現(xiàn)代汽車要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的功率和更低的燃油耗，并進(jìn)一步減少汽車交通對(duì)環(huán)境的負(fù)擔(dān)，為此汽油機(jī)和柴油機(jī)制造商都要花費(fèi)更多的研發(fā)費(fèi)用，零部件供應(yīng)商在汽油機(jī)和柴油機(jī)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(jìn)行了深入的研究，為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)要求作出了重要的貢獻(xiàn)。

　　由于未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)功率越來(lái)越高，排放法規(guī)不斷加嚴(yán)，并要求在降低維修成本的同時(shí)，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，這一切都對(duì)現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞環(huán)，特別是第一道壓縮環(huán)，提出了越來(lái)越高的要求?；钊h(huán)的重要任務(wù)主要在于：

　　·密封；

　　·在確保耐燒蝕強(qiáng)度的同時(shí)具有良好的熱傳導(dǎo)性；

　　·控制機(jī)油耗；

　　·通過(guò)應(yīng)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(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

　　確保功能的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

　　1.基本材料

　　當(dāng)今活塞環(huán)應(yīng)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(qiáng)度、延伸率、疲勞強(qiáng)度和耐磨性等指標(biāo)表征的承載能力，可選用的鑄造品質(zhì)的全部范圍見(jiàn)表1。對(duì)于第一道壓縮環(huán)應(yīng)特別優(yōu)先選用一種具有高抗彎強(qiáng)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(yīng)用無(wú)鍍層環(huán)，開(kāi)發(fā)了一種在調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)下呈現(xiàn)細(xì)化片狀組織鑄造品質(zhì)的材料，通過(guò)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(xì)化珠光體基體組織中有針對(duì)性地生成殘余碳化物成分的材料，能將高抗切向力強(qiáng)度與良好的耐磨性結(jié)合起來(lái)。

　　由于對(duì)材料強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度以及良好耐磨性的要求越來(lái)越高，現(xiàn)在趨向于進(jìn)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(dòng)態(tài)負(fù)荷下獲得特別高的抗彎強(qiáng)度，同時(shí)用貝氏體基體組織來(lái)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(jī)和柴油機(jī)活塞結(jié)構(gòu)高度降低，壓縮環(huán)的軸向高度相應(yīng)減小，特別是面對(duì)20MPa氣缸爆發(fā)壓力，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求越來(lái)越高，這一切都要求提高活塞環(huán)側(cè)面的強(qiáng)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(jī)械動(dòng)態(tài)承載能力，因此在彎曲負(fù)荷增大的情況下具有高的疲勞強(qiáng)度。當(dāng)然，通過(guò)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(dòng)態(tài)強(qiáng)度的差異。試驗(yàn)表明，通過(guò)附加的化學(xué)處理（CPS法）可使氮化鋼活塞環(huán)的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度提高大約30％。

　　首先應(yīng)用含鉻量為13％或18％的高鉻馬氏體鋼，這種材料通過(guò)生成精細(xì)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(jī)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(ài)于氮化鋼環(huán)（表2）。在汽油機(jī)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(biāo)準(zhǔn)零件，在此期間開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)的第1道環(huán)超過(guò)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(yīng)的結(jié)構(gòu)型式和工作表面涂層。

　　在歐洲轎車柴油機(jī)，即升功率大于50k W/的高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)上，第1道壓縮環(huán)必須使用牌號(hào)為52/56的球墨鑄鐵，第2道環(huán)采用牌號(hào)為32的調(diào)質(zhì)耐磨灰鑄鐵（表3）。通過(guò)采用強(qiáng)化的球墨鑄鐵（GOE56 )或含鉻18％鉻鋼來(lái)改善活塞環(huán)側(cè)面特別是上側(cè)面的耐磨性。當(dāng)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(fēng)險(xiǎn)，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(jī)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?yàn)殍T鐵環(huán)和環(huán)槽鑲?cè)Σ牧现?，間的材料配對(duì)非常好，另一方面是因?yàn)殍T鐵材料具有非常良好的加工性。

