1.3 新型活塞环涂层

现代缸内直喷式汽油机是节能减排的重要发展方向，因而降低它的摩擦损耗就显得格外重要。从图1-15中可清楚地看到，活塞环的摩擦在发动机总的机械摩擦中所占的份额高达24%，在发动机燃油耗中就有4%的燃油能量是被活塞环摩擦所消耗掉的，因此降低活塞环的摩擦就显得非常重要。同时，随着现代缸内直喷式汽油机的发展，特别是发动机小型化后增压度不断提高，活塞环的机械负荷和热负荷越来越高，因而其耐磨性方面的要求也就更为重要。在考察优化活塞环-气缸工作表面摩擦学系统的措施中，由于活塞环涂层能够直接影响磨损和摩擦状况以及由此所导致的烧损痕迹程度，因此活塞环涂层起着越来越重要的作用，所以涂层材料和涂敷工艺也在不断改进中。下面对现代缸内直喷式汽油机活塞环常用的各种涂层进行简要介绍。

（1）电化学镀层

现在，标准硬铬镀层优先选择用作第2道气环和油环的耐磨层。多年来，这种铬陶瓷（CKS）由于其具有较高的热负荷承载能力和良好的耐磨性，在现代高强化直喷式汽油机上的应用卓有成效。

为了满足更高的要求，德国Federal-Mogul公司开发了一种新的镀层方法，它是在硬铬基体上由特殊的基质组织形成的极细微的裂纹网格中牢固地固定着密集的极小的金刚石微粒（图1-16）。将这种铬金刚石镀层命名为GDC，它是市场上众所周知的镀层中自身磨损最低的一种涂层。这种GDC镀层能形成尖锐的环下工作棱边，从而成为在具有高热负荷承载能力和耐磨性的同时降低机油耗和曲轴箱通风的一个重要措施，并以其有利的综合性能为未来新一代高强化发动机提供了一种创新的技术。由于这种电化学镀层方法具有相对较高的析出率，因此在工艺方法上具有很大的吸引力。

在电化学镀层方面，主要的发展方向是针对新材料组合和表面金相组织进一步提高铬基体镀层的热负荷承载能力，而在磨损和机械效率方面又不能出现重大的缺陷。

（2）热喷镀

多年来，在缸内直喷式汽油机上，热喷镀用于气环，特别是等离子喷镀陶瓷占了很大的份额。应用陶瓷喷镀非常有利于减少因活塞环和气缸壁之间大大增加的粘连磨损而引起的烧损痕迹，但是它并不适合于促使能进一步改善耐磨性的硬质合金类组织的析出。为此，开发了高速火焰喷镀（HVOF）技术，它能将高速火焰中的粉末状CrC、WC材料和金属状Ni-Cr-Mo合金植入和烧结在活塞环工作表面，这是在大约3000℃的温度下进行喷镀的，这样就在镀层（图1-17）中的内部压应力下，形成埋入Ni-Cr-Mo基体中的亚微观碳化物。这种镀层具有多孔性、最高的附着强度和750～1000 HV的硬度。除了陶瓷镀层组织改善抗粘连烧损性能之外，德国Federal-Mogul公司使用MK-Jet商标的HVOF镀层具有出众的耐磨性，其磨损要比等离子喷镀降低30%～40%。

（3）氮化层

在最近20多年内，国外车用汽油机第1 道气环都由铸铁环改用钢环，其中特别是欧洲和日本偏爱于氮化钢环。在车用汽油机高转速的使用条件下，现在轴向高度低的第1道钢环已成为标准零件，在此期间开发的增压缸内直喷式汽油机的第1道环超过90%采用氮化钢环，而第2 道环则大多数采用成本较低的铸铁环，并根据各自的功能要求选择相应的结构形式和工作表面涂层。

在高铬合金马氏体钢上形成氮化层，由于边缘区域的硬度明显提高，以及随之而来的特殊的氮析出物，使活塞环-气缸套摩擦副的磨损大大降低。氮化工艺过程的发展，使得有可能针对性地控制氮化层的形成，这对氮化工艺应用不断增长具有决定性的意义。图1-18示出了在缸内直喷式汽油机上实际应用的典型氮化层的显微组织照片及其硬度分布状况。

