現(xiàn)代汽車要求發(fā)動機具有更高的功率和更低的燃油耗，并進一步減少汽車交通對環(huán)境的負擔，為此汽油機和柴油機制造商都要花費更多的研發(fā)費用，零部件供應商在汽油機和柴油機活塞環(huán)具有重要功能特性的基礎(chǔ)材料、耐磨性和結(jié)構(gòu)等方面進行了深入的研究，為實現(xiàn)這些目標要求作出了重要的貢獻。

　　由于未來發(fā)動機功率越來越高，排放法規(guī)不斷加嚴，并要求在降低維修成本的同時，延長發(fā)動機的使用壽命，這一切都對現(xiàn)代發(fā)動機的活塞環(huán)，特別是第一道壓縮環(huán)，提出了越來越高的要求。活塞環(huán)的重要任務主要在于：

　　·密封；

　　·在確保耐燒蝕強度的同時具有良好的熱傳導性；

　　·控制機油耗；

　　·通過應用適合批量生產(chǎn)成本的材料、涂層、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，限制磨損率，延長發(fā)動機的使用壽命。

　　確保功能的設(shè)計特點

　　1.基本材料

　　當今活塞環(huán)應用各種品質(zhì)的鑄鐵材料和鋼。首先考察鑄鐵材料，按照用材料強度、延伸率、疲勞強度和耐磨性等指標表征的承載能力，可選用的鑄造品質(zhì)的全部范圍見表1。對于第一道壓縮環(huán)應特別優(yōu)先選用一種具有高抗彎強度和彈性模數(shù)的球墨鑄鐵，其基體為馬氏體，以獲得高的硬度，可使側(cè)面具有較好的耐磨性。

　　第二道活塞環(huán)能應用無鍍層環(huán)，開發(fā)了一種在調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)下呈現(xiàn)細化片狀組織鑄造品質(zhì)的材料，通過生成鉻、釩、錳和鎢元素的特殊碳化物，以及馬氏體基體組織，以獲得良好的耐磨性。而GOE 44可鍛鑄鐵是一種在細化珠光體基體組織中有針對性地生成殘余碳化物成分的材料，能將高抗切向力強度與良好的耐磨性結(jié)合起來。

　　由于對材料強度和疲勞強度以及良好耐磨性的要求越來越高，現(xiàn)在趨向于進一步優(yōu)化球狀石墨的生成，以便在靜態(tài)（裝配狀態(tài)）和動態(tài)負荷下獲得特別高的抗彎強度，同時用貝氏體基體組織來獲得活塞環(huán)側(cè)面和工作表面較低的磨損率。

　　由于汽油機和柴油機活塞結(jié)構(gòu)高度降低，壓縮環(huán)的軸向高度相應減小，特別是面對20MPa氣缸爆發(fā)壓力，對機械結(jié)構(gòu)的要求越來越高，這一切都要求提高活塞環(huán)側(cè)面的強度和耐磨性。鋼材料特別適合于這些要求。與鑄鐵材料相比，鋼具有良好的機械動態(tài)承載能力，因此在彎曲負荷增大的情況下具有高的疲勞強度。當然，通過表面鍍層和表面處理的效果可部分地縮小鑄鐵和鋼之間動態(tài)強度的差異。試驗表明，通過附加的化學處理（CPS法）可使氮化鋼活塞環(huán)的動態(tài)強度提高大約30％。

　　首先應用含鉻量為13％或18％的高鉻馬氏體鋼，這種材料通過生成精細分布的鉻碳化物和附加生成的滲氮層使表面層硬度明顯提高，從而獲得良好的耐磨性。如果要使用調(diào)質(zhì)處理的Cr-Si低合金鋼的話，則環(huán)工作表面鍍層是必需的。

　　在最近15年內(nèi)，全世界汽油機第1道壓縮環(huán)都由鑄鐵環(huán)改用鋼環(huán)，其中特別是歐洲和日本偏愛于氮化鋼環(huán)（表2）。在汽油機高轉(zhuǎn)速的使用條件下，現(xiàn)在軸向高度低的第1道鋼環(huán)已成為標準零件，在此期間開發(fā)的發(fā)動機的第1道環(huán)超過90%采用氮化鋼環(huán)，而第2道環(huán)大多數(shù)采用成本較低的鑄鐵環(huán)，并根據(jù)各自的功能要求選擇相應的結(jié)構(gòu)型式和工作表面涂層。

