現(xiàn)代車子請求啟動機具備更高的功率和更低的汽油耗，并進(jìn)一步降低車子交通對環(huán)境的壓力，為這石油機和柴油體制造商都要消費更多的研發(fā)費率，零部件供給商在石油機和柴油機活塞環(huán)具備要緊功效特性的根基資料、耐磨性和構(gòu)造等方面發(fā)展了深入的探討，為實現(xiàn)這點指標(biāo)請求作出了要緊的奉獻(xiàn)。

　　源于未來啟動機功率越來越高，釋放法則不停加嚴(yán)，并請求在下降修理本錢的同一時間，延伸啟動機的運用生命，這一切都對現(xiàn)代啟動機的活塞環(huán)，特別是第一道緊縮環(huán)，提議了越來越高的請求�；钊�環(huán)的要緊任務(wù)最重要的在于：

　　·密封；

　　·在保證耐燒蝕強度的同一時間具備良沒有問題熱傳遞性；

　　·操控機油耗；

　　·經(jīng)過利用符合批量制造本錢的資料、涂層、構(gòu)造和制造工藝，節(jié)制磨擦損耗率，延伸啟動機的運用生命。

　　保證功效的設(shè)置特色

　　1.根本資料

　　當(dāng)今活塞環(huán)利用各式素質(zhì)的鑄鐵資料和鋼。起首考察鑄鐵資料，依照用料料強度、拉伸率、疲勞強度和耐磨性等目標(biāo)表征的承載能力，可采用的鑄造素質(zhì)的悉數(shù)范疇見表1。關(guān)于第一道緊縮環(huán)應(yīng)特別領(lǐng)先采用一個具備高抗彎強度和彈性模數(shù)的球墨鑄鐵，其基體為馬氏體，以得到高的硬度，可使側(cè)方具備較沒有問題耐磨性。

　　第二道活塞環(huán)能利用沒有鍍層環(huán)，開發(fā)了一個在調(diào)質(zhì)熱料理狀況下表現(xiàn)細(xì)化片狀組織鑄造素質(zhì)的資料，經(jīng)過生成鉻、釩、錳和鎢素材的特殊碳化物，以及馬氏體基體組織，以得到良沒有問題耐磨性。而GOE 44可鍛鑄鐵是一個在細(xì)化珠光體基體組織中有針對性地生成殘余碳化物成分的資料，能將高抗切向力強度與良沒有問題耐磨性聯(lián)合起來。

　　源于對資料強度和疲勞強度以及良好耐磨性的請求越來越高，此刻趨勢于進(jìn)一步改良球狀石墨的生成，以便在靜態(tài)（組裝狀況）和動態(tài)負(fù)荷下得到特別高的抗彎強度，同一時間用貝氏體基體組織來得到活塞環(huán)側(cè)方和事業(yè)外表較輕的磨擦損耗率。

　　源于石油機和柴油機活塞構(gòu)造高度下降，緊縮環(huán)的軸向高度相應(yīng)減小，特別是面臨20MPa氣缸爆發(fā)負(fù)擔(dān)，對機械構(gòu)造的請求越來越高，這一切都請求提升活塞環(huán)側(cè)方的強度和耐磨性。鋼資料特別符合于這點請求。與鑄鐵資料比較，鋼具備良沒有問題機械動態(tài)承載能力，因而在彎曲負(fù)荷增大的概況下具備高的疲勞強度。自然，經(jīng)過外表鍍層和外表料理的成果可部分地縮短鑄鐵和鋼之中動態(tài)強度的差異。試驗表達(dá)，經(jīng)過附帶的化學(xué)料理（CPS法）可使氮化鋼活塞環(huán)的動態(tài)強度提升大約30％。

　　起首利用含鉻量為13％或18％的高鉻馬氏體鋼，這類資料經(jīng)過生成精細(xì)分布的鉻碳化物和附帶生成的滲氮層使外表層硬度顯著提升，從而得到良沒有問題耐磨性。假如要運用調(diào)質(zhì)料理的Cr-Si低合金鋼的話，則環(huán)事業(yè)外表鍍層是必要的。

