DLC涂层在活塞环上的应用

《DLC涂层在活塞环上的应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、DLC涂层应用于活塞环Diamond-LikeCarbonFilmsAppliedtoPistonRing周革华（安庆市德奥特汽车零部件制造有限公司）〔摘要〕本文介绍了采用PVD处理方法获得的DLC涂层，针对DLC涂层应用于活塞环，提高活塞环耐磨、减摩性能做了重点介绍，并叙述了该领域的发展现状及趋势。〔关键词〕活塞环PVD处理方法DLC涂层耐磨减摩摩擦功耗自1860年法国人勒努瓦（Lenoir，JeanJosephEtienne）首次在内燃机中采用了弹力活塞环，经过一百多年的发展，内燃机活塞环的结构、尺寸设计日趋系列化、标准化，目前改进的重点主要集中在材料和表面处理，特别是表面处理技术的突

2、破会是以后活塞环技术发展的前沿。本文重点介绍一种近几年来活塞环领域内广泛关注的表面处理涂层——类金刚石涂层（DLC）。在讨论DLC涂层前有必要介绍一下PVD处理技术，并理清一个活塞环行业内存在的概念性问题。所谓PVD即英文PhysicalVaporDeposition的简称，意思为物理气相沉积，它本是镀膜行业一种常用的镀膜处理方法。物理气相沉积法（PVD）又可分为真空镀，真空溅射和离子镀等等，在活塞环DLC涂层上采用的溅射+离子源技术是把工件经清洗烘干等前处理后放进封闭的腔室内通过抽真空、蒸发，电离或溅射等过程，最终在工件表面形成金属化合物过渡层和掺杂DLC涂层。金属离子来源于靶材，PVD

3、处理时根据不同的金属靶材和反应气体，会生成不同种类的涂层，如：TiN（金黄色）、ZrN（青黄色）、CrN（银灰色）、DLC（黑色）等等。PVD是一种镀膜方法，而不是镀层种类。正如我们所熟悉的湿式电镀，根据槽液和处理方式的不同可以镀硬铬、镀锌、镀镍等等，还有活塞环行业内广为人知的CKS/CID都是湿式电镀。十多年前，PVD处理应用于活塞环在国内是空白，国内厂家从国外引进活塞环外圆面CrN涂层PVD处理技术时，可能出于简单化考虑，在产品推广时就叫PVD环。结果导致现在不少用户以为PVD环就是那种灰色的CrN涂层环。可以假设，如果以前国内湿式电镀应用于活塞环也是空白，那么引进CKS（铬-陶瓷复合

4、涂层）环后，现在行业内恐怕就不叫CKS环，该叫湿式电镀环了。以上篇幅力图说明PVD是一种镀膜的处理方法，而膜层种类却是多样的。本文要探讨的DLC涂层就是一种采用PVD处理方法获得的涂层。DLC是英文Diamond Like Carbon的简称，即类金刚石涂层。我们知道碳原子和碳原子之间以不同的方式结合，会产生不同的物质：金刚石（diamond）——碳碳以sp3键（一个C原子被另外3个C原子所围绕并形成共价键,表现出硬度高的特性。）的形式结合；石墨（graphite）——碳碳以sp2键（其C原子紧密以共价键连接在一个平面内,层与层之间的连接很弱。）的形式结合；而类金刚石（DLC）——碳碳则是

5、以sp3和sp2键的混合形式结合，应用于活塞环上的DLC涂层还含有C-H等杂相，通常为非晶态或含有部分纳米晶。DLC兼具了金刚石和石墨的特性， 由于含有金刚石成分，涂层硬度高，是普通镀硬铬环或氮化环硬度的2～3倍，具有更高的耐磨损性能，同时由于含有石墨成分，其摩擦系数极低（0.2以下），降低了环对缸套的攻击性，在恶劣润滑条件下提高了环的抗拉缸性能，同时对解决活塞环早期异常磨损效果显著。同为PVD处理方式获得，DLC涂层与CrN硬质涂层比较，其最为突出的优点是大大降低了活塞环摩擦功耗。在发动机设计时，为了改善发动机的燃油耗，应尽可能地将燃烧能量无损地作为驱动力加以有效利用。减少发动机滑动部件

6、摩擦可直接降低这种能量的损失，它直接关系到发动机燃油耗的改善。资料显示活塞/活塞环部分的摩擦随着发动机转速的升高而增加，在发动机总摩擦损失中占4～5％，而DLC涂层活塞环可有效降低摩擦功耗。DLC涂层应用于活塞环，国内外厂家在近几年才实现工业化生产，其较PVD处理CrN涂层迟缓，主要是受限于制备技术，目前制备DLC涂层的方法主要有电化学法、物理气相沉积法和化学气相沉积法三大类。其中电化学法制备DLC涂层的性能较差，无法达到应用要求；工业上采用较多的是物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法（CVD），这两种方法对设备的要求高，制备工艺也比较复杂。在初期应用中，普遍出现了涂层内应力大，涂层厚

7、度受到限制的问题。对此,国内外一些研究者另辟蹊径,将传统的表面处理技术如渗碳、氮化、镀铬等与现代的PVD、CVD等处理技术相结合,选择不同的金属和金属氮化物、碳化物作为过渡层，DLC层掺杂金属合金。这些工作都不同程度的改进了DLC涂层的力学、摩擦磨损以及各种物理化学性能，从而解决了DLC涂层应用于活塞环的一些技术瓶颈。目前在活塞环上主要是采用先将活塞环进行气体氮化或离子氮化,然后再与DLC涂层结合的复合处理方式,以铬、钨