在苛刻的條件下，涂層技術(shù)可以減少摩擦同時(shí)提高抗磨損保護(hù)，是實(shí)現(xiàn)減少CO2排放的途徑之一。因此涂層在汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。遵循當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)提高溫度和降低油品的粘度，Hauzer開始了參雜類金剛石DLC涂層和Ta-C （四面體非晶碳）涂層的研究。不同的參雜材料被添加到無(wú)氫和有氫的DLC 涂層中。
汽車行業(yè)的最新發(fā)展是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，比如小型化，發(fā)動(dòng)機(jī)啟停技術(shù)，渦輪增壓和使用低粘度的油品達(dá)到相應(yīng)的效果，同時(shí)需要應(yīng)用涂層。工作溫度和部件的裝填密度越來(lái)越高。經(jīng)典的DLC涂層已經(jīng)達(dá)到其使用極限，例如：活塞環(huán)頂環(huán)與氣缸套接觸區(qū)的溫度超過400°C。DLC 涂層典型地穩(wěn)定溫度小于300°C。傳統(tǒng)上，在這種情況下厚的CrN涂層被應(yīng)用于這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。但是CrN涂層的摩擦系數(shù)高，意味著高的燃油消耗和高的CO2排放。另外一個(gè)趨勢(shì)是使用少量的添加劑改變材料的潤(rùn)滑性能和減少粘度，從而提高了抗磨損保護(hù)的要求。
試驗(yàn)
參雜的DLC 和 Ta-C 涂層由HauzerFlexicoat® 1200（圖片一）物理氣相沉積涂層系統(tǒng)生產(chǎn)，該系統(tǒng)使用混合的沉積技術(shù)，包括閉合磁場(chǎng)非平衡濺射，電弧沉積和等離子輔助化學(xué)氣相沉積的工藝。Flexicoat® 1200設(shè)備配有4個(gè)磁控濺射陰極（Cr, WC, C）和一組圓形電弧陰極（C）。在直徑30mm 基底粗糙為15 nm的拋光高速鋼基片上進(jìn)行鍍膜，生產(chǎn)六種不同的涂層，請(qǐng)參考表格一?；珘?，2重旋轉(zhuǎn)，星式旋轉(zhuǎn)工件盤，基片加熱后，泵抽到2.10-5hPa時(shí)，基片在氬氣氣氛下進(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，確保涂層和基底之間有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合力以及一個(gè)合適的方式適應(yīng)載荷應(yīng)力。最頂層是一個(gè)碳基涂層，比如使用碳電弧源生產(chǎn)Ta-C 涂層（表一，1-3 項(xiàng)）。比如案例2使用WC參雜這些涂層，比如案例3，在低功率下濺射其中的一個(gè)WC靶，同時(shí)通入C2H2 氣體。
后處理
因電弧鍍膜過程中有微小液滴產(chǎn)生，所以電弧鍍膜會(huì)有較高的表面粗糙度。特別應(yīng)該避免“多山狀的”表面粗糙度，它會(huì)導(dǎo)致摩擦接觸面的局部區(qū)域內(nèi)有著非常高的接觸應(yīng)力，會(huì)損壞相應(yīng)的鍍膜部件。潤(rùn)滑系統(tǒng)要求非常光滑的表面沒有這些表面微凸體，確保潤(rùn)滑系統(tǒng)達(dá)到所需要的工作壽命。在這種情況下，電弧沉積的基片（1-3）采用研磨拋光的方法使其表面粗糙度由80nm降低為<20nm.
磁控濺射參雜的DLC 涂層（4）由碳濺射靶材制備，共濺射C和WC 靶材實(shí)現(xiàn)W 的參雜。涂層5和涂層6采用PACVD 的方法制備。沉積Cr 和WC的結(jié)合層后，直接由氣相的C2H2 制備氫化的DLC頂層，然而a-C:H-Si涂層（6）參雜劑來(lái)源于氣相的含Si前驅(qū)體氣體。磁控濺射的a-C:H-W涂層，a-C:H涂層和a-C:H-Si涂層均采用PACVD 的方法制備，涂層后不在需要進(jìn)一步的拋光。
這些涂層的表面粗糙度在15-20nm 范圍內(nèi)，非常類似于未鍍膜的拋光基片。
調(diào)查分析了在高溫下的耐磨性能，同時(shí)也分析了在不同潤(rùn)滑條件下的耐磨和摩擦。
干式工況
在布倫瑞克的夫瑯和費(fèi)測(cè)試了在室溫下的銷盤測(cè)試和高溫下的磨損測(cè)試。在室溫下的測(cè)試采用UMT3摩擦計(jì)。鍍膜件放在轉(zhuǎn)盤上，運(yùn)行一個(gè)未鍍膜的球，這個(gè)球由1.3505 鋼制成，直徑5 mm作為副本。加熱后，60分鐘后開始測(cè)試，加載3N的力，滑動(dòng)速度32 mm/s.
