類金剛石涂層在活塞環(huán)上的應(yīng)用

(安慶帝伯格茨活塞環(huán)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(yán)格及人們對節(jié)能環(huán)保意識的逐漸提高，汽車發(fā)動機(jī)朝著低油耗、高壽命、低排放的方向發(fā)展。作為發(fā)動機(jī)重要零部件之一的活塞環(huán)也面臨更大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的活塞環(huán)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(huán)涂層硬度低、摩擦系數(shù)大，從而導(dǎo)致活塞環(huán)耐磨性差、抗“拉缸”性差、摩擦功損失多，影響發(fā)動機(jī)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(huán)的使用性能，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性。本文介紹的類金剛石(DLC)涂層技術(shù)是一種近幾年才實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的活塞環(huán)表面處理技術(shù)。

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(shù)，非常適用于機(jī)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(dāng)碳原子完全以SP2鍵結(jié)合形成純石墨晶體，以純SP3鍵結(jié)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(jié)構(gòu)介于金剛石和石墨之間[2]。受環(huán)境及沉積方式的影響，DLC膜中還可能含有氫(H)等雜質(zhì)，形成不同的C-H鍵。根據(jù)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(zhì)越接近于金剛石[4]。根據(jù)活塞環(huán)的工作環(huán)境和可以實現(xiàn)的量產(chǎn)工藝，本研究在活塞環(huán)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(huán)上的應(yīng)用

2.1 實現(xiàn)活塞環(huán)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(qiáng)化學(xué)氣相沉積法等。

等離子體增強(qiáng)化學(xué)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(huán)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(fā)動機(jī)活塞環(huán)。

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(jié)合力好、沉積溫度低、可通過在基體上加負(fù)偏壓使沉積能量在大范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)等優(yōu)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(fā)動機(jī)活塞環(huán)。

根據(jù)實際需要，設(shè)計了3種DLC涂層的活塞環(huán)(圖1)。第一種直接在活塞環(huán)基體和基體外圓面上設(shè)立DLC涂層；第二種是在基體的外圓面設(shè)一層采用普通鍍鉻或是復(fù)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(shè)DLC層；第三種是在基體表面設(shè)一層氮化層，再在基體的外圓氮化層上設(shè)置DLC涂層[5]。

1.環(huán)基體；2.鍍鉻或復(fù)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(huán)DLC涂層的性能評價

2.2.1 活塞環(huán)DLC膜的結(jié)合力測試

用洛氏壓痕法評價DLC膜與活塞環(huán)基體的結(jié)合力。洛氏壓痕法是從德國發(fā)展起來的，并在VDI 3198(1991)指南中形成標(biāo)準(zhǔn)。這種方法采用標(biāo)準(zhǔn)洛氏硬度計(負(fù)荷為1 471 N)壓頭壓入薄膜，在壓坑周圍及鄰近區(qū)域產(chǎn)生薄膜損壞，采用100倍光學(xué)顯微鏡觀察壓痕周圍形貌，根據(jù)其形狀評價膜基結(jié)合強(qiáng)度。已經(jīng)定義的膜基結(jié)合強(qiáng)度和其對應(yīng)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(jié)合強(qiáng)度，而HF5和HF6定義為不足的結(jié)合強(qiáng)度，以此為標(biāo)準(zhǔn)，保荷時間15 s試驗?zāi)せY(jié)合力。圖3為DLC膜的壓痕圖，判斷對比可知膜基結(jié)合力非常好。

圖2 HF1～HF6膜基結(jié)合強(qiáng)度對應(yīng)形貌圖

圖3 活塞環(huán)DLC膜的壓痕照片

2.2.2 活塞環(huán)DLC膜的摩擦磨損試驗

將等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法和真空陰極電弧沉積法制備的DLC涂層與傳統(tǒng)的真空離子鍍膜(PVD)CrN活塞環(huán)涂層的耐磨性進(jìn)行對比測試。摩擦上試驗片為活塞環(huán)，下試驗片為灰鑄鐵缸套材質(zhì)，試驗負(fù)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(huán)和缸套材料的磨損量數(shù)據(jù)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(yōu)勢。

