活塞环是内燃机最重要的零部件之一,其在工作过程中既要承受高温高压燃气的侵蚀,又要承受剧烈的磨损和较大冲击负荷的作用,工作环境十分恶劣。因此,需要对活塞环进行表面处理以提高表面硬度、改善表面润滑状态、增强耐磨性以延长使用寿命。活塞环经氮化处理后表面具有较高的硬度和较强的耐磨性,且芯部又具有较强的韧性,是常用的活塞环表面处理方式。液相等离子体电解渗氮（Plasma Electrolytic Nitriding,PEN）是一种高效节能的钢铁表面氮化技术,将该技术应用于活塞环表面氮化处理,既可以提升活塞环的使用性能,又有助于解决传统活塞环表面氮化方式存在的周期长、能耗高和操作繁琐等问题。本文选用甲酰胺为渗剂,氯化铵为导电盐,将甲酰胺与浓度为10%NH₄Cl溶液按体积比4:1配制电解液。然后以活塞环为阴极,不锈钢棒为阳极,对活塞环进行液相等离子体电解渗氮处理。之后分析活塞环表面PEN改性层的结构、元素分布及相组成等特征,并探究工作电压、处理时间、占空比和电源输出频率等操作参数对活塞环表面PEN改性层的截面硬度分布、表面轮廓、表面粗糙度和摩擦学性能的影响。主要研究内容如下:（1）操作参数对活塞环表面PEN改性层结构和渗入元素分布的影响规律研究。运用扫描电子显微镜观察活塞环表面PEN改性层的结构,发现改性层由外而内依次为化合物层、扩散层和过渡层。改性层厚度随工作电压升高、处理时间延长和占空比升高而增加,随电源输出频率升高而减少。各操作参数对改性层厚度影响的显著程度依次为工作电压、处理时间、频率和占空比。运用能谱分析仪对渗入改性层内元素的分布规律进行了分析,发现渗入活塞环内的N元素主要分布在化合物层和扩散层,且其含量由表及里呈降低趋势。（2）操作参数对活塞环表面PEN改性层相组成的影响规律研究。运用X射线衍射仪分析活塞环表面PEN改性层的相组成,发现渗入活塞环内的N元素在改性层中以固溶体的形式存在,主要相组成为Fe_2-3N、Fe₄N。研究表明,适当地提高工作电压和延长处理时间有助于改性层中铁氮化合物的形成与扩散,而占空比与电源输出频率的变化对活塞环表面改性层中的相组成影响较小。（3）PEN改性层截面硬度的影响因素及分布规律研究。使用显微硬度测量仪测试活塞环表面渗氮改性层的截面硬度分布,发现改性层截面的硬度分布呈现先增高后降低趋势,且最大硬度值一般出现在扩散层中。此外,改性层的最大硬度值随工作电压提高、处理时间延长、占空比升高和电源输出频率降低而增大,最高可达基体3倍。（4）PEN活塞环表面粗糙度和表面轮廓影响因素及其随操作参数变化规律研究。采用表面轮廓仪测试PEN活塞环的表面轮廓和表面粗糙度。结果表明,由于处理过程中等离子体冲击活塞环表面会产生数量众多的凹坑和硬质凸起,导致等离子体电解渗氮活塞环的表面轮廓更加粗糙。此外,提高工作电压、延长处理时间、升高占空比以及降低电源输出频率等操作手段均会导致活塞环的表面粗糙度增大。（5）PEN活塞环摩擦系数和磨损率的影响因素及其随操作参数变化规律研究。使用摩擦学试验机测试未处理活塞环和PEN活塞环的摩擦学性能。结果表明,等离子体电解渗氮活塞环的摩擦系数会因表面粗糙度增加而升高,但表面硬度以及储油能力的提高能够有效抑制磨损率的上升。此外,等离子体电解渗氮活塞环的磨损率随处理时间延长和电源输出频率减小而降低。当处理时间为15min时,等离子体电解渗氮活塞环的磨损率比未处理活塞环降低了46.8%;当电源输出频率为500Hz时,等离子体电解渗氮活塞环的磨损率比未处理活塞环降低了40%。从磨损率曲线分析得出,活塞环表面等离子体电解渗氮工艺较优的工作电压为260V,较优的占空比为40%。