　　原則上，商用車柴油機(jī)第1道壓縮環(huán)使用球墨鑄鐵已有非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，這從球墨鑄鐵環(huán)在歐洲柴油機(jī)上占有很高的分額就反映出來(lái)了（表3）。但是，自從上世紀(jì)60年代以來(lái)，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(jī)上的應(yīng)用也具有相當(dāng)豐富的批量生產(chǎn)使用經(jīng)驗(yàn)。此外，隨著氣缸爆發(fā)壓力明顯超過(guò)20MPa，可望鋼活塞環(huán)的應(yīng)用會(huì)有所增長(zhǎng)。

　　2.活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)型式

　　汽車汽油機(jī)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(jī)油耗和曲軸箱通風(fēng)方面的要求，采用對(duì)稱球形、單邊球形或錐形。大約30％的歐洲轎車汽油機(jī)，為了改善機(jī)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(jī)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(jī)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(guò)程中，全世界汽油機(jī)第1道壓縮環(huán)明顯趨向于低軸向高度（圖3）。由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高和由此而導(dǎo)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(duì)于第1道活塞環(huán)必須應(yīng)用軸向高度低的環(huán)而言，開(kāi)發(fā)氮化鋼環(huán)是一個(gè)前提條件。當(dāng)今開(kāi)發(fā)汽油機(jī)時(shí)，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(jī)上，由于氣缸爆發(fā)壓力大大升高，不會(huì)出現(xiàn)活塞環(huán)軸向高度降低的趨勢(shì)(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(jī)上，而在商用車柴油機(jī)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(dāng)考慮到應(yīng)用軸向高度低的活塞環(huán)對(duì)降低摩擦功率有相當(dāng)作用時(shí)，要特別注意對(duì)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(fù)荷和工作負(fù)荷，因此通過(guò)下列方法改善活塞環(huán)工作表面的強(qiáng)化是開(kāi)發(fā)工作的重點(diǎn)。

　　1．電化學(xué)鍍層

　　現(xiàn)在，標(biāo)準(zhǔn)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(lái)有效應(yīng)用的鉻碳化物層（CKS），由于其具有較高的熱負(fù)荷承載能力和良好的耐磨性，與現(xiàn)代高負(fù)荷柴油機(jī)的開(kāi)發(fā)成果卓有成效地結(jié)合起來(lái)。

　　為了滿足更高的要求開(kāi)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(xì)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(chǎng)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(fù)荷承載能力和耐磨性基礎(chǔ)上降低機(jī)油耗和曲軸箱通風(fēng)的一個(gè)要素，并以其，有利的綜合性能為未來(lái)新一代發(fā)動(dòng)機(jī)提供了一種創(chuàng)新的技術(shù)。

　　由于這種電化學(xué)鍍層方法具有相對(duì)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(xué)鍍層方面，針對(duì)新材料組合和表面金相組織，旨為進(jìn)一步提高鉻基體鍍層的熱負(fù)荷承載能力，歐洲的一些活塞環(huán)專業(yè)公司進(jìn)行了長(zhǎng)期卓有成效的研究工作，而在系統(tǒng)磨損和效率方面并無(wú)重大的缺陷。

　　2．熱噴鍍

　　多年來(lái)，在內(nèi)燃機(jī)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(yīng)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(jìn)一步改善耐磨性的硬質(zhì)合金類組織的析出。為此，開(kāi)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(jìn)行的，這樣就在鍍層中的內(nèi)部壓應(yīng)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(qiáng)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(mén)公司MK-Jet商標(biāo)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(lái)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(guò)程的發(fā)展使得有可能針對(duì)性地控制氮化層的形成，這對(duì)氮化層應(yīng)用的不斷增長(zhǎng)具有決定性的意義。

　　通過(guò)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(dá)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(shí)這樣是十分有利的。但是，氮化鋼環(huán)的耐磨性及其相對(duì)較低的熱負(fù)荷承載能力，對(duì)應(yīng)用于現(xiàn)代柴油機(jī)第一道活塞環(huán)而言，一般來(lái)說(shuō)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(diǎn)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(xué)穩(wěn)定性。但是，由于這種從稱之為簿層技術(shù)衍生而來(lái)的鍍層工藝，使得PVD鍍層在活塞環(huán)上的應(yīng)用受到了限制。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在鍍層厚度超過(guò)50μm的情況下，由于極高的鍍層內(nèi)應(yīng)力，出現(xiàn)了鍍層的附著和裂紋問(wèn)題。要解決這些難點(diǎn)要求用鋼作為PVD鍍層活塞環(huán)的基體材料，同時(shí)為了減少鍍層與活塞環(huán)基體材料之間的內(nèi)應(yīng)力，活塞環(huán)基體材料應(yīng)進(jìn)行氮化。通常，用于汽油機(jī)時(shí)的鍍層厚度為10-15μm，而在柴油機(jī)上，由于引起磨損的負(fù)荷較高，鍍層厚度選用30-50μm為宜。

