DLC涂層應(yīng)用于活塞環(huán)

1、DLC涂層應(yīng)用于活塞環(huán)Diamond-LikeCarbonFilmsAppliedtoPistonRing周革華（安慶市德奧特汽車零部件制造有限公司）摘要本文介紹了采用PVD處理方法獲得的DLC涂層，針對DLC涂層應(yīng)用于活塞環(huán)，提高活塞環(huán)耐磨、減摩性能做了重點(diǎn)介紹，并敘述了該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。關(guān)鍵詞活塞環(huán)PVD處理方法DLC涂層耐磨減摩摩擦功耗自I860年法國人勒努瓦（Lenoir，JeanJosephEtienne）首次在內(nèi)燃機(jī)中采用了彈力活塞環(huán)，經(jīng)過一百多年的發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計(jì)日趨系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，目前改進(jìn)的重點(diǎn)主要集中在材料和表面處理，特別是表面處理技術(shù)的突破會(huì)是以后活

2、塞環(huán)技術(shù)發(fā)展的前沿。本文重點(diǎn)介紹一種近幾年來活塞環(huán)領(lǐng)域內(nèi)廣泛關(guān)注的表面處理涂層類金剛石涂層（DLC）在討論DLC涂層前有必要介紹一下PVD處理技術(shù)，并理清一個(gè)活塞環(huán)行業(yè)內(nèi)存在的概念性問題。所謂PVD即英文PhysicalVaporDeposition的簡稱，意思為物理氣相沉積，它本是鍍膜行業(yè)一種常用的鍍膜處理方法。物理氣相沉積法（PVD）又可分為真空鍍，真空濺射和離子鍍等等，在活塞環(huán)DLC涂層上采用的濺射+離子源技術(shù)是把工件經(jīng)清洗烘干等前處理后放進(jìn)封閉的腔室內(nèi)通過抽真空、蒸發(fā)，電離或?yàn)R射等過程，最終在工件表面形成金屬化合物過渡層和摻雜DLC涂層。金屬離子來源于靶材，PVD處理時(shí)根據(jù)不同的金屬靶

3、材和反應(yīng)氣體，會(huì)生成不同種類的涂層，女如:TiN（金黃色）、ZrN（青黃色）、CrN（銀灰色）、DLC（黑色）等等。PVD是一種鍍膜方法，而不是鍍層種類。正如我們所熟悉的濕式電鍍,根據(jù)槽液和處理方式的不同可以鍍硬鉻、鍍鋅、鍍鎳等等，還有活塞環(huán)行業(yè)內(nèi)廣為人知的CKS/CID都是濕式電鍍。十多年前，PVD處理應(yīng)用于活塞環(huán)在國內(nèi)是空白，國內(nèi)廠家從國外引進(jìn)活塞環(huán)外圓面CrN涂層PVD處理技術(shù)時(shí)，可能出于簡單化考慮，在產(chǎn)品推廣時(shí)就叫PVD環(huán)。結(jié)果導(dǎo)致現(xiàn)在不少用戶以為PVD環(huán)就是那種灰色的CrN涂層環(huán)。可以假設(shè)，如果以前國內(nèi)濕式電鍍應(yīng)用于活塞環(huán)也是空白，那么引進(jìn)CKS（鉻-陶瓷復(fù)合涂層）環(huán)后，現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)恐

4、怕就不叫CKS環(huán)，該叫濕式電鍍環(huán)了。以上篇幅力圖說明PVD是一種鍍膜的處理方法，而膜層種類卻是多樣的。本文要探討的DLC涂層就是一種采用PVD處理方法獲得的涂層。DLC是英文DiamondLikeCarbon的簡稱，即類金剛石涂層。我們知道碳原子和碳原子之間以不同的方式結(jié)合，會(huì)產(chǎn)生不同的物質(zhì)：金剛石（diamond）碳碳以sp3鍵（一個(gè)C原子被另外3個(gè)C原子所圍繞并形成共價(jià)鍵，表現(xiàn)出硬度高的特性。）的形式結(jié)合；石墨（graphite）碳碳以sp2鍵（其C原子緊密以共價(jià)鍵連接在一個(gè)平面內(nèi)，層與層之間的連接很弱。）的形式結(jié)合；而類金剛石DLC）碳碳則是以sp3和sp2鍵的混合形式結(jié)合，應(yīng)用于活塞環(huán)

5、上的DLC涂層還含有C-H等雜相，通常為非晶態(tài)或含有部分納米晶。DLC兼具了金剛石和石墨的特性，由于含有金剛石成分，涂層硬度高，是普通鍍硬鉻環(huán)或氮化環(huán)硬度的23倍，具有更高的耐磨損性能，同時(shí)由于含有石墨成分，其摩擦系數(shù)極低（0.2以下），降低了環(huán)對缸套的攻擊性，在惡劣潤滑條件下提高了環(huán)的抗拉缸性能，同時(shí)對解決活塞環(huán)早期異常磨損效果顯著。同為PVD處理方式獲得，DLC涂層與CrN硬質(zhì)涂層比較，其最為突出的優(yōu)點(diǎn)是大大降低了活塞環(huán)摩擦功耗。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，為了改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油耗，應(yīng)盡可能地將燃燒能量無損地作為驅(qū)動(dòng)力加以有效利用。減少發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)部件摩擦可直接降低這種能量的損失，它直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗

