摻雜碳基涂層抗摩耐磨性能的改進(jìn)
時間：2014-04-15瀏覽：436次收藏
在苛刻的工作條件下，涂層技術(shù)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(yè)得到了廣泛應(yīng)用。為了適應(yīng)當(dāng)前提高工作溫度和降低潤滑油粘度的發(fā)展趨勢，豪澤（Hauzer）公司開始對類金剛石（DLC）涂層摻雜技術(shù)和ta-C（四面體非晶碳）涂層進(jìn)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(yè)的最新發(fā)展是提高發(fā)動機(jī)的工作效率。發(fā)動機(jī)小型化、發(fā)動機(jī)啟停和渦輪增壓技術(shù)、使用低粘度潤滑油等都能發(fā)揮其各自的作用，同時還需要應(yīng)用涂層技術(shù)。隨著發(fā)動機(jī)工作溫度和零部件載荷密度日益增高，傳統(tǒng)的DLC涂層正達(dá)到其性能極限。例如，活塞環(huán)端部與氣缸套接觸區(qū)的工作溫度已超過400℃，而DLC涂層的穩(wěn)定工作溫度通常在300℃以下。在這種情況下，傳統(tǒng)做法是在該區(qū)域涂覆CrN厚涂層。但是CrN涂層的摩擦系數(shù)（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(yàn)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(tǒng)生產(chǎn)。該系統(tǒng)采用混合沉積技術(shù)，包括閉合磁場非平衡（UBM）濺射、電弧蒸發(fā)和等離子輔助化學(xué)氣相沉積（PACVD）涂層工藝。Flexicoat 1200涂層設(shè)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(jìn)行鍍膜，沉積6種不同的涂層。基片加載偏壓，并在衛(wèi)星式回轉(zhuǎn)工件盤上雙重旋轉(zhuǎn)時進(jìn)行涂層。在設(shè)備加熱和用泵抽真空至2×10-5ＨPa以后，基片在氬氣氣氛中進(jìn)行等離子刻蝕，然后進(jìn)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(dāng)?shù)慕Y(jié)合力，并能以適當(dāng)方式承受載荷應(yīng)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(jìn)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(chǎn)生微小的液滴，從而使涂層表面粗糙度變差。尤其應(yīng)避免“多山狀”表面粗糙度，因?yàn)樗鼤?dǎo)致摩擦接觸面的局部區(qū)域產(chǎn)生非常高的接觸應(yīng)力，并損壞相互摩擦的涂層零部件。為了確保摩擦系統(tǒng)達(dá)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(diǎn)。在這種情況下，對電弧沉積涂層的基片進(jìn)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(shí)現(xiàn)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(jié)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(qū)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(jìn)行拋光。這些涂層的表面粗糙度值在15—20nm范圍內(nèi)，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(jìn)行了以下試驗(yàn)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(fèi)研究所進(jìn)行。室溫試驗(yàn)在一臺UMT3摩擦測試儀上進(jìn)行。涂層試件被放在一個轉(zhuǎn)盤上，并與一個未涂層的鋼球相互摩擦。該配對鋼球材質(zhì)為1.3505鋼，直徑5mm。開機(jī)運(yùn)行后，開始進(jìn)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(jìn)行。涂層試件放在一個轉(zhuǎn)盤上，并固定在加熱爐中。開始測試前需預(yù)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(jìn)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(shí)驗(yàn)裝置上完成。為了使對比結(jié)果更具有實(shí)際意義，在試驗(yàn)中選用了不同的法向力參數(shù)，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(fù)摩擦測試在利茲大學(xué)進(jìn)行，該測試采用的是Biceri公司一臺經(jīng)過改進(jìn)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(jìn)行滑動摩擦。測試持續(xù)時間為2小時，每個往復(fù)行程為1cm，滑動速度為8cm/sec，總滑行距離為0.72km。試驗(yàn)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(diào)質(zhì)潤滑油進(jìn)行了測試。當(dāng)溫度為100℃時，礦物油的粘度為4.03×10-3Pa?s，調(diào)制潤滑油的粘度為14×10-3 Pa?s。
試驗(yàn)結(jié)果分析
干式工況下的銷—盤摩擦試驗(yàn)測試結(jié)果顯示了在室溫和高溫（450℃）下測得的摩擦系數(shù)，以及高溫摩擦實(shí)驗(yàn)后涂層磨損痕跡的深度。在室溫摩擦實(shí)驗(yàn)中，涂層未出現(xiàn)任何可測出的磨損量。可以發(fā)現(xiàn)，與室溫條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，在450℃高溫條件下，涂層的摩擦系數(shù)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(shù)也增大了2倍左右。據(jù)推測，導(dǎo)致摩擦系數(shù)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(xiàn)優(yōu)于a-C:H基涂層。
標(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(yīng)用潛力，尤其是ta-C:H涂層具有摩擦系數(shù)最小的優(yōu)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(fù)摩擦測試儀對這些涂層進(jìn)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(jìn)行了測試。在一個摩擦系統(tǒng)中，潤滑油可以提供對摩擦副的磨損保護(hù)。摩擦系統(tǒng)的潤滑油粘度也是對CO2減排具有很大影響的參數(shù)，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(diǎn)是會減小油膜承載能力，并導(dǎo)致發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高。用往復(fù)摩擦測試儀分別對使用室溫、150℃礦物油以及150℃調(diào)制油的抗摩耐磨性能進(jìn)行了測試。由于在室溫下調(diào)質(zhì)油中的添加劑不起作用，因此只測試了調(diào)制油在150℃溫度時的性能。通過分析不同條件下的摩擦系數(shù)和磨損痕跡，將所有評估結(jié)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(shù)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(xiàn)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(shù)。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(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xù)進(jìn)行研究分析。在150℃高溫條件下用調(diào)制油進(jìn)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(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。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(shù)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(shù)。
結(jié)論
汽車行業(yè)對低摩擦、高耐磨零部件的需求與日俱增。以前的大多數(shù)涂層都應(yīng)用于溫度較低（160℃—200℃）的工作環(huán)境。在本項研究中，通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)可在高溫（450℃）條件下使用、并具有高耐磨性和低摩擦系數(shù)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(jìn)行了對比分析。
在450℃的高溫耐磨試驗(yàn)中，ta-C:W涂層幾乎沒有出現(xiàn)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(fù)摩擦試驗(yàn)中，當(dāng)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(shù)都更小；在使用調(diào)制潤滑油時，除了Si-DLC涂層因化學(xué)親和性問題而出現(xiàn)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(shù)并非最小，但尤其是在使用礦物油的情況下，其摩擦系數(shù)與ta-C涂層相當(dāng)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(fā)動機(jī)零部件來說，涂層摻雜技術(shù)顯示出良好的潛能。為了進(jìn)一步探究涂層在實(shí)際發(fā)動機(jī)零部件上的使用性能，目前正在對發(fā)動機(jī)進(jìn)行更多的測試評估。
