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星弧涂層新材料科技（蘇州）股份有限公司研發(fā)部 

一、PVD涂層應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)零件的情況

PVD涂層技術(shù)自上世紀(jì)90年代引入發(fā)動(dòng)機(jī)零件以來(lái)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在活塞環(huán)、缸套、活塞銷(xiāo)、挺桿、凸輪等零件來(lái)解決表面性能的需求，滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能、環(huán)保、小型化和生物能源應(yīng)用帶來(lái)的零件過(guò)早失效甚至不能使用的境況。目前，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家使用CrN、Me-DLC或a-C:H涂層提高零部件的使用性能，如柴油噴射器零部件、活塞環(huán)、齒輪、軸瓦、活塞銷(xiāo)和氣門(mén)已成為零件制造環(huán)節(jié)中的重要一部分。

二、DLC涂層介紹

DLC涂層的主要化學(xué)成份是碳元素，根據(jù)制備工藝和原料的不同，有適量其它元素的摻雜。DLC中，碳元素主要以類(lèi)金剛石結(jié)構(gòu)（SP³）和類(lèi)石墨結(jié)構(gòu)（SP²）鍵合，表現(xiàn)出金剛石和石墨的共有性質(zhì)，如高硬度（2500Hv以上）、低的摩擦系數(shù)（0.15以下），化學(xué)惰性、良好的導(dǎo)熱性能，被廣泛用在工業(yè)生產(chǎn)中，如發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、注塑模具、鏡面模具、有色金屬切屑工具和精密零部件等領(lǐng)域，解決了很多工業(yè)問(wèn)題。

三、涂層解決摩擦損耗問(wèn)題

發(fā)達(dá)國(guó)家的應(yīng)用實(shí)踐表面，PVD涂層不僅能夠解決磨損的問(wèn)題，而且可以減少摩擦功耗。涂有CrN或者DLC的活塞環(huán)可以很好的滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)小型化高功率的應(yīng)用要求，這種環(huán)應(yīng)用于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)可以服務(wù)其整個(gè)壽命周期；使用了DLC涂層的噴油器使用壽命超過(guò)十萬(wàn)公里而不出現(xiàn)黑煙、動(dòng)力不足等問(wèn)題。而摩擦學(xué)涂層DLC在相對(duì)滑動(dòng)零部件上的應(yīng)用，如氣門(mén)機(jī)構(gòu)零件上，可以減少40%的摩擦功耗，帶來(lái)更好的燃油經(jīng)濟(jì)性和1～2%的CO₂減排。Nissan VQ35DE發(fā)動(dòng)機(jī)在凸輪和氣門(mén)頂筒之上采用鉆石級(jí)硬度的DLC涂層，結(jié)果使其摩擦減少40%，油耗可降低16%。圖一表明，發(fā)動(dòng)機(jī)能量損失的15％來(lái)自摩擦損耗，其中活塞與活塞環(huán)組摩擦損耗占整個(gè)摩擦損耗能量的60％，單此項(xiàng)就可以節(jié)能10%左右。

圖一、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油能量分配情況

四、應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)零件DLC涂層的發(fā)展概況

DLC在發(fā)動(dòng)機(jī)部件上開(kāi)始成功應(yīng)用的是摻雜金屬的DLC（Me-DLC），Me-DLC的典型應(yīng)用是渦輪增壓柴油機(jī)燃油噴射器部件和軸承。Me-DLC 涂層硬度在1200～2000Hv 之間變化，與鋼干磨摩擦系數(shù)通常在0.1～0.2 之間。Me-DLC 涂層的抗沖擊疲勞的能力特別地得到了認(rèn)可，現(xiàn)在仍然廣泛應(yīng)用在多種零件上，例如齒輪、軸承、活塞環(huán)。

Me-DLC 涂層由于硬度和摩擦系數(shù)的不足，耐磨損能力已不能滿(mǎn)足要求，很快地被含氫無(wú)定型碳DLC（a-C:H）所取代，用來(lái)解決不斷增加的噴射壓力帶來(lái)的噴油器部件的磨損問(wèn)題。含氫無(wú)定型碳DLC（a-C:H）涂層硬度可達(dá)2500Hv ，與鋼干摩擦系數(shù)范圍是0.05～0.15，典型應(yīng)用是在渦輪增壓柴油燃油噴射器部件、活塞銷(xiāo)和氣門(mén)配氣機(jī)構(gòu)部件。

另一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)是摻Si的DLC涂層DLC(a-C:H:Si)，在有潤(rùn)滑的條件下DLC(a-C:H:Si)的摩擦系數(shù)低于DLC（a-C:H）涂層，通過(guò)調(diào)節(jié)涂層結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)硬度和減少摩擦的完美結(jié)合；該涂層的另一優(yōu)點(diǎn)是具有比DLC（a-C:H）涂層更高的耐熱能力。

五、星弧DLC涂層技術(shù)

星弧DLC涂層是采用離子束技術(shù)，在德國(guó)技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合國(guó)內(nèi)客戶(hù)的需求開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，涂層的種類(lèi)包括含氫DLC（a-C:H）、Me-DLC和含硅DLC（a-C:H:Si）。DLC涂層硬度在2000Hv～5000Hv之間，摩擦系數(shù)0.06～0.15之間。此類(lèi)DLC涂層具有很強(qiáng)的耐摩擦、抗腐蝕性能，并且和陶瓷、塑料、有色金屬、復(fù)合材料具有很低的融合粘結(jié)性，可以廣泛應(yīng)用于刀具、模具、摩擦件、裝飾品等產(chǎn)品表面來(lái)提高使用和美觀性能。

為不斷滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的需要，星弧涂層專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了性能優(yōu)異的DLC涂層，命名為DLC-T涂層。該涂層具有已有DLC的高硬度、自潤(rùn)滑性能以外，涂層的塑性增強(qiáng)，和基底的附著力提高一倍以上，涂層的表面更致密、摩擦系數(shù)降低20%以上，同時(shí)涂層可以實(shí)現(xiàn)的厚度得到大幅提高，厚度可達(dá)10um以上。這種涂層已經(jīng)成功應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴、節(jié)油閥、活塞環(huán)、挺柱等零部件上。DLC-T的主要性能參數(shù)是：硬度2000～3500Hv，摩擦系數(shù)0.05～0.1，厚度2～10um，最高使用溫度350℃，彈性模量大于230GPa。