文/江蘇 范明強

汽油機和柴油機活塞環(huán)的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

文/江蘇 范明強

編者按：作為汽車發(fā)動機領(lǐng)域的資深專家，范明強老師在我刊《基礎(chǔ)知識講座》發(fā)表的連載文章“現(xiàn)代缸內(nèi)直噴式汽油機”、“現(xiàn)代轎車柴油機電控高壓噴油系統(tǒng)”深受廣大讀者喜愛。除了對基礎(chǔ)知識普及工作的孜孜不倦，在2012年第10期《汽車維修與保養(yǎng)》專家文集付印之際，范明強老師還特意為我刊撰寫了《汽油機和柴油機活塞環(huán)的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢》一文。該文就發(fā)動機在面臨“動力更強、效率更高、排放更低”等不斷提高的技術(shù)要求下，活塞環(huán)如何提高發(fā)動機使用壽命、降低發(fā)動機維修成本這一技術(shù)難點，從產(chǎn)品設(shè)計、工作原理以及國際市場展望等方面為廣大讀者做了詳細的介紹。

現(xiàn)代汽車要求發(fā)動機具有更高的功率、更低的油耗和更潔凈的廢氣排放，汽油機和柴油機活塞環(huán)的材料以及耐磨性和結(jié)構(gòu)等對實現(xiàn)這些目標具有重要作用。

由于未來發(fā)動機功率越來越高，而排放法規(guī)越來越嚴格，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)代汽車發(fā)動機的活塞環(huán)，特別是第一道壓縮環(huán)，提出了更高的要求。

發(fā)動機活塞環(huán)的主要功能在于：①汽缸內(nèi)高溫高壓燃氣的密封；②在確保耐燒蝕強度的同時，具有良好的熱傳導性；③控制機油耗，降低廢氣排放(這對于顆粒排放特別重要)；④通過應用適合于批量生產(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。

表1 活塞環(huán)典型的鑄造材料(＊ 指對應于特定環(huán)尺寸的數(shù)值)

一、設(shè)計特點

以下介紹車用汽油機和柴油機活塞第一、第二道壓縮環(huán)基本材料、鍍層、結(jié)構(gòu)型式和軸向高度等方面的發(fā)展狀況，以及為滿足工作表面幾何形狀、耐磨性(鍍層)、貼合能力和側(cè)面強化等方面特殊設(shè)計要求的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

1．基本材料

目前活塞環(huán)采用各種品質(zhì)的鑄鐵和鋼作為材料。對鑄鐵材料而言，如表1所示，按照材料強度、彈性延伸率、疲勞強度和耐磨性等指標表征的承載能力，可選用的各種鑄鐵材料幾乎都用到了。對于第一道壓縮環(huán)，應特別優(yōu)先選用一種具有最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。

當今新開發(fā)的一種在調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)下呈現(xiàn)細化片狀組織的灰鑄鐵材料，被應用于第二道活塞環(huán)，使其實現(xiàn)無鍍層環(huán)的應用，并通過生成鉻、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GOE44可鍛鑄鐵是一種在細化珠光體基體組織中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，特別是疲勞強度和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)負荷下獲得較高的抗彎強度，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)高度不斷降低，壓縮環(huán)的軸向高度相應減小，特別是現(xiàn)代轎車柴油機的強化程度越來越高，最大汽缸爆發(fā)壓力已高達2MPa，對機械結(jié)構(gòu)強度的要求越來越高，這一切都要求提高活塞環(huán)側(cè)面的強度儲備和耐磨性，鋼材料特別符合這些要求。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較高的疲勞強度。圖1是活塞環(huán)用基本材料可承受的應力幅。當然，通過表面鍍層和

表面處理可部分縮小鑄鐵和鋼之間的動態(tài)強度差異。試驗表明，通過附加的化學處理可使氮化鋼活塞環(huán)的動態(tài)強度提高大約30%。

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可使表面層硬度明顯提高，從而獲得良好的耐磨性。如果使用調(diào)質(zhì)處理的Cr-Si低合金鋼，那么環(huán)工作表面鍍層是必需的。

最近20多年內(nèi)，國外車用汽油機第1道壓縮環(huán)都已由鑄鐵環(huán)改用鋼環(huán)，特別是歐洲和日本偏愛于氮化鋼環(huán)(見表2)。在車用汽油機高轉(zhuǎn)速條件下，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)動機第1道環(huán)超過90%采用氮化鋼環(huán)，而第2道環(huán)大多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)形式和工作表面涂層。

在歐洲轎車柴油機即升功率大于50kW/L的高強化發(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(見表3)。通過采用強化的球墨鑄鐵(GOE 56)或18%鉻鋼來改善環(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，使用鋼環(huán)存在著環(huán)槽磨損增大的風險，但在平時情況下環(huán)槽和環(huán)側(cè)面的總磨損量差異并不大。

