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喷涂/清洗/表面工程 |
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碳参杂涂层在摩擦学的应用前景 |
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作者： |
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在苛刻的条件下，涂层技术可以减少摩擦 同时提高抗磨损保护，是实现减少CO2 排放的途径之一。因此涂层在汽车行业得到了广泛的应用。遵循当前的发展趋势提高温度和降低油品的粘度， Hauzer 开始了 参杂类金刚石DLC涂层和Ta-C （四面体非晶碳）涂层的研究。 不同的参杂材料被添加到无氢和有氢的DLC 涂层中。
汽车行业的最新发展是提高发动机的效率，比如小型化，发动机启停技术，涡轮增压和使用低粘度的油品达到相应的效果，同时需要应用涂层。工作温度和部件的装填密度越来越高。经典的DLC涂层已经达到其使用极限，例如： 活塞环顶环与气缸套接触区的温度超过400°C。DLC 涂层典型地稳定温度小于300°C。 传统上，在这种情况下厚的CrN涂层被应用于这个应用领域。但是CrN涂层的摩擦系数高，意味着高的燃油消耗和高的CO2 排放。 另外一个趋势是使用少量的添加剂改变材料的润滑性能和减少粘度，从而提高了抗磨损保护的要求。
试验
参杂的DLC 和 Ta-C 涂层由Hauzer Flexicoat® 1200（图片一）物理气相沉积涂层系统生产，该系统使用混合的沉积技术，包括闭合磁场非平衡溅射，电弧沉积和等离子辅助化学气相沉积的工艺。 
图片1： Hauzer Flexicoat®1200 设备和Ta-C 配置
Flexicoat® 1200 设备配有4个磁控溅射阴极（Cr, WC, C） 和一组圆形电弧阴极（C）。在直径30mm 基底粗糙为15 nm的抛光高速钢基片上进行镀膜，生产六种不同的涂层，请参考表格一。基片偏压，2重旋转 ， 星式旋转工件盘，基片加热后，泵抽到 2.10-5 hPa时， 基片在氩气气氛下进行等离子刻蚀，然后进行涂层。Cr和WC靶材被用于形成合适的中间层，确保涂层和基底之间有适当的结合力以及一个合适的方式适应载荷应力。最顶层是一个碳基涂层，比如使用 碳电弧源生产Ta-C 涂层（表一，1-3 项）。 比如案例2使用WC参杂这些涂层，比如案例3， 在低功率下溅射其中的一个WC靶， 同时通入C2H2 气体。表格一 : 此研究中的涂层评价
 后处理
因电弧镀膜过程中有微小液滴产生，所以电弧镀膜会有较高的表面粗糙度。 特别应该避免“多山状的” 表面粗糙度，它会导致摩擦接触面的局部区域内有着非常高的接触应力，会损坏相应的镀膜部件。润滑系统要求非常光滑的表面没有这些表面微凸体，确保润滑系统达到所需要的工作寿命。在这种情况下，电弧沉积的基片（1-3）采用研磨抛光的方法使其表面粗糙度由80 nm 降低为<20nm.
磁控溅射参杂的DLC 涂层（4）由碳溅射靶材制备，共溅射C 和WC 靶材实现W 的参杂。涂层5和涂层6采用PACVD 的方法制备。沉积Cr 和WC的结合层后，直接由气相的C2H2 制备氢化的DLC顶层，然而a-C:H-Si 涂层（6）参杂剂来源于气相的含Si前驱体气体。磁控溅射的a-C:H-W涂层，a-C:H涂层和a-C:H-Si 涂层均采用PACVD 的方法制备，涂层后不在需要进一步的抛光。
这些涂层的表面粗糙度在15-20nm 范围内，非常类似于未镀膜的抛光基片。
调查分析了在高温下的耐磨性能，同时也分析了在不同润滑条件下的 耐磨和摩擦。
干式工况
在布伦瑞克的夫琅和费测试了在室温下的销盘测试和高温下的磨损测试。 在室温下的测试采用UMT3摩擦计。镀膜件放在转盘上，运行一个未镀膜的球，这个球由1.3505 钢制成，直径5 mm作为副本。加热后，60分钟后开始测试，加载3N的力，滑动速度32 mm/s.