圖4 活塞環(huán)與缸套的磨損量

2.2.3 活塞環(huán)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(tǒng)的PVD(CrN)活塞環(huán)涂層的抗“拉缸”性能進(jìn)行對比測試。摩擦上試驗片為活塞環(huán)，下試驗片為灰鑄鐵缸套材質(zhì)，試驗負(fù)荷從40 N開始每分鐘均勻增加20 N，直到發(fā)生“拉缸”現(xiàn)象后停止。圖5為其發(fā)生“拉缸”現(xiàn)象的負(fù)荷數(shù)據(jù)對比。由圖5可見，DLC涂層具備更優(yōu)越的抗“拉缸”性能。

圖5 活塞環(huán)拉缸試驗數(shù)據(jù)

DLC涂層采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積或真空陰極電弧沉積技術(shù)。所制備的活塞環(huán)DLC涂層厚度在0.5～20 μm，在同一片活塞環(huán)上DLC涂層厚度的均勻性可控制在10%以內(nèi)。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(huán)硬度的2～3倍，使得活塞環(huán)的耐磨性能大幅度提升，而且DLC 涂層的摩擦系數(shù)極低，可控制在0.1以下，這大大降低了活塞環(huán)與活塞運動時的摩擦功損失，有效改善了車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時對于解決活塞環(huán)出現(xiàn)的早期磨損問題效果顯著。

2.3 適用于高檔汽車發(fā)動機(jī)的活塞環(huán)

設(shè)計了兩種適用于高檔汽車發(fā)動機(jī)的活塞環(huán)，如圖6所示。第一種在包括活塞環(huán)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(shè)計針對側(cè)面磨損大的活塞環(huán)。在環(huán)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(shè)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(jié)構(gòu)可以提高結(jié)合力。DLC涂層能進(jìn)一步提高活塞環(huán)的表面硬度，增加環(huán)的耐磨損性，同時因低摩擦系數(shù)可降低摩擦約20%，降低燃油消耗1.2%左右。

1.環(huán)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(huán)的對比應(yīng)用試驗

3.1 汽油機(jī)試驗

將DLC活塞環(huán)與鉻-陶瓷復(fù)合鍍(CKS)環(huán)在某汽油機(jī)上進(jìn)行15 h的加砂機(jī)油耗試驗。結(jié)果顯示，與CKS環(huán)相比，DLC環(huán)的機(jī)油消耗率降低了24.2%(圖7)。DLC環(huán)的環(huán)間隙變化值和外圓磨損量也明顯小于CKS環(huán)(表1)。

圖7 機(jī)油消耗率示意圖

項目試驗情況CKS環(huán)DLC環(huán)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(jī)試驗

氮化活塞環(huán)在某柴油發(fā)動機(jī)上一直存在著“拉缸”問題，無法通過試驗，改為使用DLC環(huán)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(jié)果如圖8所示。相比于氮化環(huán)，使用DLC環(huán)后柴油機(jī)的漏氣量和機(jī)油消耗量均出現(xiàn)了明顯的下降(圖8)。從活塞環(huán)外圓面的照片也能直觀看出氮化環(huán)的外圓面拉傷嚴(yán)重，DLC環(huán)的外圓面接觸帶仍然連續(xù)，這表明DLC環(huán)的外圓面磨損量很小(表2)。

圖8 漏氣量和機(jī)油耗試驗結(jié)果示意圖

表2 試驗后兩種活塞環(huán)外圓表面對比

4 結(jié)語

DLC涂層具有的低摩擦系數(shù)、高硬度、穩(wěn)定的化學(xué)性能等與金剛石類似的優(yōu)點，使其被廣泛應(yīng)用于汽車零部件領(lǐng)域。本文所介紹的幾種DLC涂層活塞環(huán)既能夠解決活塞環(huán)持久耐磨性差的問題，又能降低發(fā)動機(jī)的摩擦功損失，從而提升發(fā)動機(jī)的使用性能，延長發(fā)動機(jī)的使用壽命，為汽車行業(yè)的節(jié)能降耗作出重要貢獻(xiàn)。