摻雜碳基涂層抗摩耐磨性能的改進
時間：2014年04月15日瀏覽：408次收藏分享：
在苛刻的工作條件下，涂層技術可以減小摩擦和提高零部件的耐磨性，因此成為減少CO2 排放的途徑之一，在汽車行業得到了廣泛應用。為了適應當前提高工作溫度和降低潤滑油粘度的發展趨勢，豪澤（Hauzer）公司開始對類金剛石（DLC）涂層摻雜技術和ta-C（四面體非晶碳）涂層進行研究。不同的摻雜材料被添加到無氫和有氫DLC涂層之中。
汽車行業的最新發展是提高發動機的工作效率。發動機小型化、發動機啟停和渦輪增壓技術、使用低粘度潤滑油等都能發揮其各自的作用，同時還需要應用涂層技術。隨著發動機工作溫度和零部件載荷密度日益增高，傳統的DLC涂層正達到其性能極限。例如，活塞環端部與氣缸套接觸區的工作溫度已超過400℃，而DLC涂層的穩定工作溫度通常在300℃以下。在這種情況下，傳統做法是在該區域涂覆CrN厚涂層。但是CrN涂層的摩擦系數（COF）較大，這意味著燃油消耗和CO2排放也較高。另一個趨勢是利用少量添加劑，改變材料的潤滑性能和減少潤滑油粘度，這對提高零部件的耐磨性提出了更高的要求。
試驗研究
摻雜的DLC和ta-C涂層由Hauzer Flexicoat 1200物理氣相沉積（PVD）涂層系統生產。該系統采用混合沉積技術，包括閉合磁場非平衡（UBM）濺射、電弧蒸發和等離子輔助化學氣相沉積（PACVD）涂層工藝。Flexicoat 1200涂層設備配置了4個磁控濺射陰極（Cr, WC, C）和一組圓形電弧陰極（C），在直徑30mm、表面粗糙度15nm的拋光高速鋼基片上進行鍍膜，沉積6種不同的涂層。基片加載偏壓，并在衛星式回轉工件盤上雙重旋轉時進行涂層。在設備加熱和用泵抽真空至2×10-5ＨPa以后，基片在氬氣氣氛中進行等離子刻蝕，然后進行涂層。Cr和WC靶材被用于形成合適的中間層，以確保涂層與基底之間有適當的結合力，并能以適當方式承受載荷應力。頂層為碳基涂層，即用碳電弧源沉積的ta-C 涂層。涂層2用WC進行摻雜，并由其中另一個WC靶在低功率下濺射沉積，涂層3同時通入了C2H2 氣體。
涂層后處理
電弧涂層中會產生微小的液滴，從而使涂層表面粗糙度變差。尤其應避免“多山狀”表面粗糙度，因為它會導致摩擦接觸面的局部區域產生非常高的接觸應力，并損壞相互摩擦的涂層零部件。為了確保摩擦系統達到要求的工作壽命，要求摩擦表面非常光滑，沒有這些凹凸點。在這種情況下，對電弧沉積涂層的基片進行了研磨拋光，使其表面粗糙度值由80nm降低到20nm以下。
濺射沉積的摻雜DLC 涂層由碳濺射靶材形成。通過同時濺射C和WC靶材，實現了W的摻雜。涂層5和涂層6采用PACVD工藝沉積，制備出Cr和WC的結合層后，在C2H2 氣相中直接形成氫化的DLC頂層；而在a-C:H-Si涂層中，摻雜劑則來源于添加了含Si前驅氣體的氣相氛圍。濺射沉積的a-C:H-W涂層以及采用PACVD工藝制備的a-C:H和a-C:H-Si涂層，涂層后均無需再進行拋光。這些涂層的表面粗糙度值在15—20nm范圍內，與未涂層的拋光基片表面粗糙度類似。為了分析涂層的高溫耐磨性以及在不同潤滑條件下的抗摩耐磨性能，還進行了以下試驗研究。
干式工況下的抗摩耐磨性能
室溫和高溫下的銷-盤磨損測試在位于布倫瑞克的夫瑯和費研究所進行。室溫試驗在一臺UMT3摩擦測試儀上進行。涂層試件被放在一個轉盤上，并與一個未涂層的鋼球相互摩擦。該配對鋼球材質為1.3505鋼，直徑5mm。開機運行后，開始進行60分鐘的測量，加載的法向力為3N，滑動速度32mm/s。
高溫銷-盤磨損測試在450℃的熱空氣中在UMT3摩擦測試儀（CETR）上進行。涂層試件放在一個轉盤上，并固定在加熱爐中。開始測試前需預熱40分鐘，將試件加熱到450℃。配件為直徑9.5mm、未涂層的1.3505 鋼球。加熱后，開始用12N的法向力、32 mm/s的滑動速度（痕跡總長度為115m）進行60分鐘測量。室溫和高溫測試在采用不同直徑鋼球和不同法向力的不同實驗裝置上完成。為了使對比結果更具有實際意義，在試驗中選用了不同的法向力參數，以使兩次測試具有相同的接觸壓力。
潤滑工況下的抗摩耐磨性能