在柴油機上，由于活塞環(huán)的軸向高度較高，其材料向鋼演變的傾向并不明顯，一方面是因為鑄鐵環(huán)和環(huán)槽鑲?cè)Σ牧现g的材料配對非常好；另一方面是因為鑄鐵材料具有非常好的加工性，這對形成尖銳的環(huán)下工作邊棱特別重要。

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，從球墨鑄鐵環(huán)在歐洲柴油機的使用上占有很高的比例就可以看出(見表3)。但是，自上世紀60年代以來，具有非常低軸向磨損的18 % 鉻鋼鍍層壓縮環(huán)，在商用車柴油機的應用上也具有相當豐富的使用經(jīng)驗。此外，隨著汽缸爆發(fā)壓力超過20 MPa，可望鋼活塞環(huán)的應用會有所增加。

表2 歐洲汽油機第1和2道活塞環(huán)材料的分布

表3 歐洲柴油機活塞環(huán)材料的分布(批量生產(chǎn)和研發(fā)，2010)

2． 活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)型式

車用汽油機第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)的比例穩(wěn)定在30%左右。隨著汽缸直徑的增大，受燃燒側(cè)的影響，雙梯形環(huán)的比重也隨之增加(見圖2)。

3． 活塞環(huán)的軸向高度

最近25年,國外汽油機第1道壓縮環(huán)明顯趨向于低軸向高度(見圖3)。由于轉(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1.2 mm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之間的尺寸。

在柴油機上，由于汽缸爆發(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(見圖4、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，由于爆發(fā)壓力的升高而傾向于加大活塞環(huán)的高度。當考慮到應用軸向高度低的活塞環(huán)對降低摩擦功率具有相當大的作用時，也要特別注意對軸向耐磨性可能產(chǎn)生的影響。

二、工作表面的耐磨性

現(xiàn)代車用發(fā)動機所采用的噴油和燃燒策略,使第1道活塞環(huán)承受著明顯提高的熱負荷和機械負荷，因此通過以下方法提高活塞環(huán)工作表面的耐磨性是開發(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。多年來，這種鉻陶瓷(CKS)由于具有較高的熱負荷承載能力和良好的耐磨性，因此在現(xiàn)代高強化柴油機上有廣泛的應用。

為了滿足更高的要求，美國Federal-Mogul公司開發(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基質(zhì)組織形成的極細微的裂紋網(wǎng)格，并在其中牢固地固定著密集的極小的金剛石微粒(見圖6)，這種鉻金剛石鍍層命名為GDC，它是市場上眾多鍍層中自身磨損最低的一種涂層。這種GDC鍍層能形成尖銳的環(huán)下工作棱邊，在具有高熱負荷承載能力和耐磨性的同時，成為降低機油耗和曲軸箱通風的重要措施，并以其有利的綜合性能為未來新一代高強化發(fā)動機提供了一種創(chuàng)新技術(shù)。由于這種電化學鍍層方法具有相對較高的析出率，因此在工藝方法上具有很大的吸引力。

在電化學鍍層方面，主要的發(fā)展方向是針對新材料組合和表面金相組織，進一步提高鉻基體鍍層的熱負荷承載能力，同時在磨損和機械效率方面又不能出現(xiàn)重大的缺陷。

2． 熱噴鍍

多年來，在車用發(fā)動機上，熱噴鍍主要用于壓縮環(huán)，特別是等離子噴鍍中陶瓷噴鍍占了很大份額。應用陶瓷噴鍍非常有利于減少因活塞環(huán)和汽缸壁之間增加的粘連磨損而引起的燒損痕跡，但它并不適合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CrC、WC材料和金屬狀Ni-Cr-Mo合金植入并燒結(jié)在活塞環(huán)工作表面，這是在大約3000℃的溫度下進行的噴鍍，這樣在鍍層(見圖7)的內(nèi)部壓應力下，形成埋入Ni-Cr-Mo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750～1000HV硬度。除了陶瓷鍍層組織具有改善抗粘連燒損性能外，德國Federal-Mogul公司以MK-Jet商標使用的HVOF鍍層也具有出眾的耐磨性，其磨損率要比等離子噴鍍降低30%～40%。

3． 氮化層

高鉻合金馬氏體鋼上形成的氮化層，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)-汽缸套摩擦副的磨損大大降低。特別是氮化工藝過程的發(fā)展，使得有針對性地控制氮化層的形成成為可能，這對氮化層應用的發(fā)展具有決定性的意義。圖8示出了汽油機實際應用的典型氮化層顯微組織的照片。

活塞環(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)面良好的協(xié)調(diào)性，實際應用已經(jīng)證明這樣的配對是十分有利的。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，一般來說還不夠應用于現(xiàn)代柴油機第一道活塞環(huán)。

4．物理蒸汽沉淀(PVD)涂層

最新一代的活塞環(huán)涂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)上形成的涂層(見圖9)，其性

