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1、D L C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
2、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
3、渡层和掺杂 DLC 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 （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
4、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。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
5、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 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（0.2 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着。同为 PVD 处理方式获得，DLC 涂层与 CrN 硬质涂
6、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 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
7、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，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 D
8、LC 涂层结合的复合处理方式,以铬、钨等氮化物为 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 DLC 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】DLC 复合层氮化物合层涂层类型： -C：H：Me?为了提高 DLC 涂层的结合力，除了上述采用基体氮化、增加过渡层、DLC 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
9、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 DLC 涂层，会降低 DLC 涂层结合强度，在发 动机工作中容易造成活塞环棱边 DLC 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：棱边白亮层经酸洗及光整处理0.025，15【图 4】/矩力DLC 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
10、传统镀铬及氮化处理复杂， 一般采用光谱仪、光电子能谱仪进行涂层结构分析（碳以sp3 和?sp2 键的形式存在）；采用干涉显微镜 测量涂层厚度（320m）；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（0.2 以下）；采用显微硬度计测量涂层硬度（HV 15002800），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 DLC 涂层比不做处理或镀铬处理 基体上覆盖 DLC 涂层，其测试硬度值要高。DLC 涂层划痕仪声发射曲线见【图 3】
11、，摩擦系数见【图 4】。【图 3】【图 3】【图 4】正如前文所述，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。实验表明，排量 1.8L 的 L4 发动机采用 DLC 涂层活塞环后，在整个工作转速区域， 摩擦损失下降 10%15%。发动机转速102/rmin-1m目前类金刚石涂层（DLC）应用于活塞环，在国内已有活塞环厂家联合科研院所开发成功并推向市 N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 GOETZE 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、擦超硬和摩超低摩擦系数的 DLC 涂层将有更加广泛的应用。参考文献1、 GOETZE，PistonRingHandbook.20082、 邓洁，覃礼钊,等，类金刚石膜的性质及应用，现代科学仪器 20073、 ShojiroMiyakde.ImprovementofboundarylubricationpropertiesofDLCfilmsduetometaladdition.20044、 保田芳辉，低减表面处理技术动向，自动车技术 1999