　　在歐洲轎車柴油機，即升功率大于50k W/的高負荷發(fā)動機上，第1道壓縮環(huán)必須使用牌號為52/56的球墨鑄鐵，第2道環(huán)采用牌號為32的調(diào)質(zhì)耐磨灰鑄鐵（表3）。通過采用強化的球墨鑄鐵（GOE56 )或含鉻18％鉻鋼來改善活塞環(huán)側(cè)面特別是上側(cè)面的耐磨性。當然，特別是在環(huán)軸向高度低的情況下，鋼環(huán)包含著環(huán)槽磨損增大的風險，但是在每種情況下槽和環(huán)側(cè)面總磨損量的差異并不大。

　　在柴油機上，由于活塞環(huán)的軸向高度較高，其材料向鋼變化的傾向并不明顯。這一方面是因為鑄鐵環(huán)和環(huán)槽鑲?cè)Σ牧现?，間的材料配對非常好，另一方面是因為鑄鐵材料具有非常良好的加工性。

　　原則上，商用車柴油機第1道壓縮環(huán)使用球墨鑄鐵已有非常豐富的經(jīng)驗，這從球墨鑄鐵環(huán)在歐洲柴油機上占有很高的分額就反映出來了（表3）。但是，自從上世紀60年代以來，具有非常低軸向磨損的含鉻18％鉻鋼鍍層壓縮環(huán)在商用車柴油機上的應用也具有相當豐富的批量生產(chǎn)使用經(jīng)驗。此外，隨著氣缸爆發(fā)壓力明顯超過20MPa，可望鋼活塞環(huán)的應用會有所增長。

　　2.活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)型式

　　汽車汽油機第1道活塞環(huán)100％采用矩形環(huán)，其工作表面根據(jù)有關(guān)機油耗和曲軸箱通風方面的要求，采用對稱球形、單邊球形或錐形。大約30％的歐洲轎車汽油機，為了改善機油消耗，工作表面不是帶有單邊鼓形度就是帶有錐度。

　　轎車柴油機大部分第1道活塞環(huán)同樣也采用矩形環(huán)。在最近25年內(nèi)，轎車柴油機第1道活塞環(huán)采用雙梯形環(huán)的份額穩(wěn)定在大約30％。隨著氣缸直徑的增大，由于燃燒側(cè)的影響，雙梯形環(huán)的份額也隨之增加（圖2）。

　　3．活塞環(huán)的軸向高度

　　在最近20年過程中，全世界汽油機第1道壓縮環(huán)明顯趨向于低軸向高度（圖3）。由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高和由此而導致的活塞質(zhì)量的減輕或尺寸的縮小，活塞環(huán)高度的降低在技術(shù)上是必要的。對于第1道活塞環(huán)必須應用軸向高度低的環(huán)而言，開發(fā)氮化鋼環(huán)是一個前提條件。當今開發(fā)汽油機時，1.0mm和1 2mm環(huán)高是第1道活塞環(huán)優(yōu)先選擇的尺寸，而第2道活塞環(huán)優(yōu)先選擇1.2~1.75mm。

　　而在柴油機上，由于氣缸爆發(fā)壓力大大升高，不會出現(xiàn)活塞環(huán)軸向高度降低的趨勢(圖4和圖5)其中活塞環(huán)高度的降低很可能出現(xiàn)在缸徑小于75mm的柴油機上，而在商用車柴油機上，甚至于由于爆發(fā)壓力升高而傾向于加大活塞環(huán)高度。當考慮到應用軸向高度低的活塞環(huán)對降低摩擦功率有相當作用時，要特別注意對軸向耐磨性可能產(chǎn)生的影響。

　　工作表面的耐磨性

　　在現(xiàn)代噴油和燃燒策略下，第1道活塞環(huán)承受著明顯提高的熱負荷和工作負荷，因此通過下列方法改善活塞環(huán)工作表面的強化是開發(fā)工作的重點。

　　1．電化學鍍層

　　現(xiàn)在，標準硬鉻鍍層優(yōu)先選擇用作第2道環(huán)和刮油環(huán)的耐磨層，這種多年來有效應用的鉻碳化物層（CKS），由于其具有較高的熱負荷承載能力和良好的耐磨性，與現(xiàn)代高負荷柴油機的開發(fā)成果卓有成效地結(jié)合起來。

　　為了滿足更高的要求開發(fā)了一種新的鍍層方法，這種鍍層是在硬鉻基體上由特殊的組織形成的極細微的裂紋網(wǎng)格中,牢固地固定著密集的極小的金剛石微粒。這種鉻金剛石鍍層在歐洲被命名為GDC，是目前市場上眾所周知的鍍層中自身磨損最低的。這種GDC鍍層能形成尖銳的環(huán)下工作棱邊，從而成為在高熱負荷承載能力和耐磨性基礎(chǔ)上降低機油耗和曲軸箱通風的一個要素，并以其，有利的綜合性能為未來新一代發(fā)動機提供了一種創(chuàng)新的技術(shù)。