在高溫下的銷盤測(cè)試采用UMT3摩擦計(jì)（CETR），在450°C空氣中（見圖片2）。鍍膜工件放在轉(zhuǎn)盤內(nèi)，并固定在加熱爐內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)前需要加熱40分鐘，加熱到450°C。一個(gè)未鍍膜的球，這個(gè)球由1.3505 鋼制成，直徑9.5mm作為副本.加熱后，60分鐘后開始測(cè)試，加載12N的力，滑動(dòng)速度32 mm/s（總的痕跡長(zhǎng)度115米）。.在不同的裝置和不同的直徑和法向力下，完成在室溫和高溫下的測(cè)試。為了得到實(shí)際的對(duì)比，選定法向力參數(shù)，比如兩個(gè)測(cè)試中接觸壓力相同。
潤(rùn)滑工況
在利茲大學(xué)進(jìn)行潤(rùn)滑條件下的往復(fù)試驗(yàn)，采用Biceri公司內(nèi)部改進(jìn)型的摩擦計(jì)。在潤(rùn)滑條件下，一個(gè)曲率半徑40mm未涂層鑄鐵銷與涂層的盤相接觸，加載73.5N的力(接觸壓力600 MPa)。測(cè)試時(shí)間持續(xù)2個(gè)小時(shí)，在8 cm/sec速度下，滑動(dòng) 1cm ,滑行距離為0.72Km. 測(cè)試用的礦物油（沒有添加劑）溫度為20 °C 和 150 °C。此外還在溫度150 °C的含添加劑的調(diào)質(zhì)潤(rùn)滑油進(jìn)行測(cè)試。在100°C時(shí)，礦物油的粘度為4.03.10-3Pa.sec和調(diào)質(zhì)潤(rùn)滑油的粘度為14.10-3 Pa.sec
測(cè)試結(jié)果
在干式工況下，銷盤的測(cè)試結(jié)果見圖片3的曲線。圖片3顯示了在室溫和450C時(shí)的摩擦系數(shù)以及在450C測(cè)試后涂層磨損痕跡的深度。在室溫下沒有涂層顯示出能測(cè)量出磨損量。對(duì)比在之前的低溫下和450°C高溫下的磨損與摩擦的數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)Ta-C（500%）和ta-C:W (700%)摩擦系數(shù)極劇增加，對(duì)于PACVDa-C:H (5)涂層也有很大的增加400% ,對(duì)于 a-C:H-Si (6)可測(cè)量到增加600%。ta-C:H (3) 和磁控濺射 a-C:H-W (4)也出現(xiàn)適度的增加，大約摩擦系數(shù)增加了200%。推測(cè)導(dǎo)致摩擦系數(shù)增加的原因可能是升高溫度的過程中缺少水蒸汽。在高溫下可以測(cè)量出涂層有比較大的磨損量。Ta-C 基的涂層（大約70 µm3磨損）比a-C:H基的涂層表現(xiàn)好。
標(biāo)準(zhǔn)的a-C:H涂層磨損量200 µm3，a-C:H-Si涂層（6）磨損量100 µm3，a-C:H-W (4)磨損量大約120 µm3。測(cè)試結(jié)果表明Si-DLC在不適用于高溫的條件下，ta-C涂層顯示出良好的潛力。特別是ta-C: H (3)顯示出具有最低的摩擦系數(shù)優(yōu)勢(shì)。a-C:H-W 涂層（4）也是一個(gè)很好的候選涂層。
磨損保護(hù)
在潤(rùn)滑工況下，使用往復(fù)摩擦計(jì)分析這些涂層。在不同的溫度和有潤(rùn)滑油的條件下，測(cè)試6種不同涂層的運(yùn)行狀況。在摩擦系統(tǒng)中潤(rùn)滑油提供了磨損保護(hù)。因?yàn)槟Σ?，在一個(gè)摩擦系統(tǒng)中潤(rùn)滑油的粘度是一個(gè)極大影響CO2減排的參數(shù)。因此有一個(gè)傾向是減少油品的粘性，不缺點(diǎn)是會(huì)減少油膜的承載能力和導(dǎo)致更高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
使用往復(fù)摩擦計(jì)測(cè)試在室溫下，150°C礦物油和150°C調(diào)質(zhì)潤(rùn)滑油的表現(xiàn)。在室溫下調(diào)質(zhì)油中的添加劑沒有起到效果，所以只測(cè)試調(diào)質(zhì)潤(rùn)滑油在150°C溫度下的表現(xiàn)。例如，圖片4顯示Ta-C涂層調(diào)查結(jié)果。分析了在不同條件下的摩擦系數(shù)和磨損痕跡。所有的評(píng)估結(jié)果匯總在圖片5. 圖片的上半部分顯示所有涂層在三種潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)，圖片的下半部分顯示涂層磨損痕跡的磨損量。藍(lán)色垂直線顯示沉積涂層的厚度。
更好的理解
礦物油在室溫條件下，大多數(shù)涂層顯示只有非常小的磨損。例外的是，a-C:H-Si出現(xiàn)一些小的磨損和ta-C:W出現(xiàn)相對(duì)大的磨損。ta-C 基的涂層(1-3) 和a-C:H-W (4)具有最低的摩擦。
