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1、GIC涂层应用于活塞环（深圳金迈克精密科技有限公司）摘要本文介绍了采用PVD处理方法获得的Gic涂层，针对Gic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Gic涂层耐磨减摩摩擦功耗1860年法国人勒努瓦（Lenoir， Jean Joseph Etienne ）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一一
2、Gic涂层。讨论Gic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Physical Vapor Deposi tion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Gic涂层上采用的溅射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，电离，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3ic涂层。金属离子来源 于靶材，PVD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
3、 （银灰色）、Gic （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Cr N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-陶瓷复合涂层）环后，现在 行业内恐怕就不叫CKS环，该叫湿式电镀环了。上篇幅力图说明PVD是一种镀膜
4、的处理方法，而膜层种类却是多样的。本文要探讨的3ic涂 层就是一种采用PVD处理方法获得的涂层:Gic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（graphi te）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；Gic 涂层一一碳则是以sp2键为主的混合形式结合，通常为非晶态或含有部分纳米晶。Gic涂层具备 高硬度和低摩擦系数的特点。涂层硬度高（2000-3000HV）,是普通镀硬铬环或氮化环硬
5、度的23 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（0.05左右），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，Gic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45%,而Gic涂层活塞环可有效降低摩擦功耗。G
6、ic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Gic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Gic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，Gic层
7、掺杂金属合金。这些工 作都不同程度的改进了Gic涂层的力学、摩擦磨损以及各种物理化学性能，从而解决了Gic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Gic涂层结合的复合处理方式，以铬等氮化物为过渡层，由于氮化后的活塞环基体表面 有较深的硬化层，具有一定的硬度、耐磨性和残余压应力，构成了 Gic涂层理想支承体，其承载能 力远远超过未氮化基材. 涂层的附着性能都大为提高。 同时由于进行了全表面的氮化处理，进 而提高了活塞环的整体耐磨性。PVD处理设备截面示意图如【图1】，涂层结构图如【图2】。【图1】【图2】为了提高Gic涂层的结合力，除
8、了上述采用基体氮化、增加过渡层、Gic层掺杂等根本性改进 措施外，活塞环的前处理也有一些细节性问题需要关注。例如：活塞环气体氮化后会产生一定 厚度的白亮层，白亮层的特性就是硬度高，脆性大，容易脱落，所以PVD处理前不允许有白亮层。 气体氮化是全面氮化，各个部位都有氮化层，氮化后采用端面磨及外圆珩磨能够将端面及外圆 的白亮层除去，但外圆与端面交接的棱边不能加工到，无法去除白亮层。如果再在上面覆着Gic 涂层，会降低Gic涂层结合强度，在发动机工作中容易造成活塞环棱边Gic涂层崩缺，所以在过程 加工中必须关注这个细节。目前有采用酸洗及光整去除活塞环棱边白亮层的工艺。棱边白亮层 去除效果如以下照片：
9、Gic涂层作为一种新型结构材料和功能材料，其结构、性能参数检测较传统镀铬及氮化处理 复杂，采用球磨测厚仪测量涂层厚度（1-4Am）；采用涂层附着力划痕试验机测量结合强度（50N 以上）；采用摩擦磨损实验机测量摩擦系数（ 0.05左右）；采用显微硬度计测量涂层硬度 （2000-3000HV），其涂层硬度测量值与涂层的厚度、负载及基体的硬度有关，在测试硬度时， 涂层的厚度往往达不到测试时所加负载需要的最低厚度要求，测试数据均为涂层/基体硬度。在 氮化基础上覆盖Gic涂层比不做处理或镀铬处理基体上覆盖Gic涂层，其测试硬度值要高。Gic涂 层划痕仪声发射曲线见【图3】，摩擦系数见【图4】。2040
10、覺 60 血购 9Q luo正如前文所述，同为PVD处理方式获得，Gic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。实验表明，排量 1.8L的L4发动机采用Gic涂层活塞环后，在整个 工作转速区域，摩擦损失下降10%15%。目前，Gic涂层应用于活塞环，在国内已有活塞环厂成功并推向市场，实现了工业化生产。 与CrN相比，在提高耐磨性的同时，有效地降低了摩擦功耗，德国G0ETZE公司在其活塞环手册中 明确指出，与现在主要使用的CrN之类的PVD硬质涂层相比，具有良好自润滑性的、超硬和超低 摩擦系数的，Gic涂层将有更加广泛的应用。参考文献 GOETZE， Piston Ring Handbook.2008邓洁，覃礼钊，等，类金刚石膜的性质及应用，现代科学仪器2007 Shojiro Miyakde.Improvement of boundary lubrication properties of DLC films due to metal addition. 2004保田芳輝，工声9日低減表面處理技術動向，自動車技術1999