　　由于這種電化學鍍層方法具有相對較高的析出率，因此在技術(shù)方法上具有很大的吸引力。在電化學鍍層方面，針對新材料組合和表面金相組織，旨為進一步提高鉻基體鍍層的熱負荷承載能力，歐洲的一些活塞環(huán)專業(yè)公司進行了長期卓有成效的研究工作，而在系統(tǒng)磨損和效率方面并無重大的缺陷。

　　2．熱噴鍍

　　多年來，在內(nèi)燃機上熱噴鍍用于壓縮環(huán)，特別是等離子噴鍍中陶瓷占了很大的份額。應用陶瓷噴鍍非常有利于減少因環(huán)和氣缸壁之間大大增加的粘連磨損而引起的燒損痕跡，但是它并不適合于能促使進一步改善耐磨性的硬質(zhì)合金類組織的析出。為此，開發(fā)了高速火焰噴鍍(HVOF )技術(shù)，它能將超聲波火焰中的粉末狀碳化鉻，碳化鎢材料和金屬狀鎳一鉻一鉬合金植入和燒結(jié)在活塞環(huán)工作表面，這是在大約3000℃的適宜溫度下進行的，這樣就在鍍層中的內(nèi)部壓應力下，形成埋入鎳-鉻-鑰基體中的亞微觀碳化物。這種鍍層具有多孔性、最高的附著強度和750---1000 HV硬度。除了陶瓷鍍層組織改善抗粘連燒損性能之外，以輝門公司MK-Jet商標使用的HVOF鍍層具有出眾的耐磨性，其磨損要比等離子噴鍍降低30%~40%。

　　3.氮化層

　　在高鉻合金馬氏體鋼上形成氮化層，由于邊緣區(qū)域的硬度明顯提高以及隨之而來的特殊氮析出物，使活塞環(huán)一氣缸套鏡面副的磨損損害大大降低。特別是，氮化工藝過程的發(fā)展使得有可能針對性地控制氮化層的形成，這對氮化層應用的不斷增長具有決定性的意義。

　　通過環(huán)整體的氮化層提高了環(huán)側(cè)面的耐磨性，加上環(huán)槽鑲?cè)?cè)面的超精磨光達到了活塞環(huán)側(cè)面與環(huán)槽側(cè)面的良好協(xié)調(diào)性，已經(jīng)證實這樣是十分有利的。但是，氮化鋼環(huán)的耐磨性及其相對較低的熱負荷承載能力，對應用于現(xiàn)代柴油機第一道活塞環(huán)而言，一般來說是不夠的。

　　4．物理蒸汽沉淀（PVD）鍍層

　　最新一代的活塞環(huán)鍍層是按物理蒸汽沉淀（PVD )法制造的。原則上，這種主要在鉻氮（CrN )基礎(chǔ)上．形成的鍍層的性能特點是1800和2000HV之間極高的硬度、低的摩擦系數(shù)和陶瓷結(jié)晶體組織，因此這種CrN鍍層顯現(xiàn)出了低的磨損率和高的化學穩(wěn)定性。但是，由于這種從稱之為簿層技術(shù)衍生而來的鍍層工藝，使得PVD鍍層在活塞環(huán)上的應用受到了限制。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在鍍層厚度超過50μm的情況下，由于極高的鍍層內(nèi)應力，出現(xiàn)了鍍層的附著和裂紋問題。要解決這些難點要求用鋼作為PVD鍍層活塞環(huán)的基體材料，同時為了減少鍍層與活塞環(huán)基體材料之間的內(nèi)應力，活塞環(huán)基體材料應進行氮化。通常，用于汽油機時的鍍層厚度為10-15μm，而在柴油機上，由于引起磨損的負荷較高，鍍層厚度選用30-50μm為宜。

　　5．鍍層的性能和市場展望

　　圖6表示鍍層相對耐磨性的比較。GDC工作表面鍍層的磨損率是迄今為止最低的。特別是對柴油機而言，熱負荷承載能力／抗燒損能力是必需的，而鉻氮和氮化鋼環(huán)不能滿足現(xiàn)代柴油機的要求，因此通常不使用。高負荷承載能力鍍層的試驗表明，在目前典型的發(fā)動機應用中沒有明顯的差異，仍然能根據(jù)所能達到的極限負荷來作出有關(guān)鍍層熱負荷承載能力的結(jié)論。CKS鍍層滿足了目前批量生產(chǎn)的要求，并能通過GDC來擴大其應用范圍。MK-Jet和PVD性能處于鍍層分級的上好水平。