通过活塞环整体的氮化层提高了环侧面的耐磨性，加上环槽镶圈侧面的超精磨光，达到了活塞环侧面与环槽侧面的良好协调性，实际应用已经证实这样的配对是十分有利的。

（4）物理蒸气沉淀（PVD）涂层

最新一代的活塞环涂层是按物理蒸气沉淀（PVD）法制造的。原则上，这种主要在铬氮（CrN）基础上形成的涂层（图1-19），其性能特点是具有1800～2000 HV之间极高的硬度、低的摩擦系数和陶瓷结晶体组织，因此这种CrN涂层显现出低的磨损率和高的化学稳定性。但是，由于这种从称之为薄层技术衍生而来的涂层工艺，使得PVD涂层在活塞环上的应用受到了限制。已经发现，在涂层厚度超过50μm的情况下，由于极高的涂层内应力，出现了涂层附着和裂纹的问题。要解决这些难点，要求用钢作为PVD涂层活塞环的基体材料，同时为了减少涂层与活塞环基体材料之间的内应力，活塞环基体材料应进行氮化。通常，用于缸内直喷汽油机时的涂层厚度为10～15μm，而在柴油机上则因负荷较高涂层厚度要选用30～50μm。

图1-20示出了上述所介绍的活塞环涂层相对耐磨性的比较。GDC工作表面涂层的磨损率是迄今为止最低的。试验表明，具有高负荷承载能力的涂层在目前典型的车用发动机应用中没有明显的差异，仍然能根据所能达到的极限负荷来做出有关涂层热负荷承载能力的结论。CKS 镀层满足了目前批量生产的要求，并能通过GDC来扩大其应用范围。MK-Jet（HVOF）镀层和PVD性能处于涂层分级的较高水平。而上面图1-18示出了氮化钢环横断面上表层中相应的硬度分布情况，通过用CKS或PVD方法附加涂层有可能将其提高到所要求的抗烧损能力。图1-21（见彩插）给出了在1985～2010年期间，欧洲批量生产的汽油机第一道活塞环涂层的使用情况作为参考。

（5）Carboglide活塞环涂层

1）碳基活塞环涂层。长期以来，碳基涂层（DLC=Diamond likeCarbon，类金刚石石墨）用于对摩擦学要求极高的零件已众所周知。金刚石类型的碳涂层呈现出较小的黏附磨损以及摩擦化学反应的倾向，因此碳基类金刚石石墨（DLC）涂层特别适用于在使用时与其他零件处于固体接触状态的构件。DLC涂层的突出性能是因在其表面形成了一个由热力和机械诱发的涂层转换区而导致的，而该区域本身具有比涂层小的抗剪切强度，从而起到了自润滑作用。在大多数摩擦系统中，这种性能特征在混合摩擦条件下会导致比其他涂层系统（金属涂层或硬质材料涂层）更小的摩擦系数。由于对活塞环诸如耐磨损表面破坏和涂层疲劳等方面的要求提高，因此活塞环使用的碳基涂层需要对涂层技术进行有针对性的进一步开发。随着开发了一种含金属添加剂和氢的GOE245 型碳涂层，2006 年首次大批量应用于高负荷轿车缸内直喷式汽油机。在采用铝硅气缸工作表面的这种发动机上，可使用GOE245型涂层活塞环明显减少因摩擦条件恶劣而产生工作表面拉毛直至烧损痕迹的现象。由于在冷起动时特别容易发生损坏，因此应优先选用这种碳基涂层作为耐磨涂层（渗氮层，PVD物理气相沉积涂层）上的磨合涂层。

在进一步开发中已采用GOE247型碳基涂层来持续地改善固有的耐磨性能。这种活塞环涂层的特点是形成多层涂层，它们由非结晶的含氢碳涂层以及在其下面添加金属和氢的碳涂层组成。这种由3～5μm涂层厚度制成的活塞环涂层，在发动机使用中的耐磨性要比含金属的DLC活塞环涂层最多提高4～5倍。

2）涂层的形成及其性能。随着在汽油机上采用缸内直接喷射和废气涡轮增压以及气缸工作表面粗糙度的降低，对活塞环抗烧损性能和低的气缸磨损的要求就更加苛刻了，而降低燃油耗和CO₂排放的法规又要求为尽可能减少摩擦功率损耗做出更大的贡献。

为了在具有高耐磨性和最高的抗烧损能力的同时，能满足这种极低摩擦的高要求，必须在使用碳基活塞环涂层方面经验的基础上开发一种新型的活塞环涂层。这种商标名称为Carboglide（意为“碳滑动”）的活塞环涂层应用了多层涂层结构形式，其特点是在活塞环原始表面上先涂一层极其薄的铬黏附涂层，紧接着是中间涂层和表面涂层（图1-22）。中间涂层的组织是含有柱状排列的纳米结晶碳化钨的含钨和氢的碳涂层，而表面涂层则是一种非结晶金刚石类型的涂层，其中含有特殊的2 -3 型（sp2 -sp3）碳结构成分。通过适当地设计表面涂层对中间涂层的厚度比=0.7～1.5 以及表面涂层厚度对总涂层厚度之比=0.4～0.6 来影响涂层中的内应力状况，而总涂层厚度约为10μm（图1-23）。另外，1800～3100 HV0.2 这样极高的涂层硬度与涂层厚度加厚2～3倍相互配合，可使得其耐磨性比通常的DLC涂层明显改善。Carboglide涂层因其独特的涂层组织而具有极好的摩擦性能，其摩擦系数与市场上流行的汽油机活塞环涂层（渗氮层，PVD物理气相沉积涂层）的比较表明，它在摩擦方面具有显著的潜在优势（图1-24）。除此之外，还在超负荷试验中，在润滑不足的条件下评价摩擦性能，试验结果（图1-25）证实，与物理气相沉积（PVD）涂层活塞环工作表面相比，其抗烧损痕迹能力几乎增强了一倍。

