用 户对车用发动机更高动力性和更低燃油耗的期望以及社会对减少由于汽车交通造成环境污染的要求，迫使汽油机和柴油机制造商在开发中投入更多的人力和 动力。德国Federal—MogulBurscheid有限公司作为一个配件供应商，对内燃机气环的基本材料、耐磨性和结构设计进行了优化和开发，为实 现这一目标作出了重要贡献。
关键词：气环 汽油机 柴油机 材料 涂层 设计
0 前言
由于对发动机功率要求不断提高，排放法定限值收紧，使用寿命要延长，同时要降低维护成本，因此对现代内燃机的活塞环，尤其是第一道气环的 要求也就越来越高。这些要求基本与活塞环的主要功能有关：（1）密封性；（2）传热并确保不发生烧伤；（3）调节机油消耗量；（4）通过使用适当的材料、 涂层、结构和在批量生产条件下合理成本的生产过程来限制活塞环的磨损速率，延长发动机的使用寿命。
1 由功能决定的设计特征
下面概述内燃机第一道和第二道气环在基体材料、涂层、结构型式和轴向环高方面的现状和展望。接着描述为满足外圆工作表面的磨损防护（涂层）、外圆工作表面形状和尺寸设计、外圆贴合能力及侧面强化等特殊要求的设计特征。
1.1 基体材料
目前，活塞环的材料基本上仍是采用各种品质等级的铸铁和钢。首先是铸铁材料，与材料强度、强性延伸性能、疲劳强度和耐磨性等方面的要求相 对应，有一系列品质范围很广的品种（表1）。对于第一道气环来说，优先使用弯曲强度和E－模量最高的环墨铸铁，旨在提高硬度的马氏体基体决定环侧面的耐磨 性。为了在第二道活塞环槽中能使用无涂层的活塞环，开发了经调质处理的细片墨铸铁。通过生成铬、钒、锰和钨的特殊碳化物及马氏体基体达到最佳的耐磨性。可 锻铸铁GOE 44是一种在细晶粒珠光体基体上残留一定量碳化物的材料，使活塞有可能兼具较高的切向力和良好的耐磨性。
鉴于对材料强度、疲劳强度和耐磨性要求越来越高所推动的发展趋势，其标识性特征为进一步优化球状石墨形态，以进一步提高静态（安装状态）和动态负荷下的弯曲强度。此外，通过贝氏体基体组织减小环侧面和外周工作表面的磨损速率。
近年来，随着汽油机和柴油机活塞结构高度的降低，导致气环轴向高度缩小，尤其对于最高燃烧压力达到20 MPa的柴油机来说，越来越高的机械强度要求，势必要求环材料具有较高的强度储备，以及环的侧面具有较高的耐磨性。钢材料特别适于满足这种要求。钢与铸铁 相比，动负荷下强度较好，在脉动弯曲负荷下有较高的疲劳强度。图1表示制造活塞环用的基体材料所能承受的应力幅。铸铁与钢之间动态强度的差异会因表面涂层 和酣理韵影响而减小。研究表明，氮化钢环的动态强度可通过附加的化学处理（CPS处理）提高30%左右。
主要应用含铬13%~18%的高铬马氏体钢，通过生成弥散的碳化物以及附加的氮化层大大提高表层硬度保证耐磨性。如果使用调质的低合金Cr-Si钢，则环的工作表面需要一层保护或强化涂层。
近15年来，在全世界范围内汽油机第一道气环有从铸铁环向钢环转变的趋势。尤其在欧洲和日本，大量应用氮化钢环（表2）。目前，在高转速汽油机的边界条件 下，轴向高度小的钢环 已成为第一道气环的标准模式。现今开发的汽油机有90%以上在第一道环槽中装的是氮化钢环。对于第二道气环来说，出于成本考虑，一般仍用铸铁材料，其设计 和工作表面涂层根据相应的功能要求确定。
在欧洲轿车柴油机领域，在升功率>50 kW/L的高强化柴油机中，第一道气环成功地应用了52/56等级的材料（球墨铸铁），而第二道气环为32等级的调质耐磨材料（表3）。为了改善环侧面、 尤其是下侧面的耐磨性，应用比较硬的球墨铸铁材料（GOE56），或者含铬18%的钢。当然钢环有环槽磨损加剧的风险（特别是轴向高度较小的环），所以环 槽和环侧面的总磨损不再逐个细分。
柴油机轴向高度较高的气环并没有明显改用钢材料的趋势。一是由于铸铁环与环槽镶圈之间材料配副非常好，二是由于铸铁材料加工性能非常好，特别是对于形成比较尖锐的下工作棱边来说。
载货车柴油机的第一道气环用球墨铸铁材料积累了丰富的经验。这反映在欧洲车用柴油机中铸铁环占很大比例（表3）。但是自20世纪60年代 以来，也在载货车柴油机上应用由18%Cr钢制造并加涂层的气环方面获得了理想的批量生产经验，其轴向磨损非常小。此外，由于最高燃烧压力>20 MPa机型的开发，第一道气环用钢材料制造会越来越多。