能特點是具有1800～2000HV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涂層顯現(xiàn)出較低的磨損率和較高的化學穩(wěn)定性。但是，這種從簿層技術(shù)衍生而來的涂層工藝，使得PVD涂層在活塞環(huán)上的應用受到了限制。事實證明，在涂層厚度超過50μm的情況下，由于極高的涂層內(nèi)應力，出現(xiàn)了涂層的附著和裂紋問題。要解決這些難點，首先要用鋼作為PVD涂層活塞環(huán)的基體材料，同時為了減少涂層與活塞環(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，用于汽油機的涂層厚度為10～15μm，而柴油機，由于引起磨損的負荷較高，其涂層厚度選用30～50μm為宜。

5．涂層的性能和市場展望

圖10示出了本文所介紹的涂層相對耐磨性的比較。GDC工作表面涂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。試驗表明，高負荷承載能力涂層在目前典型的車用發(fā)動機應用中沒有明顯差異，仍然能根據(jù)所能達到的極限負荷做出有關(guān)涂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(HVOF)鍍層和PVD性能處于涂層分級的較高水平。

自氮化鋼環(huán)在歐洲汽油機上使用以來，上世紀90年代初期是確保功能非?？煽康牧慵Ｈ鐖D8所示，氮化鋼環(huán)橫斷面上表層中相應的硬度分布情況，通過用CKS或PVD方法附加涂層，有可能提高到要求的抗燒損能力。圖11顯示出1985～2010年間歐洲批量生產(chǎn)汽油機第一道活塞環(huán)采用涂層的情況。

對柴油機而言，為了達到要求的耐磨性和抗燒損可靠性，早期就已采用的措施仍是必要的。上世紀90年代初期，繼續(xù)推廣使用的鉻鍍層已達到了熱負荷承載能力的極限，雖然等離子涂層具有抗燒損能力，但是卻引起了汽缸套工作表面明顯的錐形磨損，而CKS涂層的開發(fā)成功地使抗燒損的可靠性得到了大幅提高。即使比功率不斷地提高，但這種涂層仍能在保持低的汽缸套磨損的同時，進一步確保必要的抗燒損可靠性。GDC鉻金剛石鍍層使活塞環(huán)工作表面電化學鍍層的應用范圍進一步擴大，以滿足未來車用發(fā)動機功率進一步提高的需要。圖12顯示出1985～2010年期間歐洲轎車柴油機活塞環(huán)涂層的應用狀況。

三、活塞環(huán)工作表面的設(shè)計

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)工作表面單邊鼓形設(shè)計已經(jīng)有20多年的歷史，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，同時也對現(xiàn)代制造技術(shù)提出了更高的要求。

為了獲得最佳的刮油性能，良好的活塞環(huán)工作表面設(shè)計應盡可能帶有尖銳的下工作棱邊。與不加工的倒圓工作棱邊相比，采用尖銳的基體材料工作棱邊的活塞環(huán)能改善機油耗，其最高可達到60%。

四、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)等寬單體壓縮環(huán)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決定的，因此，合適的應力狀況和可裝配性為貼合能力限制了相對窄的范圍。

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為零。圖13原理性地顯示出常規(guī)活塞環(huán)和一種FO(形狀優(yōu)化)活塞環(huán)在整個活塞環(huán)圓周上貼合能力的比較。如圖14所示的FO活塞環(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汽缸不均勻變形的適應能力。

迄今為止，汽油機和柴油機上的試驗結(jié)果已證實這種貼合能力優(yōu)化的FO活塞環(huán)降低機油耗的巨大潛力。為了換用FO活塞環(huán)，美國Federal-Mogul公司開發(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)。

五、活塞環(huán)的側(cè)面強化

現(xiàn)在新一代發(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)。氮化鋼活塞環(huán)側(cè)面鍍鉻在重型柴油機上已很好地證實了其可靠性。開發(fā)的新鍍層方法，使得矩形環(huán)和梯形環(huán)側(cè)面的鍍鉻層厚度最大可達10μm，同時能取消傳統(tǒng)工藝過程中所必需的昂貴的精加工?！伴W光鍍鉻技術(shù)”制造的活塞環(huán)，在2005年已開始在商用車柴油機上使用。

不久的將來，車用汽油機和柴油機的機械負荷、熱負荷還要進一步提高，要求活塞環(huán)在設(shè)計和制造工藝上進一步創(chuàng)新，活塞環(huán)基礎(chǔ)材料的強度和耐磨性也要進一步開發(fā)。未來車用柴油機第一道壓縮環(huán)除了應用鑄鐵材料外，鋼材料也將得到應用。

目前選用的電化學鍍層、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)的使用條件采取不同的解決方案。為了滿足低機油耗和曲軸箱通風所提出的要求，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)，以進一步提高活塞環(huán)的貼合能力。