摘要：

　　发动机陶瓷部件的主要问题包括裂纹、涂层剥落及成本较高。根据多家公司的试验数据：三井造船在多孔氧化锆活塞上实现5%绝热度，活塞顶背面降温80~130℃；日立造船的双层陶瓷活塞绝热度达57%；英国T&N公司的陶瓷挺柱使凸轮轴磨损减少90%；三菱公司的陶瓷摇臂头磨损率降低为原来的1/3。缺点是整体陶瓷活塞环价格昂贵，全陶瓷缸套可靠性存疑。目前已有十余种陶瓷部件实现实用化，但成本和可靠性仍是主要障碍。

　　1   制作方法、基本数据与术语解释

　　常用材料与工艺

　　陶瓷部件主要使用部分稳定氧化锆（PSZ）、氮化硅（SSN）、钛酸铝及反应烧结氮化硅（RBSN）。制作方式有两类：

　　陶瓷镶块：将预制陶瓷块嵌入金属活塞，常用材料为钛酸铝或氧化锆。

　　陶瓷涂层：在金属表面喷涂PSZ等材料。日本曾开发出多孔PSZ材料，其绝热效果明显优于普通氧化锆涂层。

　　术语解释（用日常说法）

　　绝热度：指陶瓷部件相比金属部件降低温度的百分比。数值越高，保温效果越好。

　　不良品：这里指出现裂纹、涂层脱落、尺寸不准或受热变形的零件。

　　具体试验数据（来自原始文本）

　　某井造船在一台缸径120毫米的两冲程柴油机上，使用多孔PSZ材料对活塞进行绝热，运行500小时后，绝热度为5%，活塞顶背面温度下降了80至130℃。

　　某立造船在一个缸径400毫米的活塞上采用双层结构：顶部用氮化硅抵抗热应力，下面用较薄的氧化锆起绝热作用，两者用机械方式连接。该活塞在试验机上运行200小时（其中全负荷50小时），绝热度达到57%。

　　某特公司曾试验全陶瓷活塞，即取消活塞环，让陶瓷活塞直接与陶瓷汽缸套配对，在无润滑条件下工作。原文未提供具体寿命数据。

　　2    结构分析与实际案例

　　陶瓷部件与金属部件的热膨胀程度不同（陶瓷变形小，金属变形大）。当发动机温度快速变化时，两者结合处容易产生内应力，导致裂纹或涂层剥落。以下案例展示了不同公司如何应对这一问题。

　　案例1：缸套局部绝热

　　汽缸套上部温度很高。为避免制造困难，一些公司只在热的一段（即活塞第一环上止点以上位置）进行绝热。做法是在缸套上部加一个陶瓷圈，或者喷涂一层陶瓷。有公司采用全喷涂汽缸套——在内壁全长喷涂氧化锆和三氧化二铬的复合陶瓷涂层。原文提到，经过500至650小时台架耐久试验，证明该涂层工作可靠。

　　存疑信息：美国康明斯公司曾用PSZ和三氧化二铝制成陶瓷内衬，压入铁外套中做成复合缸套，但原文称试验结果未见报道。

　　案例2：活塞环与环槽的配对

　　整体陶瓷活塞环价格很高，因此常用耐磨涂层代替。例如：

　　喷涂一氧化铬和二氧化硅的钢环，配合喷涂PSZ的缸套；

　　化学蒸镀碳化钛的钢环，配合化学蒸镀氧化锆或三氧化二铝的铸钢套；

　　热压碳化钛环配合烧结氮化硅缸套。

　　原文未提供这些配对方式的具体寿命数据，但指出它们是降低成本的主要方向。

　　案例3：活塞销与配气机构

　　陶瓷活塞销因硬度高、变形小，可减少销孔应力，并与金属基复合材料连杆及活塞配合使用，提高耐磨性。缺点是制造成本很高。

　　陶瓷挺柱方面，英国T&N公司制造了整体陶瓷挺柱（材料为致密氮化硅）和带陶瓷嵌体的挺柱。在陶瓷表面光滑且有机油润滑的条件下，与钢凸轮轴配对运行100小时后，凸轮轴的磨损量比使用金属挺柱时减少了十分之一（即减少90%）。

　　日本某公司最早使用陶瓷摇臂头。与原来的硬质合金烧结摇臂头相比，陶瓷摇臂头的磨损率降低为三分之一，同时凸轮轴磨损率降低为十分之一。陶瓷气门因重量轻，开闭更迅速，在高温高压下不仅磨损少，成本上也具优势。

　　案例4：涡轮增压器与轴承

　　陶瓷涡轮转子可减小转动惯量，改善发动机的加速响应。转子形状复杂，需用精密注射成型工艺。主要材料为致密氮化硅和致密碳化硅。

　　陶瓷轴承（如氮化硅制造的滚动轴承）用于大型增压器的止推片及轴套，抗磨损和抗腐蚀效果显著。此外，密封环（树脂或锑浸渍石墨配合碳化硅配对环）、针阀、汽缸盖等零件也有采用陶瓷材料的实例。

　　3    结论：已知数据与主要障碍

　　实用化现状

　　已经实现实用化的陶瓷发动机部件有十余种，包括活塞、缸套涂层、挺柱、摇臂头、气门、涡轮转子、轴承、密封环等~

　　可靠性数据（来自原文试验）

　　某井造船活塞：500小时运行，无失效报告。

　　某立造船活塞：200小时运行（含50小时全负荷），无失效报告。

　　全喷涂气缸套：500~650小时台架试验，工作可靠。

　　英国T&N陶瓷挺柱：100小时运行后，凸轮磨损量仅为金属挺柱配对的1/10。

　　某陶瓷摇臂头：磨损率降低至原硬质合金摇臂头的1/3，凸轮磨损率降低至1/10。

　　主要障碍

　　原文明确指出两个原因阻碍了陶瓷发动机的发展速度：

　　可靠性：全陶瓷缸套等部件曾被试验，但存在可靠性问题（如小松公司的案例，具体缺陷未详细说明）。

　　成本价格：整体陶瓷活塞环、陶瓷活塞销等零件制造费用昂贵，限制了批量应用。

　　总结

　　优化陶瓷部件工艺的关键在于：选择适合的绝热结构（如双层机械连接或梯度涂层）、控制涂层与金属基体的热应力、合理配对摩擦副（如涂层活塞环与涂层缸套）。现有试验数据表明，陶瓷部件在减摩、降温、减轻重量方面效果明显，但可靠性和成本问题仍需进一步解决。