1.2 活塞环的结构型式
车用汽油机第一道气环完全是矩形环。其外圆工作表面根据机油耗和漏气方面的要求做成对称桶形、单侧桶形或锥形。约30%的欧洲轿车柴油机为了改善机油耗，第一道气环做成单侧桶形或锥形。
大多数轿车柴油机第一道气环做成矩形。近25年来，轿车柴油机采用双侧梯形环的比率稳定在30%左右。随着发动机气缸直径的加大，由于燃烧方面的影响，采用双侧梯形环的比率也增加了（图2）。
1.3 环的轴向高度
近20年来，全球的汽油机第一道气环轴向高度明显呈不断减小的趋势（图3）。这种高度的缩小是技术上的要求，因为发动机转速提高，所以要 减小活塞的质量和尺寸。氮化钢环的开发是成功应用轴向很薄的第一道气环的前提。开发汽油机时，一般把第一道气环轴向高度设计为1.0～1.2 mm，第二道气环为1.2～1.75mm。
对于柴油机来说，由于燃烧压力大大提高，没有形成不断缩小环高的趋势（图4和5）。只有缸径<75 mm的柴油机才有缩小活塞环轴向高度的趋势。轿车柴油机由于最高燃烧压力不断提高，甚至有增大环高的趋势。如果考虑到要降低摩擦功率损失，那么轴向高度低 的活塞环的应用就要多加斟酌，特别要注意可能对轴向磨损的影响。
2 外圆工作表面的磨损保护
显然，第一道气环在现代内燃机的喷射和燃烧策略要求下，承受着越来越高的热负荷和机械负荷。因此，通过下列各种方法提 高环外圆工作表面的耐磨性已成为开发工作的焦点。
2.1 电化学镀层
现在标准的硬铬镀层主要用于防止第二道气环和油环的磨损。多年来由Goetze和Federal—Mogul公司成功开发并投入使用的铬陶瓷镀层（CKS）由于具有较高的热负荷承受能力和较好的耐磨性，对于现代高强化柴油机的开发起了决定性的作用。
为了满足进一步提高的要求，开发了一种新的镀层系统。这种镀层是一种具有极细裂纹网络的硬铬基体，用一种特殊的亚结构牢固地嵌入大量的细 微金刚石颗粒（图6）。这种被德国Federal—Mogul公司命名为"GDC"的铬金刚石镀层因固有磨损最低而成为市场上著名的镀层技术。GDC镀层 可以做成具有尖锐的下工作棱边，因而不仅具有承受热负荷的能力及耐磨性能强，而且是构成低机油耗和低漏气的要素。这种镀层综合其各种正面的性能成为将来新 一代发动机的一个重要创新点[1]。
电化学镀层的使用由于相对较高的沉积速率在工艺技术上是相当受人青睐的。在电化学镀层领域的长期研究中，着重围绕新材料组合和表面结构展开，旨在进一步提高铬基镀层的耐热性，而不对系统磨损和经济性方面造成重大的损害。
2.2 热喷涂层
热喷涂层技术长期以来用于内燃机气环。特别是等离子喷涂层具有很高含量的陶瓷，它对用这种涂层减轻由严重磨料磨损引起的所谓“烧伤”现象 十分有利。但是，等离子喷涂不适合沉积硬金属结构，而后者能进一步提高耐磨性。为此开发的高速火焰喷涂法（HVOF）可把CrC、WC和Ni-Cr-Mo 金属合金等粉末材料通过超音速火焰喷射沉积在活塞环表面上。这可在相对不太高的温度（约3 000℃）条件下进行，从而在压缩内应力作用下产生涂层。图7为埋有超细碳化物微粒的NlCr-Mo基体的组织。涂层特点是有轻度的多孔性、最高的附着强 度以及750～1 000 HV的硬度。除由于涂层的陶瓷结构使其具有较好的防烧伤性能外，这种被Federal-Mogul公司以"MK-Jet"命名的HVOF涂层的磨损量比等 离子喷涂层小很多，两者相差3～4倍。
2.3 氮化层
在高铬合金马氏体钢上生成氮化层，由于表层硬度很高以及伴随着析出特种的氮化物，使活塞环工作表面与气缸工作表面的磨损显著减小。对氮化 层越来越广泛的应用有决定性意义的是由于工艺技术的进展可以有针对性地控制氮化层的结构。图8为氮化层微观结构在汽油机中运用的典型实例。
活塞环所有表面经氮化，除了对环侧面的磨损有了附加保护外，结合侧面的精磨能改善环侧面与环槽侧面之间的相容性。氮化钢环因承受热负荷性能相对较差，一般不用于现代柴油机的第一道气环。
2.4 PVl）涂层