　　在最近15年內(nèi)，全球石油機第1道緊縮環(huán)都由鑄鐵環(huán)改用鋼環(huán)，此中特別是歐洲和日本偏愛于氮化鋼環(huán)（表2）。在石油機高轉(zhuǎn)速的運用要求下，此刻軸向高度低的第1道鋼環(huán)已成為準(zhǔn)則零件，在此時期開發(fā)的啟動機的第1道環(huán)超越90%采納氮化鋼環(huán)，而第2道環(huán)許多數(shù)采納本錢較輕的鑄鐵環(huán)，并依據(jù)各自的功效請求抉擇相應(yīng)的構(gòu)造型式和事業(yè)外表涂層。

　　在歐洲小汽車柴油機，即升功率大于50k W/的高負(fù)荷啟動機上，第1道緊縮環(huán)必需運用牌號為52/56的球墨鑄鐵，第2道環(huán)采納牌號為32的調(diào)質(zhì)耐磨灰鑄鐵（表3）。經(jīng)過采納強化的球墨鑄鐵（GOE56 )或含鉻18％鉻鋼來改進(jìn)活塞環(huán)側(cè)方特別是上側(cè)方的耐磨性。自然，特別是在環(huán)軸向高度低的概況下，鋼環(huán)包涵著環(huán)槽磨擦損耗增大的風(fēng)險，可是在每種概況下槽和環(huán)側(cè)方總磨擦損耗量的差異其實不大。

　　在柴油機上，源于活塞環(huán)的軸向高度較高，其資料向鋼浮動的偏向其實不顯著。這一方面是由于鑄鐵環(huán)和環(huán)槽鑲?cè)�資料之，間的資料配對十分好，另一方面是由于鑄鐵資料具備十分良沒有問題加工性。

　　準(zhǔn)則上，營運車柴油機第1道緊縮環(huán)運用球墨鑄鐵已有十分豐富的經(jīng)歷，這從球墨鑄鐵環(huán)在歐洲柴油機上所占很高的分額就反應(yīng)出去了（表3）�？墒�，自從上世紀(jì)60年代以來，具備十分低軸向磨擦損耗的含鉻18％鉻鋼鍍層緊縮環(huán)在營運車柴油機上的利用也具備差不多豐富的批量制造運用經(jīng)歷。另外，隨著氣缸爆發(fā)負(fù)擔(dān)顯著超越20MPa，可望鋼活塞環(huán)的利用會有所增添。

　　2.活塞環(huán)的構(gòu)造型式

　　車子石油機第1道活塞環(huán)100％采納矩形環(huán)，其事業(yè)外表依據(jù)相關(guān)機油耗和曲軸箱空氣流通方面的請求，采納對稱球形、單邊球形或錐形。大約30％的歐洲小汽車石油機，為了改進(jìn)機油消耗，事業(yè)外表非是帶有單邊鼓形度便是帶有錐度。

　　小汽車柴油機多數(shù)第1道活塞環(huán)同樣也采納矩形環(huán)。在最近25年內(nèi)，小汽車柴油機第1道活塞環(huán)采納雙梯形環(huán)的份額穩(wěn)固在大約30％。隨著氣缸直徑的增大，源于燃燒側(cè)的作用，雙梯形環(huán)的份額也隨之增添（圖2）。

　　3．活塞環(huán)的軸向高度

　　在最近20年進(jìn)程中，全球石油機第1道緊縮環(huán)顯著趨勢于低軸向高度（圖3）。源于啟動機轉(zhuǎn)速的提升和因此而導(dǎo)致的活塞品質(zhì)的減少或大小的縮短，活塞環(huán)高度的下降在技藝上是必需的。關(guān)于第1道活塞環(huán)必需利用軸向高度低的環(huán)而言，開發(fā)氮化鋼環(huán)是一種前提要求。當(dāng)今開發(fā)石油機時，1.0毫米和1 2毫米環(huán)高是第1道活塞環(huán)領(lǐng)先抉擇的大小，而第2道活塞環(huán)領(lǐng)先抉擇1.2~1.75毫米。