　　5．鍍層的性能和市場(chǎng)展望

　　圖6表示鍍層相對(duì)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(duì)柴油機(jī)而言，熱負(fù)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(jī)的要求，因此通常不使用。高負(fù)荷承載能力鍍層的試驗(yàn)表明，在目前典型的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中沒(méi)有明顯的差異，仍然能根據(jù)所能達(dá)到的極限負(fù)荷來(lái)作出有關(guān)鍍層熱負(fù)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(guò)GDC來(lái)擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。MK-Jet和PVD性能處于鍍層分級(jí)的上好水平。

　　氮化鋼環(huán)自從在歐洲汽油機(jī)上使用以來(lái)，在上世紀(jì)90年代初期是確保功能的非?？煽康牧慵?。通過(guò)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(jī)上的應(yīng)用，很早期就已采用的措施仍是必要的，以便達(dá)到所要求的耐磨性和抗燒損可靠性。在上世紀(jì)90年代初，繼續(xù)推廣應(yīng)用的鉻鍍層已達(dá)到了熱負(fù)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(kāi)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(shí)，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(xué)鍍層的應(yīng)用范圍得以擴(kuò)大，以滿足未來(lái)期望功率進(jìn)一步提高的需要（圖7、圖8）。

　　活塞環(huán)工作表面的設(shè)計(jì)

　　特別是第一道活塞環(huán)工作表面的設(shè)計(jì)在柴油機(jī)上越來(lái)越重要。第一道活塞環(huán)工作表面采用單邊鼓形設(shè)計(jì)已經(jīng)有20多年，對(duì)歐洲柴油機(jī)而言已是一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。下工作邊旁的微小鼓形度在功能上起著重要的作用，同時(shí)對(duì)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(jì)應(yīng)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(jì)能改善機(jī)油耗，最大可達(dá)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(kāi)口寬度。在一定的幾何尺寸下，無(wú)論是裝配應(yīng)力還是彈性應(yīng)力都是由開(kāi)口寬度產(chǎn)生的，因此由合適的應(yīng)力狀況和可裝配性為貼合能力確定了相對(duì)窄的范圍。

　　單體環(huán)的貼合能力在整個(gè)圓周上是不均勻的，特別是在環(huán)開(kāi)口對(duì)面達(dá)到最大值。由于在開(kāi)口端部沒(méi)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(gè)圓周上貼合能力的比較。圖10所示的FO環(huán)通過(guò)靠近開(kāi)口處徑向?qū)挾鹊目勺冊(cè)O(shè)計(jì)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(duì)氣缸不均勻變形的適應(yīng)能力。

　　迄今為止在汽油機(jī)和柴油機(jī)上的試驗(yàn)結(jié)果已證實(shí)了降低機(jī)油耗的巨大潛力。為了換用FO環(huán)方案，開(kāi)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(qiáng)化

　　新一代發(fā)動(dòng)機(jī)的要求使得側(cè)面強(qiáng)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(yīng)用不總是能設(shè)法得到補(bǔ)救的。側(cè)面鍍鉻在重型發(fā)動(dòng)機(jī)上已很好地證實(shí)了其可靠性。開(kāi)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(dá)到10μm，同時(shí)能取消傳統(tǒng)工藝過(guò)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(kāi)始在商用車發(fā)動(dòng)機(jī)上使用。

　　不久的將來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷還要進(jìn)一步提高，要求活塞環(huán)的產(chǎn)品和工藝進(jìn)一步的創(chuàng)新，活塞環(huán)基礎(chǔ)材料的強(qiáng)度和耐磨性也需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。未來(lái)柴油機(jī)第一道壓縮環(huán)，除了應(yīng)用鑄鐵材料之外鋼材料也將得到應(yīng)用。

　　目前能選用的電化學(xué)鍍層、熱噴鍍鍍層和PVD鍍層等，在原則上尚未達(dá)到其使用極限，應(yīng)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(jī)油耗和曲軸箱通風(fēng)提出的要求，應(yīng)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)。