用物理汽相沉积（PVD）法制造的涂层代表最新一代活塞环涂层工艺。优先应用的是以氮化铬（CrN）为基础的涂层系统（图9），其特点是 硬度非常高（1 800—2 200 HV），摩擦系数低，具有陶瓷晶体结构。此外，CrN涂层还有磨损速率低、承受热负荷性能好和化学稳定性高等优点。PVD-涂层在活塞环上的应用将受到从 所谓“薄膜技术”得出的 涂层工艺过程的限制。因此，当涂层厚度>50μm时，会由于很高的涂层内应力产生涂层附着和裂纹问题。这样就要求用钢作为涂覆PVD-涂层活塞环的 基体材料，且为了减小涂层与活塞环材料之间的内应力梯度，钢环还要进行氮化。一般用于汽油机活塞环时，涂层厚度为10～15μm，而用于柴油机时，由于活 塞环磨损负荷较大，涂层厚度为30～50μm。
2.5 各种涂层的性能和应用概况
图10为各种表层相对磨损概要。目前，环外圆工作表面用GDC镀层能使磨损速率降低。对柴油机的气环来说，特别需要具有热负荷性能和抗烧 伤性能。铬氮化和氮化的钢环不能满足现代柴油机的要求，因此一般也不用于柴油机。各种负荷能力较高的涂层在现今典型发动机条件下的试验未显示出明显的差 异。因此可有针对性地采用极限负荷方法对涂层进行承受热负荷的能力考核，以得出最终结论。CKS-镀层已满足了批量生产发动机的要求，其应用范围由于有了 GDC而被拓宽。MK-Jet和PVD-涂层在承受热负荷能力方面较强。
氮化钢环自20世纪90年代早期引入欧洲车用汽油机以来一直成效卓著。图8为氮化钢环的横断面，并有表层中的硬度分布。如果还需要提高抗 烧伤能力的话，则可用再附加CKS或PVD-涂层来解决。图11为欧洲批量生产车用汽油机在1985～2005年间第一道气环应用涂层的情况。
柴油机第一道气环很早就要求采取专门措施，以达到所需的耐磨和耐烧伤能力。20世纪90年代初广泛应用的铬镀层达到了承受热负荷能力的极 限。等离子涂层虽然很耐烧伤，但引起气缸磨损很大。CKS-镀层的开发使抗烧伤能力得到飞跃。迄今为止，虽然柴油机的功率密度不断提高，但用这样的镀层始 终能保证必需的抗烧伤安全性，同时气缸磨损很小。利用GDC，环外圆工作表面的电化学镀层使用范围可拓宽到将来功率继续提高的场合。图12为欧洲轿车柴油 机第一道气环应用涂层的分布。
3 外圆工作表面设计
现代柴油机用活塞环、尤其是第一道气环外圆工作表面的设计具有越来越重要的意义。单侧桶形环已应用了20多年，成为欧洲车用柴油机的标准 设计。在下工作棱边上加一个不大的桶形度对环的功能有决定性的影响。这一众所周知的结构特征对于现代批量生产的制造技术来说是一种挑战。
优质的环外圆工作表面设计要有一个尽可能尖锐的下工作棱边，以获得最佳的刮机油性能。与没有特别加工的工作棱边相比，具有单侧刮油结构且基体材料有尖锐棱边的活塞环可改善机油耗达60%。
4 外圆贴合能力
用衬簧撑开的油环外圆贴合能力取决于横断面和设计的切向力，所以传统的等壁厚单片气环的公称外圆贴合能力首先由开口宽度决定。在给定的几 何尺寸下，环的开口宽度既决定环工作时的弯曲应力，也决定套装应力。因此，外周贴合能力依据合理的应力关系和安装可能性在比较窄的限度内。
单片环外周贴合能力沿圆周是不均匀的，环开口对 面（环口背面）最大。由于在环开口端没有弯矩，局部外周贴合能力降为零。图13为经典的活塞环与FO环沿半圆周的外圆贴合能力比较。通过在环开口附近用变 径向壁厚设计，得出形状优化的活塞环（图14）。这种环大大改善了局部的弯曲能力以及活塞环对不均匀变形气缸的适应能力。
汽油机和柴油机的试验结果表明，FO环有降低机油耗的巨大潜力。为付诸实用，开发了全新的工艺方法。FO环已投入批量应用。
5 环侧面的强化
新一代发动机从磨损或材料相容性理由出发，要求对活塞环侧面加以强化。应用氮化钢环并不总是有效的。环侧面镀铬已在重油发动机上得到验 证。新颖电镀工艺的开发使得矩形和梯形环的侧面可镀上10μm左右的铬层。传统工艺过程所必需的、费事的修整工作可省掉。按“快速镀铬工艺”制造的活塞环 从2005年起已用于载货车柴油机。
6 结论
针对发动机机械负荷和热负荷的日益提高，需要创新的活塞环设计和制造技术。基体材料要进一步开发以提高强度和耐磨性。对于柴油机的第一道气环来说，除了应用铸铁材料外，还将应用钢材料。
原则上来说，目前掌握的电化学、热喷涂和物理汽相沉积等喷涂技术都没有达到其使用极限，可以根据具体的边界条件找到各自的应用场合。
为了满足尽可能降低机油耗和漏气的要求，可采用具有优化的几何形状的活塞环，如带刮油结构的外圆工作表面或形状优化的FO环。
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