潤滑工況下的往復摩擦測試在利茲大學進行，該測試采用的是Biceri公司一臺經過改進的摩擦測試儀。在潤滑條件下，用一個曲率半徑40mm的未涂層鑄鐵銷，以73.5N的力(接觸壓力600 MPa)與涂層試件盤進行滑動摩擦。測試持續時間為2小時，每個往復行程為1cm，滑動速度為8cm/sec，總滑行距離為0.72km。試驗所用潤滑油分別為20℃ 和 150℃的礦物油（無添加劑）。此外，還用溫度150℃、含添加劑的調質潤滑油進行了測試。當溫度為100℃時，礦物油的粘度為4.03×10-3Pa?s，調制潤滑油的粘度為14×10-3 Pa?s。
試驗結果分析
干式工況下的銷—盤摩擦試驗測試結果顯示了在室溫和高溫（450℃）下測得的摩擦系數，以及高溫摩擦實驗后涂層磨損痕跡的深度。在室溫摩擦實驗中，涂層未出現任何可測出的磨損量。可以發現，與室溫條件下的實驗結果相比，在450℃高溫條件下，涂層的摩擦系數急劇增大：ta-C和ta-C:W 涂層分別增大5倍和7倍，用PACVD工藝沉積的a-C:H涂層也增大了4倍；a-C:H-Si涂層則增大了6倍；ta-C:H 涂層和用濺射工藝沉積的 a-C:H-W涂層的摩擦系數也增大了2倍左右。據推測，導致摩擦系數增大的原因可能是在高溫條件下缺少水汽。在高溫條件下，可測量出涂層有較大的磨損量。ta-C 基涂層的磨損量約為70μm3，其表現優于a-C:H基涂層。
標準a-C:H涂層的磨損量約為200μm3；a-C:H-Si涂層的磨損量則很大（約為100μm3）；a-C:H-W涂層的磨損量約為120μm3。這些測試結果表明，含Si的DLC涂層不適合在高溫條件下使用，而ta-C涂層則顯示出良好的應用潛力，尤其是ta-C:H涂層具有摩擦系數最小的優勢。此外，a-C:H-W涂層也是一種很不錯的候選涂層。
耐磨性能分析
在潤滑工況下，用往復摩擦測試儀對這些涂層進行了分析。對6種不同涂層在不同溫度下、采用不同潤滑油的抗摩耐磨性能進行了測試。在一個摩擦系統中，潤滑油可以提供對摩擦副的磨損保護。摩擦系統的潤滑油粘度也是對CO2減排具有很大影響的參數，因此，采用粘度較小的潤滑油已成為一種趨勢。不過，低粘度潤滑油的缺點是會減小油膜承載能力，并導致發動機轉速升高。用往復摩擦測試儀分別對使用室溫、150℃礦物油以及150℃調制油的抗摩耐磨性能進行了測試。由于在室溫下調質油中的添加劑不起作用，因此只測試了調制油在150℃溫度時的性能。通過分析不同條件下的摩擦系數和磨損痕跡，將所有評估結果匯總。
更好的了解
在室溫條件下采用礦物油潤滑時，大多數涂層的磨損量都非常小。不過也有一些例外：a-C:H-Si涂層有一些小的磨損，而ta-C:W涂層則出現了較大的磨損。ta-C基涂層和a-C:H-W涂層具有最小的摩擦系數。在150℃的高溫條件下使用礦物油潤滑時可以觀察到，雖然ta-C涂層的摩擦系數遠遠小于PACVD工藝涂層，但ta-C基涂層的磨損仍然比a-C:H-W、a-C:H和a-C:H-Si涂層的磨損大。為更好了解ta-C基涂層磨損率更高的原因，還需要繼續進行研究分析。在150℃高溫條件下用調制油進行潤滑時，a-C:H-Si涂層被完全磨穿（銷子的磨損量難以測出）。這就表明，在涂層與潤滑劑之間發生了化學反應。ta-C:H涂層顯示出有一些磨損，而其他涂層都沒有磨損。ta-C 基涂層的摩擦系數比較大，但小于a-C:H-W、a-C:H 和 a-C:H-Si涂層的摩擦系數。
結論
汽車行業對低摩擦、高耐磨零部件的需求與日俱增。以前的大多數涂層都應用于溫度較低（160℃—200℃）的工作環境。在本項研究中，通過試驗研究發現可在高溫（450℃）條件下使用、并具有高耐磨性和低摩擦系數的新型摻雜涂層。在不同的潤滑和溫度條件下，對未摻雜、摻雜W和H的ta-C基涂層以及摻雜W和Si的氫化DLC 涂層進行了對比分析。
在450℃的高溫耐磨試驗中，ta-C:W涂層幾乎沒有出現干磨損；ta-C涂層的磨損量很小（無變化）；a-C:H:Si涂層則觀察到較大的干磨損。在潤滑條件下的往復摩擦試驗中，當使用150℃礦物油時，所有ta-C涂層都有較大的磨損。與a-C:H:X涂層相比，所有ta-C涂層的摩擦系數都更小；在使用調制潤滑油時，除了Si-DLC涂層因化學親和性問題而出現很大磨損外，其他所有涂層的磨損量都非常小；在使用礦物油時，所有a-C:H涂層的磨損都很小。所有W摻雜涂層都顯示出非常好的耐磨性。雖然這些涂層的摩擦系數并非最小，但尤其是在使用礦物油的情況下，其摩擦系數與ta-C涂層相當或更小。
總之，通過摻雜元素（尤其是W）可以影響涂層的抗摩耐磨性能。對于發動機零部件來說，涂層摻雜技術顯示出良好的潛能。為了進一步探究涂層在實際發動機零部件上的使用性能，目前正在對發動機進行更多的測試評估。