　　而在柴油機上，源于氣缸爆發(fā)負(fù)擔(dān)大大升高，不會顯露活塞環(huán)軸向高度下降的趨向(圖4和圖5)此中活塞環(huán)高度的下降很可能顯露在缸徑小于75毫米的柴油機上，而在營運車柴油機上，甚而于源于爆發(fā)負(fù)擔(dān)升高而偏向于加大活塞環(huán)高度。當(dāng)考量到利用軸向高度低的活塞環(huán)對下降摩擦功率有差不多效用時，要特別注意對軸向耐磨性可能發(fā)生的作用。

　　事業(yè)外表的耐磨性

　　在現(xiàn)代噴油和燃燒戰(zhàn)略下，第1道活塞環(huán)承擔(dān)著顯著提升的熱負(fù)荷和事業(yè)負(fù)荷，因而經(jīng)過下列方法改進(jìn)活塞環(huán)事業(yè)外表的強化是開發(fā)事業(yè)的要點。

　　1．電化學(xué)鍍層

　　此刻，準(zhǔn)則硬鉻鍍層領(lǐng)先抉擇用作第2道環(huán)和刮油環(huán)的耐磨層，這類好幾年來有用利用的鉻碳化物層（CKS），源于其具備較高的熱負(fù)荷承載能力和良沒有問題耐磨性，與現(xiàn)代高負(fù)荷柴油機的開發(fā)效果卓有成效地聯(lián)合起來。

　　為了滿足更高的請求開發(fā)了一個新的鍍層方法，這類鍍層是在硬鉻基體上由特殊的組織造成的極細(xì)小的裂痕網(wǎng)格中,夯實地固定著稠密的極小的金剛石微粒。這類鉻金剛石鍍層在歐洲被命名為GDC，是日前市場上眾所周知的鍍層中本身磨擦損耗最低的。這類GDC鍍層能造成尖銳的環(huán)下事業(yè)棱邊，從而成為在高熱負(fù)荷承載能力和耐磨性根基上下降機油耗和曲軸箱空氣流通的一種因素，并以其，有益的概括功能為未來新一代啟動機提供了一個創(chuàng)新的技藝。

　　源于這類電化學(xué)鍍層方法具備相對較高的析出率，因而在技藝方法上具備相當(dāng)大的迷惑力。在電化學(xué)鍍層方面，針對新資料組合和外表金相組織，旨為進(jìn)一步提升鉻基體鍍層的熱負(fù)荷承載能力，歐洲的少許活塞環(huán)不業(yè)余企業(yè)發(fā)展了長久卓有成效的探討事業(yè)，而在體系磨擦損耗和效能方面并沒有重要的缺陷。

　　2．熱噴鍍

　　好幾年來，在內(nèi)燃機上熱噴鍍用于緊縮環(huán)，特別是等離子噴鍍中陶瓷占了相當(dāng)大的份額。利用陶瓷噴鍍十分有益于降低因環(huán)和氣缸壁之中大大增添的粘連磨擦損耗而引起的燒損蹤跡，可是它其實不符合于能促使進(jìn)一步改進(jìn)耐磨性的硬質(zhì)合金類組織的析出。為這，開發(fā)了快速火焰噴鍍(HVOF )技藝，它能將超聲波火焰中的粉末狀碳化鉻，碳化鎢資料和金屬狀鎳一鉻一鉬合金植入和燒結(jié)在活塞環(huán)事業(yè)外表，這是在大約3000℃的適宜溫度下發(fā)展的，這樣就在鍍層中的里面壓應(yīng)力下，造成埋入鎳-鉻-鑰基體中的亞微觀碳化物。這類鍍層具備多孔性、最高的附著強度和750---1000 HV硬度。除了陶瓷鍍層組織改進(jìn)抗粘連燒損功能之外，以輝門企業(yè)MK-Jet商標(biāo)運用的HVOF鍍層具備出眾的耐磨性，其磨擦損耗要比等離子噴鍍下降30%~40%。