在150°C的礦物油條件下可以觀察到，即使ta-C涂層的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)低于PACVD 基的涂層（5-6），ta-C 基的涂層(1-3)也比a-C:H-W, a-C:H 和a-C:H-Si 涂層磨損大。
為什么ta-C基涂層會(huì)有更高的磨損率還需要繼續(xù)進(jìn)行調(diào)查。在150°C調(diào)質(zhì)潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑條件下，a-C:H-Si 涂層(6)被完全磨損。銷的磨損不能被測(cè)量出。這表明在涂層和潤(rùn)滑劑之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。ta-C:H 涂層 (3)顯示出一些磨損，其他涂層沒有磨損。ta-C 基的涂層(1-3)的摩擦系數(shù)相對(duì)較高，但是低于r a-C:H-W, a-C:H 和 a-C:H-Si (4-6).
結(jié)論
對(duì)于零部件的低摩擦和高耐磨性有更多的需求量。大多數(shù)應(yīng)用是在較低低溫下使用（160-200 °C）。在這項(xiàng)研究中，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)新的參雜涂層，可以在高溫下使用并具有高的耐磨性和較好的低摩擦。在不同的潤(rùn)滑和溫度模式下，對(duì)比不參雜的ta-C基涂層，W參雜和H 參雜的ta-C基涂層，W 參雜和Si參雜氫化DLC 涂層。
在450°C高溫下測(cè)試顯示出ta-C:W幾乎沒有干磨損和ta-C涂層低磨損（沒有變化）。a-C:H:Si觀察到了高的干磨損。在150°C礦物油條件下，往復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明了對(duì)所有的Ta-C涂層都有大的磨損。與a-C:H:X相比發(fā)現(xiàn)所有ta-C涂層具有更低地摩擦系數(shù)。在調(diào)質(zhì)油條件下，除了Si-DLC因?yàn)榛瘜W(xué)親和性的問題導(dǎo)致涂層有非常高的磨損，其他涂層只是最小的磨損。
在礦物油的條件下發(fā)現(xiàn)所有a-C:H涂層都只是出現(xiàn)小的磨損。所有W參雜的涂層顯示出非常好的磨損保護(hù)。W參雜的涂層沒有顯示出最低的摩擦系數(shù)，但特別是在礦物油條件下的W參雜涂層的摩擦系數(shù)等于或優(yōu)于Ta-C 涂層。
總之，可以說(shuō)通過參雜元素，特別是W，會(huì)影響摩擦和磨損的性能。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)部件參雜涂層顯示出很好的潛能。額外的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試評(píng)估現(xiàn)在正在進(jìn)行，需要進(jìn)一步探索涂層在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)部件的性能表現(xiàn)。
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圖片1：HauzerFlexicoat®1200設(shè)備和Ta-C 配置
Coating
涂層 Technology
技術(shù) Composition (doping element)
組成（參雜元素） Thickness
厚度 Hardness
硬度
1 ta-C Arc 0,8 µm 7898 HV
2 ta-C:W Arc/Sputter <1 at% W
0,8 µm 4496 HV
3 ta-C:H Arc/Sputter
3-5 at% H 0,8 µm 6819 HV
4 a-C:H:W Sputtering 5 at% W/ 10at% H 2,1 µm 2327 HV
5 a-C:H PACVD/Sputter 3,1 µm 2215 HV
6 a-C:H:Si PACVD/Sputter
8-10 at% Si 2,8 µm 1552 HV
>illustratie van maken<
表格一: 此研究中的涂層評(píng)價(jià)
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圖片2:高溫摩擦計(jì)
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圖片3:干式工況銷盤
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圖片 4:潤(rùn)滑工況的磨損和摩擦
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圖片5:
在不同潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)和磨損，RT是室溫，MO 是礦物油，F(xiàn)F 是調(diào)配油，150°C是油的溫度