3）在发动机运转中的功能。在发动机实际运转的条件下对活塞环涂层的有利功能进行了内容广泛的试验，在高增压缸内直喷式汽油机上的首次批量应用，证实了它在恶劣运行条件下的疲劳强度，而在高负荷缸内直喷式汽油机上应用Carbo-glide涂层活塞环证实了这种新一代活塞环涂层成功达到了显著降低摩擦功率的目标，令人印象深刻。在采用浮动气缸套的点火运转单缸试验汽油机上进行的摩擦功率试验表明，第一道气环和第三道油环采用Carboglide涂层时活塞环摩擦功率损失明显降低，最多可高达20%（图1-26）。另一方面，在采用灰铸铁气缸套的高增压缸内直喷式汽油机上，在润滑极其不足的条件下进行的耐久试验，与标准氮化活塞环组相对摩擦功率的比较证实了这种新型涂层的热稳定性和化学稳定性（图1-27）。如图所示，氮化钢压缩环工作表面呈现严重的粘咬痕迹及其气缸工作表面随之出现的拉毛现象，而Carboglide涂层活塞环工作表面则呈现非常干净的图形，因而气缸壁面也没有出现损坏的现象。Carboglide涂层的这种有利效果特别是在考察气缸磨损时显现出来，这种新型的涂层显著地改善了灰铸铁气缸的楔形磨损，而机外的试验台试验已证实，其气缸的磨损要比物理气相沉积（PVD）涂层活塞环最多小3倍。

综上所述，Carboglide涂层将活塞环和气缸工作表面极其小的摩擦值与高强度和耐久性结合起来，它能将活塞环组的摩擦功率损失最多减少20%。这种涂层能在润滑不足的条件下明显地防止气缸工作表面被拉毛、高磨损和形成烧损痕迹，为开发高功率直喷式汽油机做出贡献，并能进一步降低燃油耗最多可达1.5%，从而获得低的CO₂排放。

未来的开发工作集中在将新型涂层与LKZ油环（锥形唇口弹簧涨圈油环）结构在摩擦功率和机油耗方面的优点结合起来。由于这种新型涂层具有降低摩擦的效果和高的耐磨性，因此LKZ油环与Carboglide涂层的结合能进一步降低整个活塞环组的摩擦功率。

（6）新型DuroGlide活塞环涂层

传统的DLC涂层在用于活塞环时受到以下特点的限制：

1）通常厚度仅几μm的涂层限制了使用寿命，而若涂层较厚的话，则会因涂层典型的内应力而存在剥离的危险。

2）在硬的DLC涂层情况下，活塞环工作表面必须极其光滑，以便能获得最佳的摩擦条件，避免损坏气缸套。

目前所使用的DLC活塞环涂层经常被用作其他耐磨镀层上的磨合涂层。最初，采用前面所介绍的采用DLC工艺获得的约10μm厚的CarboGlide含氢涂层，并具有良好的耐磨性。在此期间，这种DLC涂层系统在批量生产中大量用于汽油机。但是，为了更广泛地应用这种涂层，并利用DLC涂层降低摩擦功率的潜力，有必要为缸内直喷式汽油机再开发一种更耐磨且能明显加厚的DLC涂层。

新型涂层的特点

采用DLC工艺的这种新型DuroGlide涂层适合于要求更高的缸内直喷式汽油机提高活塞环的使用寿命。图1-28示出了这种新型无氢碳基活塞环涂层的均质组织结构。因碳具有高的sp3 结合份额（四面体结构），能够析出硬度高达5000 HV0.2 的涂层。与迄今为止的无氢DLC涂层不同，已降低了工艺过程中涂层的内应力，使得即使在涂层厚度高达25μm的情况下，在铸铁和钢表面上仍具有良好的结合牢度，而高达500℃的耐高温性能使得能用于强化程度更高的机型。

