類金剛石涂層在活塞環上的應用

(安慶帝伯格茨活塞環有限公司，安徽 安慶 246000)

0 前言

隨著我國汽車排放政策的日益嚴格及人們對節能環保意識的逐漸提高，汽車發動機朝著低油耗、高壽命、低排放的方向發展。作為發動機重要零部件之一的活塞環也面臨更大的挑戰。傳統的活塞環表面處理通常采用氮化處理或鍍鉻處理，這些方式處理的活塞環涂層硬度低、摩擦系數大，從而導致活塞環耐磨性差、抗“拉缸”性差、摩擦功損失多，影響發動機的性能和使用壽命。需要尋找更好的表面處理方式來提高活塞環的使用性能，從而提高燃油經濟性。本文介紹的類金剛石(DLC)涂層技術是一種近幾年才實現工業化生產的活塞環表面處理技術。

1 DLC涂層介紹

DLC涂層是一種耐磨涂層，同時兼具高的硬度和低的摩擦系數，非常適用于機械加工[1]。常溫下碳原子與碳原子之間主要有SP1、SP2和SP33種鍵合方式。當碳原子完全以SP2鍵結合形成純石墨晶體，以純SP3鍵結合而成的是純金剛石。類金剛石膜中既有SP2鍵合形式，也有SP3鍵合形式，因此其性能和結構介于金剛石和石墨之間[2]。受環境及沉積方式的影響，DLC膜中還可能含有氫(H)等雜質，形成不同的C-H鍵。根據膜中碳原子的不同鍵合方式及鍵合比例，DLC涂層可以分為非晶碳膜(a-C)、含氫的非晶碳膜(a-C∶H)、四面體非晶碳膜(ta-C)、含氫四面體非晶碳膜(ta-C∶H)[3]。DLC涂層中SP3鍵的含量越高，膜層越堅硬致密，電阻率越高，其整體性質越接近于金剛石[4]。根據活塞環的工作環境和可以實現的量產工藝，本研究在活塞環上所使用的DLC涂層類型為含氫的非晶碳膜(a-C∶H)和四面體非晶碳膜(ta-C)。

2 DLC涂層在活塞環上的應用

2.1 實現活塞環DLC涂層的工藝

制備DLC膜的主要方法有離子束沉積法、磁控濺射沉積法、真空陰極電弧沉積法、脈沖激光沉積法、等離子體增強化學氣相沉積法等。

等離子體增強化學氣相沉積法制備DLC涂層是利用輝光放電將C2H2氣體裂解成碳原子和氫原子，再利用等離子體將碳原子形成碳離子，通過高偏壓沉積在活塞環工件表面形成DLC涂層，工藝特點是離化率高、沉積速度快、制造成本低，缺點是在離化沉積過程中有少量的C—H鍵形成，制備的DLC涂層屬于含氫的非晶碳膜(a-C∶H)。該涂層的溫度敏感性適合于非增壓低成本的發動機活塞環。

真空陰極電弧沉積法制備DLC涂層是利用電弧轟擊石墨靶材形成碳離子，通過偏置電壓，將碳離子沉積在工件表面，形成涂層。真空陰極電弧沉積具有離化率高、沉積速率高、沉積離子能量高、膜基結合力好、沉積溫度低、可通過在基體上加負偏壓使沉積能量在大范圍內可調節等優點。該工藝過程中無氫原子，不會形成C-H，制備的DLC涂層為ta-C，SP3鍵含量更高，性能更接近金剛石涂層，耐熱性更高，特別適合增壓直噴或柴油發動機活塞環。

根據實際需要，設計了3種DLC涂層的活塞環(圖1)。第一種直接在活塞環基體和基體外圓面上設立DLC涂層；第二種是在基體的外圓面設一層采用普通鍍鉻或是復合陶瓷電鍍的表面處理層，再在基體外圓的表面處理層上設DLC層；第三種是在基體表面設一層氮化層，再在基體的外圓氮化層上設置DLC涂層[5]。

1.環基體；2.鍍鉻或復合陶瓷電鍍處理層；3.氮化層4.DLC層圖1 5種DLC涂層示意圖

2.2 活塞環DLC涂層的性能評價

2.2.1 活塞環DLC膜的結合力測試

用洛氏壓痕法評價DLC膜與活塞環基體的結合力。洛氏壓痕法是從德國發展起來的，并在VDI 3198(1991)指南中形成標準。這種方法采用標準洛氏硬度計(負荷為1 471 N)壓頭壓入薄膜，在壓坑周圍及鄰近區域產生薄膜損壞，采用100倍光學顯微鏡觀察壓痕周圍形貌，根據其形狀評價膜基結合強度。已經定義的膜基結合強度和其對應的薄膜損傷形狀如圖2所示，使用HR-150A型洛氏硬度計，按照HF1～HF4定義為具有足夠的結合強度，而HF5和HF6定義為不足的結合強度，以此為標準，保荷時間15 s試驗膜基結合力。圖3為DLC膜的壓痕圖，判斷對比可知膜基結合力非常好。