　　3.氮化層

　　在高鉻合金馬氏體鋼上造成氮化層，源于邊緣地域的硬度顯著提升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擦損耗損傷大大下降。特別是，氮化工藝進(jìn)程的進(jìn)行讓得有可能針對性地操控氮化層的造成，這對氮化層利用的不停增添具備打算性的意義。

　　經(jīng)過環(huán)全體的氮化層提升了環(huán)側(cè)方的耐磨性，加上環(huán)槽鑲?cè)��?cè)方的超精磨光達(dá)到了活塞環(huán)側(cè)方與環(huán)槽側(cè)方的良好協(xié)調(diào)性，曾經(jīng)證實這樣是非常有益的�？墒�，氮化鋼環(huán)的耐磨性及其相對較輕的熱負(fù)荷承載能力，對利用于現(xiàn)代柴油機第一道活塞環(huán)而言，通常來講是不夠的。

　　4．物理蒸汽沉淀（PVD）鍍層

　　全新一代的活塞環(huán)鍍層是按物理蒸汽沉淀（PVD )法生產(chǎn)的。準(zhǔn)則上，這類最重要的在鉻氮（CrN )根基上．造成的鍍層的功能特色是1800和2000HV之中極高的硬度、低的摩擦系數(shù)和陶瓷結(jié)晶體組織，因而這類CrN鍍層顯示出了低的磨擦損耗率和高的化學(xué)穩(wěn)固性。可是，源于這類從稱之為簿層技藝衍生而來的鍍層工藝，讓得PVD鍍層在活塞環(huán)上的利用遭到了節(jié)制。曾經(jīng)發(fā)覺，在鍍層厚度超越50μm的概況下，源于極高的鍍層內(nèi)應(yīng)力，顯露了鍍層的附著和裂痕難題。要解決這點難點請求用鋼作為PVD鍍層活塞環(huán)的基體資料，同一時間為了降低鍍層與活塞環(huán)基體資料之中的內(nèi)應(yīng)力，活塞環(huán)基體資料應(yīng)發(fā)展氮化。平常，用于石油機時的鍍層厚度為10-15μm，而在柴油機上，源于引起磨擦損耗的負(fù)荷較高，鍍層厚度采用30-50μm為宜。

　　5．鍍層的功能和市場展望

　　圖6顯示鍍層相對耐磨性的相比。GDC事業(yè)外表鍍層的磨擦損耗率是迄今為止最低的。特別是對柴油機而言，熱負(fù)荷承載能力／抗燒損能力是必要的，而鉻氮和氮化鋼環(huán)不行滿足現(xiàn)代柴油機的請求，因而平常不運用。高負(fù)荷承載能力鍍層的試驗表達(dá)，在日前典范的啟動機利用中無顯著的差異，依然能依據(jù)所能達(dá)到的極限負(fù)荷來作出相關(guān)鍍層熱負(fù)荷承載能力的結(jié)論。CKS鍍層滿足了日前批量制造的請求，并能經(jīng)過GDC來擴大其利用范疇。MK-Jet和PVD功能處于鍍層分級的上好水準(zhǔn)。

　　氮化鋼環(huán)自從在歐洲石油機上運用以來，在上世紀(jì)90年代初期是保證功效的十分可靠的零件。經(jīng)過用CKS或PVD方法附帶鍍層有可能提升到所請求的抗燒損能力。

　　為了在柴油機上的利用，很早期就已采納的舉措還是必需的，以便達(dá)到所請求的耐磨性和抗燒損可靠性。在上世紀(jì)90年代初，接著推廣利用的鉻鍍層已達(dá)到了熱負(fù)荷承載能力的極限。盡管等離子鍍層具備抗燒損能力，可是卻引起了顯著的氣缸套鏡面的楔形磨擦損耗，而CKS鍍層的開發(fā)成功使抗燒損可靠性獲得了大幅度的提升。即便升功率不停地提升，用這類鍍層于今仍能在維持低的氣缸套磨擦損耗的同一時間，接著保證必需的抗燒損可靠性。鉻金剛石鍍層GDC使活塞環(huán)事業(yè)外表電化學(xué)鍍層的利用范疇可以擴大，以滿足未來希望功率進(jìn)一步提升的須要（圖7、圖8）。

