当前发动机的燃油经济性和环境友好性日益受到重视，以发动机的升功率不断提升为背景，降低活塞环和气缸的磨损，或者说至少不要让这种磨损随着升功率的提高而增加，成为值得重视的课题。本文介绍了Federal-Mogul公司为第一道槽的活塞环开发的铬-金刚石涂层GDC，这是一种嵌入金刚石颗粒的铬涂层工艺，可为达成发动机的最高负荷提供附加的功率储备。
一般来说，要使新型柴油机的燃油消耗和有害物质的排放降低一分，零部件的热学/机械负荷就会相应增加一分。特别是对于活塞环和气缸壁之间的摩擦副系统来说，这一表现尤为明显。
当今功率强化的柴油机可达到相当高的点火压力，并由此形成高温，这些都要求压缩环能够承受高负荷。多年来，铬-陶瓷涂层系统CKS在实践中已得到了认可，为大多数正在生产的发动机型号着实提供了充足的安全储备。
这是一种植根于氧化铝（Al2O3）颗粒的技术，通过多级的电镀工艺将氧化铝颗粒锚固在一种坚硬的铬基体组织上。它相对于纯粹的铬涂层而言，由于陶瓷成份可提高对烧蚀的耐受能力，从而达到减少涂层本身磨损的效果。
然而，对迄今为止的技术发展趋势进行分析便可发现，活塞环/气缸壁摩擦副系统的热学-机械负荷还有进一步提高的倾向。这意味着，随着烧蚀的形成甚至点蚀的出现，摩擦学方面的问题很可能会随之升级。必须面对的严酷挑战将包括：越来越高的运行要求（商用车领域也是如此）、高温和日益减少的润滑油供应量之间的剪刀差。
即将来临的摩擦学载荷呼唤着新型涂层系统的出现。如图1，Federal-Mogul公司利用基于金刚石的铬-金刚石涂层系统GDC开发出一种新的涂层类型，并已于2004年初用于成批生产的轿车柴油机和商用车柴油机。 
图1 在200倍放大倍数下的铬-金刚石涂层表面：
嵌入的金刚石颗粒形成的血管状网络清晰可辨
嵌入金刚石的活塞环涂层
在坚硬的铬层中嵌入某种颗粒的工艺已经在试验中得到肯定。对于涂层结构的形成过程能够控制得非常好，并且嵌入颗粒在电镀铬层的显微裂纹网格中具有良好的机械锚固作用，有利于获得一个更加坚硬的工作表面。
为了提高这种涂层的功效，选择了一种超精细嵌入颗粒。面对高至500℃的极限温度，工作表面的金刚石颗粒的硬度都经得起考验，其耐受烧蚀的能力和耐磨性明显优于铬-陶瓷涂层。
在发动机高温高压的极端条件下，金刚石能够自发地转变成石墨。正常运行时，坚硬的金刚石涂层可适应正常运行条件下的高载荷；而当出现点状的峰值载荷时，会出现由金刚石转变成的石墨，于是在润滑不足的情况下通过石墨形成固体接触，进而实现紧急情况下的润滑性能。由此可知，由于材料本性使然，两种相互矛盾的性能特点通过金刚石材料实现了完美结合，赋予铬-金刚石涂层系统很高的承载性能。
铬-金刚石涂层与铬-陶瓷涂层的不同，首先表现在嵌入颗粒的粒度上。铬-陶瓷涂层嵌入颗粒的粒度在2与5μm之间，而用作金刚石嵌入颗粒的粒度在0.25~0.5μm之间，比前者小得多（图2）。
图2 铬-陶瓷涂层
（左）和铬-金刚石涂层（右）中嵌入颗粒的粒度比较
此外，在显微裂纹网格方面也有差别：如果说原则上，其涂层结构尚与铬-陶瓷涂层系统基本一致的话，则在如何嵌入的方面就有所不同，从图3可见，铬-金刚石涂层系统中，超精细的金刚石颗粒附加地嵌入到显微裂纹网格内部的一种专门的基体中。 
图3 带有显微裂纹网格的硬铬基体用于嵌入金刚石颗粒的结构
形成涂层的工艺流程为：1.通过形成裂纹和基体结构进行涂层沉积；2.开启显微裂纹网格；3.置入金刚石颗粒；4.封闭显微裂纹；5.建立下一个涂层。
铬-金刚石涂层的运行特性
相对于铬涂层和铬-陶瓷涂层而言，铬-金刚石活塞环工作表面具有较低的活塞环磨损率和明显较高的耐烧蚀能力。
1. 对一台用于商用车的六缸MRD（MRD=中型柴油机，12升排量，577h全负荷）发动机作对比试验，铬-金刚石涂层系统的耐磨性比硬铬涂层的高4倍，比铬-陶瓷涂层的高2倍。在其它货车和轿车发动机上，也一再出现相近的结果。
2. 在高载荷条件下的耐烧蚀能力方面，情况大致相同。如果说在传统的铬涂层上出现明显的烧蚀问题的话，那么铬-陶瓷涂层上只有超载的初步迹象，而铬-金刚石涂层可以承受同样的载荷而不出问题（图4）。 
图4 发动机试验运行结束之后的活塞环工作表面
左：传统的铬涂层；中：铬-陶瓷涂层CKS；右：铬-金刚石涂层GDC
铬-金刚石涂层的耐磨性能十分出色，且对发动机严酷的运行条件具有很强的耐受能力。所以，即使柴油机的升功率在不断走高，活塞环的磨损量却在下降。同时，参阅国外资料可知，活塞环铬-金刚石涂层工作表面并未给气缸带来额外的磨损，而是处在相近的数量级上，如图5所示。
图5 尽管升功率不断提高，活塞环的磨损却在下降，气缸套的磨损亦保持在原有水准
结语
采用纳米级的金刚石颗粒作为一种硬铬涂层的工作表面上的嵌入物，形成了用于活塞环的、具有较高耐烧蚀能力和较低自身磨损的涂层系统。借助这种性能，新型的铬-金刚石涂层系统能使活塞环进一步满足未来柴油机不断提高的要求，也即在不改变长期密封性、且保证较低的排放和油耗的同时，给出高的运行功效。鉴于此，中国的汽车零部件行业宜对这种工艺和材料给予足够重视，尽早开始着手相关的研究和开发工作。 (end)
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