此外，接近终端轮廓形状的涂层和适合磨光制造工艺确保了活塞环工作表面具有较小的粗糙度。

性能特性

开发新型涂层最重要的目标是降低机械摩擦功率损失以及大大提高用于活塞环的碳基涂层系统的耐久性。图1-29示出了当今缸内直喷式汽油机所使用的活塞环涂层摩擦系数的相对比较。这种摩擦系数是在机外检验条件下测得的，这样的检验条件在使用无添加剂机油情况下呈现出非常高的混合摩擦份额。与诸如铬陶瓷涂层（CKS=Chrom Keramic-schicht）和Goetze金刚石涂层（GDC=Goetze Diamant Coating）等铬类涂层，以及如铬氮（CrN）等物理气相沉积（PVD）相比，通过使用DuroGlide涂层，摩擦系数能降低高达60%。为了查明其在发动机运行中的摩擦功率损失的优势，在一台被称之为浮置气缸套单缸汽油机（Floating-Liner-Einzylinder-Ottomotor）上进行摩擦功率试验。图1-30（见彩插）示出在着火运行发动机上不同运行工况点（转速和平均指示压力）测得的DuroGlide涂层压缩环与作为对比基准的CKS涂层压缩环之间摩擦功率的差别，而所使用的活塞环及其活塞环预张力（切向力）的设计保持不变。在0 °～180 °曲轴转角范围内，也即点火时刻后不久，摩擦平均压力能呈现出最大的优势，1000r/min转速和6 bar平均指示压力时的摩擦功率可获得10%的好处，而从刮油环在机械摩擦损失方面可获得整整40%的好处来看，通过使用DuroGlide涂层的刮油环能够进一步降低摩擦。

为了考察这种新型活塞环涂层的耐久性，在燃烧压力高达200 bar和升功率高达70 kW/L的高负荷轿车柴油机上，进行过内容广泛的耐久性考核和超负荷试验。图1-31示出了在发动机试验台上经过长达500 h运行后，活塞环平均径向磨损量的试验结果。这些试验结果表明，与当今所使用的活塞环涂层（GDC和PVD-CrN）相比，DuroGlide涂层活塞环的平均径向磨损量能够减少高达50%。

除了对使用寿命非常重要的耐磨性之外，在超负荷以及润滑不良情况下活塞环工作表面的性能显得越来越重要。图1-32示出了在超负荷条件下抗烧损性能的试验台试验结果。在恒定的时间间隔内法向力升高到700 N情况下，摩擦系数超过0.3就开始会诱发越来越强烈的烧损痕迹。CKS 和CrN涂层压缩环在试验持续120 min或157 min后就会显现出烧损痕迹，而DuroGlide涂层压缩环则完成了最长达650 min的超负荷试验，且在活塞环和气缸工作表面上没有出现烧损的征兆。在一台高增压轿车柴油机上进行的专门设计的热淬火试验，证实了这种新型活塞环涂层超群的抗烧损性能。

技术应用的定位

第一代含氢DLC涂层的突出特点是与灰铸铁和铝气缸套相配具有非常良好的摩擦性能和卓越的运行性能，因而DuroGlide涂层从一开始就被设计成用于提高使用寿命的涂层，因此适用于高负荷缸内直喷式汽油机特别是高负荷柴油机。这种新型涂层能够沉积在铸铁和钢等基体材料上，并能制造具有这种新型涂层的各种不同几何形状的工作表面，因而能够用于压缩环和刮油环。图1-33示出了用于缸内直喷式汽油机的摩擦优化活塞环组的结构设计。因为第一道压缩环和刮油环在机械摩擦功率损失中占有最大的份额，分别各占约40%，因此这种新型涂层优先用于这两种活塞环方案。

除了工作表面使用涂层之外，根据发动机状况的不同，还通过合理地设计活塞环的切向力、轴向和径向尺寸、工作表面几何形状以及开口间隙组合来优化其摩擦性能和功能。

综上所述，新型DuroGlide活塞环涂层为活塞环涂层的耐久性及其降低摩擦功率树立了新标杆。与所有的传统活塞环涂层相比，这种涂层活塞环显示出了高的耐磨性和抗烧损性能，而且根据发动机的用途不同，可为节油最多做出1.5%的贡献，这相当于最多可降低CO₂排放3g/km。作为DuroGlide涂层的开发成果，借助于等离子体工艺技术，并采用专门的表面抛光方法，能够达到非常厚的涂层厚度，最厚25μm。因此，这种产品即使在高负荷运行条件下也能满足使用寿命的要求，并且可考虑使用其他可替代的工艺技术，例如基于物理气相沉积（PVD）的含碳铬氮（CrN）涂层，或者由非常薄的无氢类金刚石石墨（DLC）涂层（＜2μm）和PVD-CrN涂层组合而成的多涂层系统。