在高温下的销盘测试采用UMT3摩擦计（CETR），在450°C空气中（见图片2）。镀膜工件放在转盘内，并固定在加热炉内，在实验前需要加热40分钟，加热到450°C。一个未镀膜的球，这个球由1.3505 钢制成，直径9.5mm作为副本.加热后，60分钟后开始测试，加载12N的力，滑动速度32 mm/s（总的痕迹长度115米）。.在不同的装置和不同的直径和法向力下，完成在室温和高温下的测试。 为了得到实际的对比，选定法向力参数，比如 两个测试中接触压力相同。
图片 2:高温摩擦计
润滑工况
在利兹大学进行润滑条件下的往复试验，采用Biceri公司内部改进型的摩擦计。在润滑条件下，一个曲率半径40mm未涂层铸铁销与涂层的盘相接触，加载73.5N的力(接触压力 600 MPa)。测试时间持续2个小时，在8 cm/sec 速度下，滑动 1cm ,滑行距离为0.72Km. 测试用的矿物油（没有添加剂）温度为 20 °C 和 150 °C。 此外还在温度150 °C的含添加剂的调质润滑油进行测试。 在100°C时，矿物油的粘度为4.03.10-3 Pa.sec 和调质润滑油的粘度为14.10-3 Pa.sec
测试结果
在干式工况下，销盘的测试结果见图片3的曲线。图片3显示了在室温和450C时的摩擦系数以及在450C测试后涂层磨损痕迹的深度。 
图片 3: 干式工况销盘
在室温下没有涂层显示出能测量出磨损量。对比在之前的低温下和 450°C高温下的磨损与摩擦的数值，可以发现Ta-C（500%）和ta-C:W (700%) 摩擦系数极剧增加，对于PACVD a-C:H (5)涂层也有很大的增加400% ,对于 a-C:H-Si (6)可测量到增加600%。 ta-C:H (3) 和 磁控溅射 a-C:H-W (4) 也出现适度的增加，大约摩擦系数增加了200%。 推测导致摩擦系数增加的原因可能是升高温度的过程中缺少水蒸汽。在高温下可以测量出涂层有比较大的磨损量。Ta-C 基的涂层（大约 70 μm3 磨损）比a-C:H基的涂层表现好。
标准的a-C:H涂层磨损量200 μm3 ， a-C:H-Si涂层（6）磨损量100 μm3 ，a-C:H-W (4) 磨损量大约120 μm3。测试结果表明Si-DLC 在不适用于高温的条件下，ta-C涂层显示出良好的潜力。特别是ta-C: H (3)显示出具有最低的摩擦系数优势。a-C:H-W 涂层（4）也是一个很好的候选涂层。
磨损保护
在润滑工况下，使用往复摩擦计分析这些涂层。在不同的温度和有润滑油的条件下，测试6种不同涂层的运行状况。在摩擦系统中润滑油提供了磨损保护。 因为摩擦， 在一个摩擦系统中润滑油的粘度是一个极大影响CO2减排的参数。 因此有一个倾向是减少油品的粘性，不缺点是会减少油膜的承载能力和导致更高的发动机转速。
使用往复摩擦计测试在室温下，150 °C 矿物油和150 °C调质润滑油的表现。在室温下调质油中的添加剂没有起到效果，所以只测试调质润滑油在150 °C温度下的表现。 例如，图片4显示Ta-C涂层调查结果。分析了在不同条件下的摩擦系数和磨损痕迹。所有的评估结果汇总在图片5. 图片的上半部分显示所有涂层在三种润滑条件下的摩擦系数，图片的下半部分显示涂层磨损痕迹 的磨损量。蓝色垂直线显示沉积涂层的厚度。
图片 4:润滑工况的磨损和摩擦
更好的理解
矿物油在室温条件下，大多数涂层显示只有非常小的磨损。 例外的是，a-C:H-Si 出现一些小的磨损和ta-C:W出现相对大的磨损。ta-C 基的涂层(1-3) 和a-C:H-W (4)具有最低的摩擦。
在150 °C 的矿物油条件下可以观察到，即使ta-C涂层的摩擦系数远低于PACVD 基的涂层（5-6），ta-C 基的涂层(1-3) 也比a-C:H-W, a-C:H 和a-C:H-Si 涂层磨损大。
为什么ta-C基涂层会有更高的磨损率还需要继续进行调查。在150 °C调质润滑油的润滑条件下，a-C:H-Si 涂层(6)被完全磨损。销的磨损不能被测量出。这表明在涂层和润滑剂之间发生了化学反应。ta-C:H 涂层 (3)显示出一些磨损，其他涂层没有磨损。ta-C 基的涂层(1-3)的摩擦系数相对较高，但是低于r a-C:H-W, a-C:H 和 a-C:H-Si (4-6).
结论
对于零部件的低摩擦和高耐磨性有更多的需求量。大多数应用是在较低低温下使用（160-200 °C）。 在这项研究中，通过调查发现新的参杂涂层， 可以在高温下使用并具有高的耐磨性和较好的低摩擦。在不同的润滑和温度模式下，对比不参杂的ta-C基涂层，W参杂和H 参杂的ta-C基涂层，W 参杂和Si参杂氢化DLC 涂层。
在450°C高温下测试显示出ta-C:W几乎没有干磨损和ta-C涂层低磨损（没有变化）。 a-C:H:Si 观察到了高的干磨损。在150°C矿物油条件下，往复实验测试证明了对所有的Ta-C涂层都有大的磨损。与a-C:H:X相比发现所有ta-C涂层具有更低地摩擦系数。在调质油条件下，除了Si-DLC因为化学亲和性的问题导致涂层有非常高的磨损，其他涂层只是最小的磨损。
在矿物油的条件下发现所有a-C:H涂层都只是出现小的磨损。所有W参杂的涂层显示出非常好的磨损保护。W参杂的涂层没有显示出最低的摩擦系数，但特别是在矿物油条件下的W参杂涂层的摩擦系数等于或优于Ta-C 涂层。
总之，可以说通过参杂元素，特别是W，会影响摩擦和磨损的性能。对于发动机部件参杂涂层显示出很好的潜能。额外的发动机测试评估现在正在进行，需要进一步探索涂层在实际发动机部件的性能表现。
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(10/30/2013) |
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