨英，迟兴国. 机车柴油机活塞的技术发展与创新[J].内燃机学报，2008. 河田一喜（日）. 渗碳处理、氮化处理新技术[J].国外机车车辆工艺，2008. 焦德志.280型内燃机活塞钢顶环槽抗磨减摩涂层及其摩擦副摩擦学性能的研究
[D]，2008.
郭金宝，王树青，宋树峰，吴国栋，魏弟清. 点燃式发动机活塞顶环槽磨损的研究[J].内燃机与动力装置，2008.