6、的改善。資料顯示活塞/活塞環(huán)部分的摩擦隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增加，在發(fā)動(dòng)機(jī)總摩擦損失中占4050%,而DLC涂層活塞環(huán)可有效降低摩擦功耗。DLC涂層應(yīng)用于活塞環(huán)，國內(nèi)外廠家在近幾年才實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，其較PVD處理CrN涂層遲緩，主要是受限于制備技術(shù)，目前制備DLC涂層的方法主要有電化學(xué)法、物理氣相沉積法和化學(xué)氣相沉積法三大類。其中電化學(xué)法制備DLC涂層的性能較差，無法達(dá)到應(yīng)用要求；工業(yè)上采用較多的是物理氣相沉積法（PVD）和化學(xué)氣相沉積法（CVD）,這兩種方法對設(shè)備的要求高，制備工藝也比較復(fù)雜。在初期應(yīng)用中，普遍出現(xiàn)了涂層內(nèi)應(yīng)力大，涂層厚度受到限制的問題。對此,國內(nèi)外一些研究者另辟蹊徑,將傳統(tǒng)

7、的表面處理技術(shù)如滲碳、氮化、鍍鉻等與現(xiàn)代的PVD、CVD等處理技術(shù)相結(jié)合,選擇不同的金屬和金屬氮化物、碳化物作為過渡層，DLC層摻雜金屬合金。這些工作都不同程度的改進(jìn)了DLC涂層的力學(xué)、摩擦磨損以及各種物理化學(xué)性能，從而解決了DLC涂層應(yīng)用于活塞環(huán)的一些技術(shù)瓶頸。目前在活塞環(huán)上主要是采用先將活塞環(huán)進(jìn)行氣體氮化或離子氮化，然后再與DLC涂層結(jié)合的復(fù)合處理方式,以鉻、鎢等氮化物為過渡層，由于氮化后的活塞環(huán)基體表面有較深的硬化層,具有一定的硬度、耐磨性和殘余壓應(yīng)力,構(gòu)成了DLC涂層理想支承體,其承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過未氮化基材.涂層的附著性能都大為提高。同時(shí)由于進(jìn)行了全表面的氮化處理，進(jìn)而提高了活塞環(huán)的整

8、體耐磨性oPVD處理設(shè)備截面示意圖如【圖1】，涂層結(jié)構(gòu)【圖1】ft用HNO.腐蝕【圖2】DLC復(fù)合層氮化物合層涂層類型：aC：H：Me圖如【圖2】。為了提高DLC涂層的結(jié)合力，除了上述采用基體氮化、增加過渡層、DLC層摻雜等根本性改進(jìn)措施外，活塞環(huán)的前處理也有一些細(xì)節(jié)性問題需要關(guān)注。例如：活塞環(huán)氣體氮化后會(huì)產(chǎn)生一定厚度的白亮層，白亮層的特性就是硬度高，脆性大，容易脫落，所以PVD處理前不允許有白亮層。氣體氮化是全面氮化,各個(gè)部位都有氮化層，氮化后采用端面磨及外圓珩磨能夠?qū)⒍嗣婕巴鈭A的白亮層除去，但外圓與端面交接的棱邊不能加工到，無法去除白亮層。如果再在上面覆著DLC涂層，會(huì)降低DLC涂層結(jié)合強(qiáng)

9、度，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作中容易造成活塞環(huán)棱邊DLC涂層崩缺，所以在過程加工中必須關(guān)注這個(gè)細(xì)節(jié)。目前有采用酸洗及光整去除活塞環(huán)棱邊白亮層的工藝。棱邊白亮層去除效果如以下照片：DLC涂層作為一種新型結(jié)構(gòu)材料和功能材料，其結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)檢測較傳統(tǒng)鍍鉻及氮化處理復(fù)雜，一般采用光譜儀、光電子能譜儀進(jìn)行涂層結(jié)構(gòu)分析（碳以sp3和sp2鍵的形式存在）；采用干涉顯微鏡測量涂層厚度（320“m）；采用涂層附著力劃痕試驗(yàn)機(jī)測量結(jié)合強(qiáng)度（50N以上）；采用摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測量摩擦系數(shù)（0.2以下）；采用顯微硬度計(jì)測量涂層硬度（HVo.o25,1515002800）,其涂層硬度測量值與涂層的厚度、負(fù)載及基體的硬度有關(guān)，在測試硬

10、度時(shí)，涂層的厚度往往達(dá)不到測試時(shí)所加負(fù)載需要的最低厚度要求，測試數(shù)據(jù)均為涂層/基體硬度。在氮化基礎(chǔ)上覆蓋DLC涂層比不做處理或鍍鉻處理基體上覆蓋DLC涂層，其測試硬度值要高0DLC涂層劃痕儀聲發(fā)射曲線見【圖3】，摩擦系數(shù)見【圖4】?！緢D3】吋間/呂【圖4】亠_“卄_譏_#,*kj*mjo50nwwloo攤間rx正如前文所述，同為PVD處理方式獲得，DLC涂層與CrN硬質(zhì)涂層比較，其最為突出的優(yōu)點(diǎn)是大大降低了活塞環(huán)摩擦功耗。實(shí)驗(yàn)表明，排量1.8L的L4發(fā)動(dòng)機(jī)采用DLC涂層活塞環(huán)后，在整個(gè)工作轉(zhuǎn)速區(qū)域,摩擦損失下降10%15%。目前類金剛石涂層（DLC）應(yīng)用于活塞環(huán)，在國內(nèi)已有活塞環(huán)廠家聯(lián)合科研院所開發(fā)成功并推向市場，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。與CrN相比，在提高耐磨性的同時(shí)，有效地降低了摩擦功耗，德國G0ETZE公司在其活塞環(huán)手冊中明確指出，與現(xiàn)在主要使用的CrN之類的PVD硬質(zhì)涂層相比，具有良好自潤滑性的、超硬和超低摩擦系數(shù)的DLC涂層將有更加廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1、GOETZE，PistonRingHa