　　活塞環(huán)事業(yè)外表的設(shè)置

　　特別是第一道活塞環(huán)事業(yè)外表的設(shè)置在柴油機上越來越要緊。第一道活塞環(huán)事業(yè)外表采納單邊鼓形設(shè)置曾經(jīng)有20好幾年，對歐洲柴油機而言已是一個準(zhǔn)則設(shè)置。下事業(yè)邊旁的微小鼓形度在功效上起著要緊的效用，同一時間對大批制造的現(xiàn)代生產(chǎn)技藝提議了極高的請求。 為了得到最好的刮油功能，一流的活塞環(huán)事業(yè)外表設(shè)置應(yīng)帶有盡可能尖銳的下事業(yè)棱邊。與不加工的倒圓的事業(yè)邊比較，采納尖銳的基體資料事業(yè)棱邊的活塞環(huán)設(shè)置能改進(jìn)機油耗，第一大可達(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)度的切向力，而常規(guī)的等寬單體緊縮環(huán)的貼合能力的額定值則起首打算于開口寬度。在必定的幾何大小下，不論是組裝應(yīng)力仍是彈性應(yīng)力皆是由開口寬度發(fā)生的，因而由適合的應(yīng)力情況和可組裝性為貼合能力確定了相對窄的范疇。

　　單體環(huán)的貼合能力在全個圓周上是不勻稱的，特別是在環(huán)開口對面達(dá)到第一大值。源于在開口端部無彎曲力矩，因而該處的貼合能力降至零。圖9顯示出常規(guī)活塞環(huán)和一個FO（形狀改良）環(huán)在全個圓周上貼合能力的相比。圖10所示的FO環(huán)經(jīng)過靠近開口處徑向?qū)挾鹊目勺冊O(shè)置獲得了形狀改良的活塞環(huán)，從而改進(jìn)了活塞環(huán)的局部彎曲能力和對氣缸不勻稱形狀改變的適應(yīng)能力。

　　迄今為止在石油機和柴油機上的試驗結(jié)果已證實了下降機油耗的龐大潛力。為了換用FO環(huán)方案，開發(fā)了一個最新的生產(chǎn)方法，并于2005年第一季度初次大批制造裝用FO活塞環(huán)。

　　活塞環(huán)側(cè)方的強化

　　新一代啟動機的請求讓得側(cè)方強化成為活塞環(huán)磨擦損耗或資料協(xié)調(diào)性的根基。氮化鋼環(huán)的利用不總是能設(shè)法獲得補救的。側(cè)方鍍鉻在重型啟動機上已很好地證實了其可靠性。開發(fā)了一個新的鍍層方法讓得矩形和梯形環(huán)側(cè)方的鍍鉻層厚度第一大可達(dá)到10μm，同一時間能撤消慣例工藝進(jìn)程中所必要的不便宜的精加工。按“閃光鍍鉻技藝”（“ Blitzchromtechnik”）生產(chǎn)的活塞環(huán)，在2005年最初在營運車啟動機上運用。

　　一會兒的將來，啟動機的機械負(fù)荷和熱負(fù)荷還要進(jìn)一步提升，請求活塞環(huán)的產(chǎn)物和工藝進(jìn)一步的創(chuàng)新，活塞環(huán)根基資料的強度和耐磨性也須要進(jìn)一步開發(fā)。未來柴油機第一道緊縮環(huán)，除了利用鑄鐵資料之外鋼資料也將獲得利用。

　　日前能采用的電化學(xué)鍍層、熱噴鍍鍍層和PVD鍍層等，在準(zhǔn)則上尚未達(dá)到其運用極限，應(yīng)依據(jù)活塞環(huán)的運用要求采納不同的解決方案。

　　為了滿足低機油耗和曲軸箱空氣流通提議的請求，應(yīng)采納具備最好幾何形狀的活塞環(huán)，比如最適合的事業(yè)外表或形狀改良的FO活塞環(huán)。