圖1 HauzerFlexicoat®1200設備和Ta-C 配置
在苛刻的條件下，涂層技術(shù)可以減少摩擦同時提高抗磨損保護，是實現(xiàn)減少CO2排放的途徑之一。因此涂層在汽車行業(yè)得到了廣泛的應用。遵循當前的發(fā)展趨勢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)動機的效率，比如小型化，發(fā)動機啟停技術(shù)，渦輪增壓和使用低粘度的油品達到相應的效果，同時需要應用涂層。工作溫度和部件的裝填密度越來越高。經(jīng)典的DLC涂層已經(jīng)達到其使用極限，例如：活塞環(huán)頂環(huán)與氣缸套接觸區(qū)的溫度超過400℃。DLC 涂層典型地穩(wěn)定溫度小于300℃。傳統(tǒng)上，在這種情況下厚的CrN涂層被應用于這個應用領(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。另外一個趨勢是使用少量的添加劑改變材料的潤滑性能和減少粘度，從而提高了抗磨損保護的要求。
試 驗
參雜的DLC 和 Ta-C 涂層由HauzerFlexicoat® 1200物理氣相沉積涂層系統(tǒng)生產(chǎn)（見圖1），該系統(tǒng)使用混合的沉積技術(shù)，包括閉合磁場非平衡濺射，電弧沉積和等離子輔助化學氣相沉積的工藝。Flexicoat® 1200設備配有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基底粗糙為15nm的拋光高速鋼基片上進行鍍膜，生產(chǎn)六種不同的涂層，請參考表格一?；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，基片在氬氣氣氛下進行等離子刻蝕，然后進行涂層。Cr和WC靶材被用于形成合適的中間層，確保涂層和基底之間有適當?shù)慕Y(jié)合力以及一個合適的方式適應載荷應力。最頂層是一個碳基涂層，比如使用碳電弧源生產(chǎn)Ta-C 涂層（見表1，1-3 項）。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WC靶，同時通入C2H2 氣體。
后處理
因電弧鍍膜過程中有微小液滴產(chǎn)生，所以電弧鍍膜會有較高的表面粗糙度。特別應該避免“多山狀的”表面粗糙度，它會導致摩擦接觸面的局部區(qū)域內(nèi)有著非常高的接觸應力，會損壞相應的鍍膜部件。潤滑系統(tǒng)要求非常光滑的表面沒有這些表面微凸體，確保潤滑系統(tǒng)達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，同時也分析了在不同潤滑條件下的耐磨和摩擦。
干式工況
在布倫瑞克的夫瑯和費測試了在室溫下的銷盤測試和高溫下的磨損測試。在室溫下的測試采用UMT3摩擦計。鍍膜件放在轉(zhuǎn)盤上，運行一個未鍍膜的球，這個球由1.3505鋼制成，直徑5mm作為副本。加熱后，60分鐘后開始測試，加載3N的力，滑動速度32 mm/s。
圖2 高溫摩擦計
在高溫下的銷盤測試采用UMT3摩擦計（CETR），在450℃空氣中（見圖2）。鍍膜工件放在轉(zhuǎn)盤內(nèi)，并固定在加熱爐內(nèi)，在實驗前需要加熱40分鐘，加熱到450℃。一個未鍍膜的球，這個球由1.3505鋼制成，直徑9.5mm作為副本.加熱后，60分鐘后開始測試，加載12N的力，滑動速度32 mm/s（總的痕跡長度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試。為了得到實際的對比，選定法向力參數(shù)，比如兩個測試中接觸壓力相同。
潤滑工況
在利茲大學進行潤滑條件下的往復試驗，采用Biceri公司內(nèi)部改進型的摩擦計。在潤滑條件下，一個曲率半徑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600MPa)。測試時間持續(xù)2個小時，在8cm/sec速度下，滑動1cm， 滑行距離為0.72Km。測試用的礦物油（沒有添加劑）溫度為20℃和150 ℃。此外還在溫度150℃的含添加劑的調(diào)質(zhì)潤滑油進行測試。在100℃時，礦物油的粘度為4.03.10-3Pa.sec和調(diào)質(zhì)潤滑油的粘度為14.10-3 Pa.sec?！?/div>