圖2 HF1～HF6膜基結合強度對應形貌圖

圖3 活塞環DLC膜的壓痕照片

2.2.2 活塞環DLC膜的摩擦磨損試驗

將等離子體增強化學氣相沉積法和真空陰極電弧沉積法制備的DLC涂層與傳統的真空離子鍍膜(PVD)CrN活塞環涂層的耐磨性進行對比測試。摩擦上試驗片為活塞環，下試驗片為灰鑄鐵缸套材質，試驗負荷100 N，每個摩擦副磨損試驗時間為1 800 min。圖4為其摩擦磨損試驗后活塞環和缸套材料的磨損量數據對比。由圖4可見，DLC涂層的耐磨性是PVD涂層的2倍以上，而且對缸套的磨損性也有明顯優勢。

圖4 活塞環與缸套的磨損量

2.2.3 活塞環DLC膜的抗拉缸性能測試

之后，將兩種工藝方法制備的DLC涂層與傳統的PVD(CrN)活塞環涂層的抗“拉缸”性能進行對比測試。摩擦上試驗片為活塞環，下試驗片為灰鑄鐵缸套材質，試驗負荷從40 N開始每分鐘均勻增加20 N，直到發生“拉缸”現象后停止。圖5為其發生“拉缸”現象的負荷數據對比。由圖5可見，DLC涂層具備更優越的抗“拉缸”性能。

圖5 活塞環拉缸試驗數據

DLC涂層采用等離子體增強化學氣相沉積或真空陰極電弧沉積技術。所制備的活塞環DLC涂層厚度在0.5～20 μm，在同一片活塞環上DLC涂層厚度的均勻性可控制在10%以內。涂層的硬度為1 800～3 000 HV，是僅采用普通鍍鉻或氮化處理活塞環硬度的2～3倍，使得活塞環的耐磨性能大幅度提升，而且DLC 涂層的摩擦系數極低，可控制在0.1以下，這大大降低了活塞環與活塞運動時的摩擦功損失，有效改善了車輛的燃油經濟性，同時對于解決活塞環出現的早期磨損問題效果顯著。

2.3 適用于高檔汽車發動機的活塞環

設計了兩種適用于高檔汽車發動機的活塞環，如圖6所示。第一種在包括活塞環基體和基體的外圓面上涂覆一層CrN或TiN涂層，再在外圓面的CrN或TiN涂層上涂覆DLC涂層。第二種設計針對側面磨損大的活塞環。在環的基體表面通過涂覆一層氮化層，在外圓的氮化層上用PVD方法生成CrN或TiN涂層，最后再在CrN或TiN涂層上設立DLC涂層[6]。

氮化層采用氣體氮化方式生成，涂層的硬度在800～1 300 HV，厚度為10～80 μm。利用PVD方法生成的CrN或TiN涂層，厚度在5～50 μm間，在此涂層的外圓面再涂覆一層DLC涂層，厚度在1～20 μm，CrN層硬度在氮化層和DLC層之間，涂層采用硬度梯度結構可以提高結合力。DLC涂層能進一步提高活塞環的表面硬度，增加環的耐磨損性，同時因低摩擦系數可降低摩擦約20%，降低燃油消耗1.2%左右。

1.環基體；2.氮化層；3.CrN或TiN涂層；4. DLC層圖6 涂層示意圖

3 DLC環的對比應用試驗

3.1 汽油機試驗

將DLC活塞環與鉻-陶瓷復合鍍(CKS)環在某汽油機上進行15 h的加砂機油耗試驗。結果顯示，與CKS環相比，DLC環的機油消耗率降低了24.2%(圖7)。DLC環的環間隙變化值和外圓磨損量也明顯小于CKS環(表1)。

圖7 機油消耗率示意圖

項目試驗情況CKS環DLC環間隙/mm試驗前0.190.18試驗后0.280.19外圓輪廓試驗前試驗后外圓磨損量/mm14.3×10-30.59×10-3

3.2 柴油機試驗

氮化活塞環在某柴油發動機上一直存在著“拉缸”問題，無法通過試驗，改為使用DLC環后順利通過了1 000 h的“三超”(超速、超扭矩、超功率)試驗和600 h的冷熱沖擊試驗，結果如圖8所示。相比于氮化環，使用DLC環后柴油機的漏氣量和機油消耗量均出現了明顯的下降(圖8)。從活塞環外圓面的照片也能直觀看出氮化環的外圓面拉傷嚴重，DLC環的外圓面接觸帶仍然連續，這表明DLC環的外圓面磨損量很小(表2)。

圖8 漏氣量和機油耗試驗結果示意圖

表2 試驗后兩種活塞環外圓表面對比

4 結語

DLC涂層具有的低摩擦系數、高硬度、穩定的化學性能等與金剛石類似的優點，使其被廣泛應用于汽車零部件領域。本文所介紹的幾種DLC涂層活塞環既能夠解決活塞環持久耐磨性差的問題，又能降低發動機的摩擦功損失，從而提升發動機的使用性能，延長發動機的使用壽命，為汽車行業的節能降耗作出重要貢獻。