　　氮化鋼環(huán)自從在歐洲汽油機上使用以來，在上世紀90年代初期是確保功能的非?？煽康牧慵Ｍㄟ^用CKS或PVD方法附加鍍層有可能提高到所要求的抗燒損能力。

　　為了在柴油機上的應用，很早期就已采用的措施仍是必要的，以便達到所要求的耐磨性和抗燒損可靠性。在上世紀90年代初，繼續(xù)推廣應用的鉻鍍層已達到了熱負荷承載能力的極限。雖然等離子鍍層具有抗燒損能力，但是卻引起了明顯的氣缸套鏡面的楔形磨損，而CKS鍍層的開發(fā)成功使抗燒損可靠性得到了大幅度的提高。即使升功率不斷地提高，用這種鍍層至今仍能在保持低的氣缸套磨損的同時，繼續(xù)確保必要的抗燒損可靠性。鉻金剛石鍍層GDC使活塞環(huán)工作表面電化學鍍層的應用范圍得以擴大，以滿足未來期望功率進一步提高的需要（圖7、圖8）。

　　活塞環(huán)工作表面的設(shè)計

　　特別是第一道活塞環(huán)工作表面的設(shè)計在柴油機上越來越重要。第一道活塞環(huán)工作表面采用單邊鼓形設(shè)計已經(jīng)有20多年，對歐洲柴油機而言已是一種標準設(shè)計。下工作邊旁的微小鼓形度在功能上起著重要的作用，同時對大量生產(chǎn)的現(xiàn)代制造技術(shù)提出了極高的要求。 為了獲得最佳的刮油性能，一流的活塞環(huán)工作表面設(shè)計應帶有盡可能尖銳的下工作棱邊。與不加工的倒圓的工作邊相比，采用尖銳的基體材料工作棱邊的活塞環(huán)設(shè)計能改善機油耗，最大可達到60%。

　　貼合能力

　　彈簧漲緊的刮油環(huán)的貼合能力取決于其橫截面和所調(diào)整的切向力，而常規(guī)的等寬單體壓縮環(huán)的貼合能力的額定值則首先決定于開口寬度。在一定的幾何尺寸下，無論是裝配應力還是彈性應力都是由開口寬度產(chǎn)生的，因此由合適的應力狀況和可裝配性為貼合能力確定了相對窄的范圍。

　　單體環(huán)的貼合能力在整個圓周上是不均勻的，特別是在環(huán)開口對面達到最大值。由于在開口端部沒有彎曲力矩，因此該處的貼合能力降至零。圖9表示出常規(guī)活塞環(huán)和一種FO（形狀優(yōu)化）環(huán)在整個圓周上貼合能力的比較。圖10所示的FO環(huán)通過靠近開口處徑向?qū)挾鹊目勺冊O(shè)計得到了形狀優(yōu)化的活塞環(huán)，從而改善了活塞環(huán)的局部彎曲能力和對氣缸不均勻變形的適應能力。

　　迄今為止在汽油機和柴油機上的試驗結(jié)果已證實了降低機油耗的巨大潛力。為了換用FO環(huán)方案，開發(fā)了一種全新的制造方法，并于2005年第一季度首次大量生產(chǎn)裝用FO活塞環(huán)。

　　活塞環(huán)側(cè)面的強化

　　新一代發(fā)動機的要求使得側(cè)面強化成為活塞環(huán)磨損或材料協(xié)調(diào)性的基礎(chǔ)。氮化鋼環(huán)的應用不總是能設(shè)法得到補救的。側(cè)面鍍鉻在重型發(fā)動機上已很好地證實了其可靠性。開發(fā)了一種新的鍍層方法使得矩形和梯形環(huán)側(cè)面的鍍鉻層厚度最大可達到10μm，同時能取消傳統(tǒng)工藝過程中所必需的昂貴的精加工。按“閃光鍍鉻技術(shù)”（“ Blitzchromtechnik”）制造的活塞環(huán)，在2005年開始在商用車發(fā)動機上使用。

　　不久的將來，發(fā)動機的機械負荷和熱負荷還要進一步提高，要求活塞環(huán)的產(chǎn)品和工藝進一步的創(chuàng)新，活塞環(huán)基礎(chǔ)材料的強度和耐磨性也需要進一步開發(fā)。未來柴油機第一道壓縮環(huán)，除了應用鑄鐵材料之外鋼材料也將得到應用。

　　目前能選用的電化學鍍層、熱噴鍍鍍層和PVD鍍層等，在原則上尚未達到其使用極限，應根據(jù)活塞環(huán)的使用條件采用不同的解決方案。

　　為了滿足低機油耗和曲軸箱通風提出的要求，應采用具有最佳幾何形狀的活塞環(huán)，例如最合適的工作表面或形狀優(yōu)化的FO活塞環(huán)。